Схема накопителя энергии постоянного тока и способ ее работы

Схема накопителя энергии постоянного тока и способ ее работы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Изобретение относится к схемам накопителей энергии постоянного тока, и, в частности, схемам, которые позволяют накапливать энергию постоянного тока для питания вспомогательных систем накопителей энергии постоянного тока, таких как, например, вентиляторы или насосы.

Предпосылки создания изобретения

Накопители энергии постоянного тока могут быть реализованы на основе различных технологий, таких, как аккумуляторы (например, литиевые и серно-натриевые), конденсаторы, включая ионисторы, а также электролизеры с поточным электролитом (например, ванадиевые редокс-батареи с поточным электролитом). Энергия может сохраняться в накопителе энергии постоянного тока и использоваться по мере необходимости. Такая способность накапливать и подавать энергию полезна в целом ряде различных приложений, в том числе, для накопления избыточной энергии ветра и последующей передачи этой энергии в сеть переменного тока или электросеть в то время, когда ветер дает меньше энергии. Еще одно применение - накопление энергии на случай, если электрический генератор прекращает работу. Энергия, накопленная в накопителе энергии постоянного тока, может быть использована для поддержания работоспособности жизненно важных систем и служб до тех пор, пока не будет запущен резервный генератор. В некоторых случаях может быть полезно накапливать энергию постепенно, а затем очень быстро подавать энергию, накопленную в накопителе энергии постоянного тока - для приложений, где требуется высокая мощность энергетических импульсов, например, линейных электромоторов, применяемых в аттракционах.

Накопители энергии постоянного тока, как правило, имеют вспомогательные системы, такие, как насосы, вентиляторы, блоки управления и другие устройства, которые подключены к сети питания переменного тока. Если в сети переменного тока подача энергии прерывается, либо наблюдаются колебания напряжения и частоты, то подача энергии к вспомогательным системам происходить не будет, и это может вызвать проблемы в практической работе накопителя энергии постоянного тока. Например, если перестают работать вентиляторы, которые используются для охлаждения накопителя энергии постоянного тока, то это может привести к недопустимому повышению температуры. Кроме того, для максимально эффективной работы некоторых видов накопителей энергии постоянного тока требуются насосы.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение предлагает схему накопителя энергии постоянного тока, включающую в себя: накопитель энергии постоянного тока, имеющий вспомогательные системы (например, насосы, вентиляторы, блоки управления и другие устройства, связанные с накопителем энергии постоянного тока, которые обычно необходимы для нормального или стандартного функционирования, а не просто являются потребителями электроэнергии, подключенными к сети переменного тока или электросети), преобразователь питания переменного/постоянного тока, включающий в себя несколько полупроводниковых устройств переключения питания, преобразователь питания переменного/постоянного тока, имеющий контакты постоянного тока и контакты переменного тока, которые электрически подсоединены к сети переменного тока или электросети, при необходимости с помощью фильтров и-или через трансформатор, преобразователь питания постоянного/постоянного тока, включающий в себя несколько полупроводниковых устройств переключения питания, преобразователь питания постоянного/постоянного тока, чьи первые контакты постоянного тока электрически соединены с клеммами постоянного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока с помощью цепи постоянного тока, а вторые контакты постоянного тока электрически соединены с клеммами постоянного тока накопителя энергии постоянного тока, при необходимости с помощью индуктивностей постоянного тока и конденсаторов фильтра; первый контроллер для преобразователя питания переменного/постоянного тока и второй контроллер для преобразователя питания постоянного/постоянного тока.

Схема накопителя энергии постоянного тока может работать в одном или нескольких из трех режимов, при необходимости переключаясь между режимами работы, когда этого требуют обстоятельства. В "автономном режиме" схема накопителя энергии постоянного тока используется для подачи энергии из накопителя энергии постоянного тока к вспомогательным системам накопителя энергии постоянного тока при отсутствии подачи энергии из сети питания переменного тока. В этом режиме схема накопителя энергии постоянного тока, как правило, изолирована от сети питания переменного тока, чтобы неисправность в сети питания переменного тока не помешала работе в автономном режиме. Схема накопителя энергии постоянного тока может быть изолирована с помощью любого подходящего средства, например, коммутатора. В "изолированном режиме" схема накопителя энергии постоянного тока используется для подачи энергии от накопителя энергии постоянного тока к вспомогательным системам и другим электрическим нагрузкам, подключенным к сети переменного тока, когда накопитель энергии постоянного тока является основным источником питания. В "нормальном режиме" сеть переменного тока работает нормальным образом и связана с другими генераторами. Схема накопителя энергии постоянного тока используется для подачи энергии от сети питания переменного тока к накопителю энергии постоянного тока и для подачи энергии от накопителя энергии постоянного тока в сеть переменного тока, т.е., соответственно, для заряда и разряда накопителя энергии постоянного тока.

Когда накопитель энергии постоянного тока цепи работает в автономном режиме, в котором энергия подается от накопителя энергии постоянного тока к вспомогательным системам накопителя энергии постоянного тока:

первый контроллер использует сигнал запроса напряжения, указывающий желательное напряжение на клеммах переменного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания переменного/постоянного тока с целью достижения желательного уровня напряжения переменного тока, соответствующего сигналу запроса напряжения, где сигнал запроса напряжения выводится из сравнения сигнала обратной связи напряжения и второго сигнала запроса напряжения, заданного с целью обеспечения требуемого напряжения переменного тока для вспомогательных систем накопителя энергию постоянного тока; и

второй контроллер использует сигнал запроса тока, указывающий желательный ток в цепи постоянного тока для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания постоянного/постоянного тока с целью достижения желательного уровня тока в цепи постоянного тока, соответствующего сигналу запроса тока, где сигнал запроса тока выводится из сравнения сигнала запроса напряжения в цепи постоянного тока, указывающего желательное постоянное напряжение в цепи постоянного тока, и сигнала обратной связи напряжения в цепи постоянного тока.

Автономный режим обычно используется, когда сеть переменного тока или энергосистема, которые обычно подают питание на вспомогательные системы, не доступны по какой-либо причине (например, из-за сбоя). Таким образом, энергия, запасенная в накопителе постоянного тока, может использоваться для питания вспомогательных систем с целью обеспечения их нормальной работы или выполнения процедуры отключения.

В автономном режиме первый контроллер предпочтительно включает в себя модулятор широтно-импульсной модуляции (ШИМ), который выводит команды запуска полупроводниковых устройств переключения питания преобразователя питания переменного/постоянного тока на основе сигнала запроса напряжения и требуемой частоты сети переменного тока.

Когда схема накопителя энергии постоянного тока работает в изолированном режиме, в котором питание подается из накопителя энергии постоянного тока в сеть переменного тока и к вспомогательным системам накопителя энергии постоянного тока:

первый контроллер использует сигнал запроса напряжения, указывающий желательное напряжение переменного тока на клеммах переменного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания переменного/постоянного тока с целью достижения желательного уровня напряжения переменного тока, соответствующего сигналу запроса напряжения, где сигнал запроса напряжения выводится из сравнения сигнала обратной связи напряжения и второго сигнала запроса напряжения, заранее заданного для обеспечения желательного напряжения переменного тока для сети питания переменного тока, и

второй контроллер использует сигнал запроса тока, указывающий желательный ток в цепи постоянного тока для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания постоянного/постоянного тока с целью достижения желательного уровня тока в цепи постоянного тока, соответствующего сигналу запроса тока, где сигнал запроса тока получается из сравнения сигнала запроса напряжения в цепи постоянного тока, указывающего напряжение в цепи постоянного тока, и сигнала обратной связи напряжения в цепи постоянного тока.

Изолированный режим работы обычно используется, когда накопитель энергии постоянного тока является основным источником питания для внешних нагрузок, подключенных к сети переменного тока или электрической сети.

В изолированном режиме первый контроллер, предпочтительно, включает в себя ШИМ-модулятор, который выводит команды запуска полупроводниковых устройств переключения питания преобразователя питания переменного/постоянного тока на основании сигнала запроса напряжения и сигнала запроса частоты, где сигнал запроса частоты получается из сравнения частоты сигнала обратной связи и сигнала запроса частоты, который заранее задан для обеспечения желательной частоты переменного тока в сети питания переменного тока.

В автономном и изолированном режимах второй контроллер, предпочтительно, включает в себя ШИМ-модулятор, который выводит команды запуска полупроводниковых устройств переключения питания преобразователя питания постоянного/постоянного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока на основании сигнала запроса напряжения и измерения угла фазы напряжения, где сигнал запроса напряжения выводится путем сравнения сигнала обратной связи тока и одного из следующих: сигнала запроса тока и ограниченного варианта сигнала запроса тока, получаемого из ограничителя тока.

В автономном и изолированном режимах второй контроллер может включать в себя ограничитель тока, который получает ограниченный вариант сигнала запроса тока с помощью сигнала предела тока, указывающего максимальный допустимый ток на клеммах постоянного тока накопителя энергии постоянного тока. Сигнал предела тока может подаваться, например, из накопителя энергии постоянного тока или связанного с ним контроллера. Если сигнал запроса тока превышает сигнал предела тока, то ограничитель тока может подать управляющий сигнал. В автономном и изолированном режимах работы управляющий сигнал обычно используется для отключения схемы накопителя энергии постоянного тока поездку. Дополнительный сигнал выключения может подаваться, если переменный ток на клеммах переменного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока больше максимального допустимого тока.

Схема накопителя энергии постоянного тока может также работать в нормальном режиме, в котором энергия подается от сети питания переменного тока в накопитель энергии постоянного тока для зарядки накопителя энергии постоянного тока, либо энергия подается из накопителя энергии постоянного тока в сеть питания переменного тока, при этом происходит разрядка накопителя энергии постоянного тока. В нормальном режиме работы питание вспомогательных систем накопителя энергии постоянного тока может поступать либо от сети питания переменного тока, либо из накопителя энергии постоянного тока, в зависимости от сигнала запроса мощности, указывающего желательную мощность переменного тока на клеммах переменного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока. Вспомогательные системы, предпочтительно, электрически подключены к сети питания переменного тока по обе стороны от дополнительного трансформатора. В частности, вспомогательные системы могут иметь соответствующие клеммы переменного тока, которые подключены непосредственно к сети питания переменного тока, например, параллельно с остальной частью схемы накопителя энергию постоянного тока, либо через дополнительный трансформатор или любые другие промежуточные электрические компоненты. Когда схема накопителя энергии постоянного тока работает в нормальном режиме:

первый контроллер использует сигналы запроса реального и реактивного тока, указывающие желательные реальный и реактивный ток на клеммах переменного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания переменного/постоянного тока с целью достижения желательного уровня реального и реактивного тока, который соответствует сигналам запроса реального и реактивного тока, где сигнал запроса реального тока, полученный из сравнения сигнала запроса напряжения в цепи постоянного тока, и сигнала обратной связи напряжения в цепи постоянного тока (таким образом обеспечивается, чтобы напряжение в цепи постоянного тока, предпочтительно, оставалось бы практически постоянной в течение действия нормального режима работы); и

второй контроллер использует сигнал запроса тока, указывающий желательную величину постоянного тока на клеммах постоянного тока накопителя энергии постоянного тока для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания постоянного/постоянного тока с целью достижения желательного уровня постоянного тока, соответствующего сигналу запроса тока, где сигнал запроса тока рассчитывается в блоке расчета мощности на основе (i) сигнала запроса мощности, указывающего необходимую мощность переменного тока на клеммах переменного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока (то есть, вышеупомянутого сигнала запроса мощности), (ii) сигнала обратной связи напряжения, указывающего постоянное напряжение на клеммах постоянного тока накопителя энергии постоянного тока, и (iii) потерь в схеме накопителя энергии постоянного тока (например, в цепи переменного тока, соединяющей преобразователь питания переменного/постоянного тока и сеть питания переменного тока, в цепи постоянного тока, которая соединяет клеммы преобразователя питания постоянного/постоянного тока 14 и вспомогательные системы схемы накопителя энергии постоянного тока).

В нормальном режиме работы первый контроллер может включать в себя модулятор ШИМ, который формирует команды запуска для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания переменного/постоянного тока с помощью относительно обычных способов на основе сигналов запроса напряжения по осям D и Q и измерения угла фазы сети питания переменного, обычно с помощью блока фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Сигнал запроса реактивного тока может быть получен на основе одного или нескольких сигналов запроса тока, которые задают желательный уровень реактивного тока в сети питания переменного тока, гасят реактивный ток фильтра и устраняют сдвиг фазы в сети питания сети переменного тока или энергосети, чтобы, например, обеспечить надлежащее питание в определенной точке в сети питания переменного тока. Таким образом, сигнал запроса реактивного тока обычно указывает необходимую величину реактивного тока в цепи переменного тока. Сигнал запроса напряжения по оси Q может быть получен из сопоставления сигнала запроса реального тока и сигнала обратной связи тока, указывающего величину реального переменного тока на клеммах переменного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока. Аналогично, сигнал запроса напряжения по оси D может быть получен из сопоставления сигнала запроса реактивного тока и сигнала обратной связи тока, указывающего величину реактивного переменного тока на клеммах переменного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока.

В нормальном режиме работы сигнал запроса тока второго контроллера можно дополнительно получить с помощью блока расчета мощности на основании сигнала обратной связи цепи постоянного тока, указывающего напряжение цепи постоянного тока, а сигнал запроса реального тока первого контроллера может быть дополнительно получен из сигнала тока, который предоставляется блоком расчета мощности второго контроллера.

В нормальном режиме работы второй контроллер, предпочтительно, включает в себя ШИМ-модулятор, который выводит команды запуска полупроводниковых устройств переключения питания преобразователя питания постоянного/постоянного тока на основании сигнала запроса напряжения и измерения угла фазы напряжения, где сигнал запроса напряжения выводится путем сравнения сигнала обратной связи тока и одного из следующих: сигнала запроса тока и ограниченного варианта сигнала запроса тока, получаемого из ограничителя тока.

В нормальном режиме работы второй контроллер, предпочтительно, включает в себя ограничитель тока, который получает ограниченный вариант сигнала запроса тока с помощью сигнала предела тока, указывающего максимальный допустимый ток на клеммах постоянного тока накопителя энергии постоянного тока. Если сигнал запроса тока превышает сигнал предела тока, то ограничитель тока может подать управляющий сигнал на блок расчета мощности. Если блок расчета мощности получает управляющий сигнал, то он может выдать предупреждение пользователю системы, которая продолжает работать, но не в состоянии выдавать или поглощать запрашиваемую мощность.

В нормальном режиме работы сигнал запроса тока может быть дополнительно получен блоком расчета мощности на основании сигнала обратной связи мощности, указывающего мощность переменного тока в сети питания переменного тока. Сигнал обратной связи мощности используется блоком расчета мощности для применения постепенной коррекцию потерь в схеме накопителя энергии постоянного тока.

Преобразователи питания переменного/постоянного тока и постоянного/постоянного тока могут быть любой подходящей топологии и использовать любые подходящие полупроводниковые устройства переключения питания. Работу полупроводниковых устройств переключения питания в преобразователях питания переменного/постоянного тока и постоянного/постоянного тока можно контролировать с помощью управляющих сигналов вентильного устройства, полученных в соответствии с традиционной стратегией ШИМ. Могут рассматриваться различные виды стратегий ШИМ.

Накопитель энергии постоянного тока может быть также реализован на основе любой подходящей технологии, например, в виде аккумуляторов, конденсаторов и элементов с проточным электролитом.

Описанные выше схемы накопителей энергии постоянного тока предлагают два независимых контроллера, но можно было бы объединить функции контроллеров в один физический контроллер. Аналогично, функции каждого контроллера преобразователей питания переменного/постоянного тока и постоянного/постоянного тока можно распределить по нескольким контроллерам (например, сделать отдельный физический контроллер для каждого режима работы накопителя энергии постоянного тока), если это удобно для практической реализации схемы накопителя энергии постоянного тока.

Сеть питания переменного тока может иметь одну или несколько фаз (например, три).

Настоящее изобретение предусматривает дополнительно способ работы схемы накопителя энергии постоянного тока, включающего в себя: накопитель энергии постоянного тока, имеющий вспомогательные системы, преобразователь питания переменного/постоянного тока, включающий в себя несколько полупроводниковых устройств переключения питания, преобразователь питания переменного/постоянного тока постоянного тока с клеммами переменного тока и клеммами постоянного тока, которые электрически подключены к сети питания переменного тока, при необходимости с помощью фильтров и-или трансформатора, преобразователь питания постоянного/постоянного тока, включающий в себя несколько полупроводниковых устройств переключения питания, где первые клеммы постоянного тока преобразователя питания постоянного/постоянного тока электрически соединены с клеммами постоянного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока посредством цепи постоянного тока, а вторые клеммы постоянного тока электрически соединены с клеммами постоянного тока накопителя энергии постоянного тока, при необходимости с помощью индуктивностей постоянного тока и конденсаторов фильтра; первый контроллер для преобразователя питания переменного/постоянного тока; и второй контроллер для преобразователя питания постоянного/постоянного тока; где способ включает в себя стадию эксплуатации накопителя постоянного тока энергии в автономном режиме, в котором питание подается от накопителя энергии постоянного тока к вспомогательным системам накопителя энергии постоянного тока таким образом, что:

первый контроллер использует сигнал запроса напряжения, указывающий желательное напряжение переменного тока на клеммах переменного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания переменного/постоянного тока с целью достижения желательного уровня напряжения переменного тока, соответствующего напряжению сигнала запроса напряжения, где сигнал запроса напряжения получается из сравнения сигнала обратной связи напряжения и второго сигнала запроса напряжения, заранее заданного с целью обеспечения желательного напряжения переменного тока для вспомогательных систем накопителя энергию постоянного тока, и

второй контроллер использует сигнал запроса тока, указывающий желательный ток в цепи постоянного тока для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания постоянного/постоянного тока с целью достижения желательного уровня тока в цепи постоянного тока, соответствующего сигналу запроса тока, где сигнал запроса тока получается путем сравнения сигнала запроса напряжения в цепи постоянного тока, указывающего желательное напряжение в цепи постоянного тока, и сигнала обратной связи напряжения в цепи постоянного тока.

Этот способ может дополнительно или в качестве альтернативы включать в себя этап эксплуатации схемы накопителя энергии постоянного тока в изолированном режиме, в котором питание подается из накопителя энергии постоянного тока в сеть переменного тока и к вспомогательным системам накопителя постоянного энергии, таким, что:

первый контроллер использует сигнал запроса напряжения, указывающий желательное напряжение на клеммах переменного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания переменного/постоянного тока с целью достижения желательного уровня напряжения переменного тока, соответствующего сигналу запроса напряжения, где сигнал запроса напряжения, полученный из сравнения сигнала обратной связи напряжения и второго сигнала запроса напряжения, заданного с целью обеспечения требуемого напряжения переменного тока для работы в сети питания переменного тока, и

второй контроллер использует сигнал запроса тока, указывающий желательный ток в цепи постоянного тока для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания постоянного/постоянного тока с целью достижения желательного уровня тока в цепи постоянного тока, соответствующего сигналу запроса тока, где сигнал запроса тока выводится из сравнения сигнала запроса напряжения в цепи постоянного тока, указывающего желательное напряжение в цепи постоянного тока, и сигнала обратной связи напряжения в цепи постоянного тока.

Этот способ может дополнительно или в качестве альтернативы включать в себя этап эксплуатации накопителя энергии постоянного тока в нормальном режиме, в котором энергия подается от сети питания переменного тока к накопителю энергии постоянного тока, чтобы зарядить накопитель энергии постоянного тока, либо питание подается из накопителя энергии постоянного тока в сеть переменного тока для того, чтобы разрядить накопитель энергии постоянного тока, таким образом, что:

первый контроллер использует сигналы запроса реального и реактивного тока, указывающие желательный реальный и реактивный ток на клеммах переменного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания переменного/постоянного тока с целью достижения желательных уровней реального и реактивного тока, соответствующих сигналам запроса реального и реактивного тока, при этом сигнал запроса реального тока выводится из сравнения сигнала запроса напряжения в цепи постоянного тока, указывающего желательное напряжение в цепи постоянного тока, и сигнала обратной связи напряжения в цепи постоянного тока (тем самым, напряжение в цепи постоянного тока остается практически постоянным в течение нормального режима работы); и

второй контроллер использует сигнал запроса тока, указывающий желательный постоянный ток на клеммах постоянного тока накопителя энергию постоянного тока для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания постоянного/постоянного тока с целью достижения желательного уровня постоянного тока, соответствующего сигналу запроса тока, при этом сигнал запроса тока выводится из расчета мощности на основе (i) сигнала запроса мощности, указывающего необходимую мощность переменного тока на клеммах переменного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока, (ii) сигнала обратной связи напряжения, указывающего постоянное напряжение на клеммах постоянного тока накопителя энергии постоянного тока, и (iii) потерь в схеме накопителя энергии постоянного тока.

Чертежи

На Фиг.1 показана схема накопителя энергии постоянного тока в соответствии с настоящим изобретением;

На Фиг.2 схематически показано устройство контроллера в случае, когда накопитель энергии постоянного тока работает в нормальном режиме;

На Фиг.3 схематически показано альтернативное устройство контроллера в случае, когда накопитель энергии постоянного тока работает в нормальном режиме;

На Фиг.4 схематически показано устройство контроллера в случае, когда накопитель энергии постоянного тока работает в автономном режиме;

На Фиг.5 схематически показано альтернативное устройство контроллера в случае, когда накопитель энергии постоянного тока работает в автономном режиме;

На Фиг.6 схематически показано устройство контроллера в случае, когда накопитель энергии постоянного тока работает в изолированном режиме; и

На Фиг.7 схематически показано альтернативное устройство контроллера в случае, когда накопитель энергии постоянного тока работает в изолированном режиме.

1. Топология схемы накопителя энергии постоянного тока На Фиг.1, схема накопителя энергии постоянного тока 2 включает в себя преобразователь питания переменного тока/постоянного тока 4. Преобразователь питания переменного тока/постоянного тока 4 может представлять собой инвертор, имеющий обычную трехфазную топологию с рядом полупроводниковых устройств переключения питания (например, БТИЗ, IEGT (Injection Enhanced Gate Bipolar Transistor) или биполярные транзисторы с коммутируемым затвором), полностью управляемых с помощью стратегии широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Однако на практике преобразователь питания переменного тока/постоянного тока 4 может иметь любую подходящую топологию, например, трехуровневую топологию с фиксированной нейтральной точкой или многоуровневую топологию.

Клеммы переменного тока преобразователя питания переменного тока/постоянного тока 4 соединены с трехфазным источником питания переменного тока 6 посредством трансформатора 8, схемы пассивной гармонической фильтрации 10 и обычного стабилизатора 12, который ограничивает гармонические токи ШИМ. Схема фильтрации 10, показанная в простейшей форме, однако на практике несколько различных схем фильтрации можно объединить для достижения требуемых гармонических напряжений в источнике питания переменного тока 6, при этом соединение переменного тока между трансформатором 8 и схемой фильтрации 10 может содержать дополнительный стабилизатор.

Преобразователь питания постоянного тока/постоянного тока 14 подключен к клеммам постоянного тока преобразователя питания переменного тока/постоянного тока 4 посредством цепи постоянного тока 16. Преобразователь питания постоянного тока/постоянного тока 14 может иметь трехфазную двухуровневую топологию, аналогично преобразователю питания переменного тока/постоянного тока 4, с рядом полупроводниковых устройств переключения питания (например, БТИЗ, IEGT (Injection Enhanced Gate Bipolar Transistor) или биполярные транзисторы с коммутируемым затвором), полностью управляемых с помощью стратегии широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Однако на практике преобразователь питания постоянного тока/постоянного тока 14 может иметь любую подходящую топологию, как сказано выше для преобразователя питания переменного тока/постоянного тока. Ниже подробнее описывается получение командных сигналов вентильного устройства, которые используются для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователей питания переменного тока/постоянного тока и постоянного тока/постоянного тока.

Преобразователь питания постоянного тока/постоянного тока 14 подает три величины постоянного тока, который регулируется для накопления энергии в накопителе энергии постоянного тока 2 или выделения энергии из него. Накопитель энергии постоянного тока 2 подключен к преобразователю питания постоянного тока/постоянного тока 14 посредством стабилизаторов постоянного тока 18, которые ограничивают гармонические токи ШИМ в дополнительный сглаживающий конденсатор 22 и накопитель энергии постоянного тока.

Накопитель энергии постоянного тока 2 может быть любого подходящего типа (например, литиевые аккумуляторы, суперконденсаторы, маховики и элементы с проточным электролитом). Можно добиться практического постоянства напряжения постоянного тока на клеммах постоянного тока преобразователя питания постоянного тока/постоянного тока 14 со стороны преобразователя питания переменного тока/постоянного тока в то время, как напряжение постоянного тока накопителя энергии постоянного тока 2 может в значительной мере меняться на клеммах напряжения постоянного тока в различных режимах работы в результате изменения напряжения накопителя энергии постоянного тока во время накопления или выделения энергии постоянного тока.

Вполне может быть, что преобразователь питания переменного тока/постоянного тока 4 способен работать в качестве активного выпрямителя или инвертора в зависимости от того, поступает ли энергия в накопитель энергии постоянного тока 2 из источника питания переменного тока 6 или наоборот. Например, когда энергия поступает в накопитель энергии постоянного тока 2 из источника питания переменного тока 6 (то есть, накопитель энергии постоянного тока заряжается), тогда преобразователь питания переменного тока/постоянного тока 4 работает в качестве активного выпрямителя, и преобразует энергию переменного тока в энергию постоянного тока, которая затем делается совместимой с напряжением на клеммах постоянного тока накопителя энергии постоянного тока посредством промежуточного преобразователя питания постоянного тока/постоянного тока 14. Когда энергия поступает в источник питания переменного тока 6 из накопителя энергии постоянного тока 2 (то есть, накопитель энергии постоянного тока разряжается), тогда преобразователь питания переменного тока/постоянного тока 4 работает в качестве инвертора для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока, которая совместима с источником питания переменного тока. Таким образом, преобразователи питания переменного тока/постоянного тока и постоянного тока/постоянного тока 4, 16 поддерживают ток в обоих направлениях.

Полупроводниковые устройства переключения питания преобразователя питания переменного тока/постоянного тока находятся под управлением контроллера 24, а полупроводниковые устройства переключения питания преобразователя питания постоянного тока/постоянного тока находятся под управлением контроллера 46. Ниже приведено более подробное описание контроллеров в связи с различными режимами работы накопителя энергии постоянного тока 2.

Из вышеприведенного описания следует, что общая схема накопителя энергии постоянного тока может быть разделена на пять подсхем, среди которых:

(i) цепь переменного тока, которая соединяет преобразователь питания переменного тока/постоянного тока 4 с источником питания переменного тока 6;

(ii) преобразователь питания переменного тока/постоянного тока 4;

(iii) цепь постоянного тока 16, которая соединяет клеммы постоянного тока преобразователя питания переменного тока/постоянного тока 4 с преобразователем питания постоянного тока/постоянного тока 14;

(iv) преобразователь питания постоянного тока/постоянного тока 14; и

(v) цепь постоянного тока 20, которая соединяет клеммы постоянного тока преобразователя питания постоянного тока/постоянного тока 14 с накопителем энергии постоянного тока 2.

2. Нормальный режим работы, показанный на Фиг.2 и 3

А. Управление преобразователем питания переменного тока/постоянного тока

Контроллер 24 преобразователя питания переменного тока/постоянного тока 4 включает в себя блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) 26, выходной сигнал которого указывает амплитуду и фазовый угол источника питания переменного тока 6. Блок управления переменный-постоянный ток 28 использует выходной сигнал блока ФАПЧ 26 для преобразования измеренных сигналов величины переменного тока, поступающих от датчиков переменного тока 30, находящихся в цепи переменного тока, в сигналы обратной связи величины постоянного тока Iqfb и Idfb, которые указывают реальный питающий ток и реальный реактивный ток, протекающие в цепи переменного тока.

Требуемый переменный ток питания для цепи переменного тока задается сигналами тока IQ1 и IQ2. Сигнал тока IQ2 обычно подается блоком расчета мощности 48 (см. ниже), чтобы обеспечить сигнал положительной обратной связи, формирующий значительное изменение требуемой мощности, чтобы обеспечить стабильность схемы накопителя энергии постоянного тока; подробнее это описывается ниже.

Сигнал обратной связи напряжения VDCbus подается датчиком напряжения постоянного тока 32 в цепь постоянного тока и указывает напряжение в цепи постоянного тока. Сигнал обратной связи напряжения VDCbus сравнивается с сигналом запроса напряжения VDCr, который указывает требуемое напряжение постоянного тока, находящееся в пределах номинальных значений преобразователей питания переменного тока/постоянного тока и постоянного тока/постоянного тока 4, 14 (например, 1 кВ постоянного тока). Вполне может быть, что различные конструкции, показанные на чертежах, будут использовать несколько усилителей, которые сравнивают реальный сигнал с требуемым значением сигнала, а затем результирующая разность между двумя сигналами усиливается и используется для уменьшения ошибки между ними. Такой усилитель обычно содержит контур с пропорциональ