Разработка системы управления для двунаправленного инвертора мощностью до 500кВт

Применение систем накопления энергии

В последние годы ведется активная проработка концепции smart grid (интеллектуальных сетей), предполагающих переход в будущем от сети с централизованной генерации электроэнергии к сети с распределенной генерацией. Построение таких сетей невозможно без использования систем накопления энергии (далее – СНЭ). Ниже перечислены основные функции СНЭ:
-               Интеграция возобновляемых источников энергии в общую сеть. Практически все возобновляемые источники электроэнергии (солнечные батареи, ветрогенераторы) имеют выраженные пики генерации, которые не совпадают с графиком потребления электроэнергии. Применение СНЭ позволяет согласовать графики генерации и потребления.
-               Выравнивание графиков нагрузки в сети. Накопление электрической энергии в периоды ее избытка и выдача на нагрузку в периоды дефицита позволяет снизить требуемую установочную мощность для потребителя и использовать электроэнергию преимущественно в период действия льготного тарифа. Кроме того, характер нагрузки для некоторых технологических процессов (работа лифтов, мощных подъемных кранов, станции зарядки электромобилей и т.п.) имеет ярко выраженный пиково-кратковременный характер. Применение СНЭ позволяет сгладить эти пики.
-               Обеспечение динамической устойчивости локальных электрических сетей при резких изменениях нагрузки. Одной из важных проблем в локальных электрических сетях конечной мощности («мягких» сетях) является обеспечение их устойчивости при резких изменениях режимов работы нагрузки (сбросе/набросе нагрузки), а также регулирования параметров этих сетей (частоты). Как правило, для этих целей применяются дополнительные источники генерации, большую часть времени находящиеся в резерве. Применение СНЭ является более эффективным решением.
-               Оптимизация режима работы локального генератора; Применение СНЭ позволяет использовать локальные генераторы (ДГУ) в наиболее оптимальном режиме, что позволяет увеличить КПД установки и снизить вредные выбросы.
-               Улучшение параметров электрической сети (повышение коэффициента мощности, улучшение коэффициента гармонических искажений);
-               Снятие или существенное сокращение нерегулярных колебаний в межсистемных линиях электропередачи, повышение пропускной способности линий электропередачи;
-               обеспечение бесперебойного питания особо ответственных потребителей.
Одной из технологических предпосылок для создания СНЭ явилась разработка в последние годы мощных силовых полупроводниковых устройств – двунаправленных инверторов, обеспечивающих передачу электрической энергии из сети в накопительный элемент (аккумуляторную батарею) и выдачу ее обратно в сеть или на нагрузку. Данные преобразователи используют так называемую технологию ШИМ-преобразования, при которой величина напряжения, формируемого на его выходе, определяется длительностью коммутации силовых ключей, расположенных в разных плечах инвертора. В качестве силовых ключей обычно используют мощные IGBT-транзисторы или IGCT-тиристоры. Величина и направление передаваемой энергии определяется сигналами,  формируемыми системой управления. Частота коммутации ключей определяется величиной коммутируемого тока и, соответственно, величиной потерь в силовых ключах. Для инверторов небольшой мощности (единицы и десятки кВт), частота ШИМ, выбирается, как правило, на уровне 20кГц.
Требуемая мощность для преобразователей, используемых в СНЭ, колеблется в очень широком диапазоне – от нескольких кВт (для применения в домашнем хозяйстве), до нескольких десятков МВт – для регулирования параметров локальных энергетических районов (microgrid) и регулирования частоты питающей электрической сети.
Данный НИОКР был направлен на разработку системы управления на базе универсального контроллера, которую, после небольшой адаптации, можно использовать практически для любого силового двунаправленного инвертора мощностью до 500кВт.
На рисунке изображена структурная схема инвертора, рассчитанного на мощность 150 кВт.
 
                                                Рисунок 1 - Схема инвертора
В устройстве используется схема силового двухуровнего трехфазного инвертора. В качестве силовых ключей используются три пары IGBT-транзисторов. Для инвертора мощностью 15кВт частота ШИМ выбрана на уровне 20 кГц, для более мощного инвертора (150 кВт) частота ШИМ выбрана на уровне 3 кГц.
Напряжение в звене постоянного тока составляет 450 – 720В, под эти уровни напряжения оптимизированы параметры силовых и магнитных элементов инвертора. Силовые ключи рассчитаны на максимальное напряжение 1200 В DC.      Величина емкости конденсатора, устанавливаемого последовательно с DC-фильтром в звене постоянного тока, составляет 2000 мкФ. В звене переменного тока включены трехфазные дроссель, и конденсаторы, необходимые для фильтрации гармоник ШИМ. Дополнительный АС-фильтр устанавливается для улучшения коэффициента гармонических искажений. Трансформатор предназначен для гальванической изоляции звена постоянного тока и сети, а также для согласования уровней выходного напряжения инвертора и напряжения сети. Коэффициент трансформации равен примерно 1.5. На выходе инвертора расположены контактор, предназначенный для автоматической коммутации, и автоматический защитный выключатель. Напряжение, измеренное между контактором и выходным автоматом, используется для управления катушкой контактора. Контактор включается в случае если напряжение на выходе инвертора совпадает по фазе, частоте и амплитуде с напряжением сети.
В состав устройств системы управления входит универсальный управляющий контроллер (УКК), обеспечивающий реализацию алгоритмов управления, плату согласования, согласующие сигналы с датчиков тока и напряжения и входные уровни сигналов для УКК, а также выходные сигналы УКК и входные сигналы для драйверов силовых ключей. Кроме того в систему управления входят плата дискретных входов с программируемыми реле (всего 8 входов), плата панели оператора, источник бесперебойного питания УКК.
Датчики тока и напряжения измеряют величины напряжения на входе инвертора,  выходных фазных напряжений и токов, а также величина постоянного напряжения и тока на входе в силовой модуль и переменный ток на выходе из него. За время, не превышающее один период сети (20 мсек), система управления измеряет амплитудные и действующие значения напряжений и токов по основной и высшим гармоникам и формирует сигнал, передаваемый на вход плат драйверов транзисторов. Благодаря тому, что измерение производится не только на основной, но и на высших гармониках, а также благодаря применению специально разработанного алгоритма адаптации коэффициентов ПИД-регуляторов в цепи обратной связи в зависимости от измеренного сигнала, достигается большее быстродействие системы управления по сравнению с известными аналогами.
На вход системы управления могут подаваться два внешних сигнала обратной связи. Расположение внешних датчиков определяется силовой схемой сети и характером выполняемых задач. В случае если два инвертора работают параллельно, один из инверторов должен быть ведущим, второй – ведомым, причем система управления первым инвертором формирует управляющие сигналы для второго инвертора. Если параллельно подключаются более чем два инвертора, необходимо использование платы синхронизации, которая осуществляет измерение параметров электрической сети и формирование управляющих сигналов для каждого из инверторов.
Задание параметров и визуализация измеренных значений осуществляется с помощью  семидюймового цветного жидкокристаллического дисплея 4.0 DimensionsofMT-607iс разрешением 800х480 пикселей. Используемые интерфейсы передачи данных: Ethernet по протоколу ModbusTCP/IPRS485 по протоколу ModbusRTU.
-               Универсальный управляющий контроллер организован на базе процессора DSC TMS 320F28335 Texas Instruments C2000 с тактовой частотой 150MГц,
-               Для дискретизации аналогового сигнала звена постоянного тока используется 16-ти разрядный АЦП с точностью до 0,3%.
-               Реализована регулировка параметров выходного тока по величине обратной последовательности тока нагрузки;
-               Реализован алгоритм компенсации высших гармоник тока нагрузки;
-               Разработанный алгоритм синхронизации на основе адаптивных цифровых фильтров, позволяет оптимизировать параметры регуляторов в петле обратной связи в зависимости от измеряемого сигнала. Данный алгоритм позволяет существенно повысить быстродействие системы управления. Форма сигнала анализируется за несколько периодов ШИМ;
-               Обеспечивается высокая скорость синхронизации при ступенчатом изменении управляющего воздействия;
Система управления обеспечивает корректную работу различных силовых преобразователей при наличии соответствующей платы согласования. Величина 500кВт определяется предельной мощностью, коммутируемой силовыми ключами. Для перехода в диапазон больших мощностей требуется создание силовых устройств нового типа – так называемых многоуровневых инверторов напряжения, построенных из последовательно соединенных между собой H-мостов или последовательно соединенных транзисторов в стойке с коммутирующими диодами. Эти конфигурации потребуют разработки новой системы управления.
На базе рассматриваемой системы управления реализованы два типа инверторов – 15 кВт и 150 кВт. В нижней таблице представлены параметры более мощного инвертора.
Таблица 1 - Технические параметры инвертора

Параметр
Значение
Мощность, кВт
150
КПД при номинальной нагрузке, %
96 (ориентировочно)
Коэффициент гармонических искажений напряжения, %, не хуже
2
Компенсация гармонических искажений тока сети при работе на нелинейную нагрузку после компенсации, %, не хуже
2
Компенсация реактивной составляющей мощности, %
100
Частота ШИМ, кГц
3
Количество параллельно подключаемых инверторов (с внешней системой управления), шт.
8
Скорость подстройки фазы, Гц/сек.
0.2
Просадка напряжения при пропадании напряжение сети
В рамках ГОСТ 13109.97
Протоколы передачи данных
Modbus TCP/IP, Modbus RTU

 
Проведенные измерения показали корректность выбранных решений. На рисунке 2А и 2Б представлены осциллограммы, характеризующие процесс синхронизации инвертора и сети. Начальное выходное напряжение инвертора имеет амплитуду 115В и частоту 70 Гц (кривая 1 красного цвета). В произвольный момент времени 3 на рис. 2А появляется сетевое напряжение амплитудой 220В и частотой 50 Гц (кривая 2 синего цвета). 
 
Рисунок 2А
 Рисунок 2Б
На рисунке 2Б показан процесс синхронизации выходного напряжения инвертора к напряжению сети. На участке от 5 до 3 происходит подстройка частоты напряжения от 70 Гц до 50 Гц со скоростью 20 Гц / 100 мсек, на участке от 3 до 4 имеет место управляемая задержка, необходимая для того, чтобы избежать включения на нестабильную сеть. В момент 4 происходит замыкание силового контактора. Непосредственно перед этим происходит подстройка амплитуды напряжения инвертора под напряжение сети. Система управления позволяет производить подстройку по частоте и амплитуде за время порядка 5 мсек. Ограничением на время подстройки является ограничение на скорость изменения напряжения в нагрузке.
На рис. 3, 4А и 4Б представлены осциллограммы, характеризующие процесс компенсации реактивной мощности. Работа велась на активную нагрузку, осциллограммы тока (кривая 1 синяя) и фазного напряжения (кривая 2 красная) совпадают по фазе.
Рисунок 3 - Напряжение и ток на активной нагрузке
В зависимости от управляющего сигнала инвертор генерирует либо емкостной (рис.4А), либо индуктивный ток (рис.4Б). В данном эксперименте величина генерируемой реактивной мощности составила 50кВар
Рисунок 4А
Рисунок 4Б
В ходе работ была создана структурная схема нового контроллера, позволяющего в значительной мере улучить его характеристики по устойчивости к электромагнитным помехам, создаваемым ключами инвертора и импульсными токами нагрузки, обеспечить высокую точность измерений, стабильность характеристик.
В процессе работы было создано программное обеспечение модуля пользовательского ввода-вывода, особенностью структуры которого является возможность обеспечения автономной работы системы накопления без дополнительного управляющего контроллера. Модуль ввода-вывода обеспечивает возможность автономной работы СНЭ с заранее программируемыми режимами работы. Обеспечивается универсальность управляющего контроллера и модуля ввода-вывода для управления параллельной работой нескольких инверторов. Разработанное устройство обеспечивает достижение электротехнических, энергетических параметров инвертора согласно предъявляемым требованиям, реализует расширенные пользовательские функции.
Был изготовлен макетный образец инвертора с предложенной системой управления мощностью 15кВт и система накопления энергии на его основе, использующая свинцово-кислотные и никель натрий хлорные аккумуляторные батареи. Испытания этой системы успешно завершены.
На основе данной системы управления созданы опытные образцы инверторов мощностью по 150кВт. Лабораторные испытания подтвердили  соответствие полученных технических характеристик заявленным. На основании разработанной системы управления возможно создание инверторов мощностью до 500 кВт.