Устройство управления ключами стабилизированного источника тока в имитаторе солнечной батареи

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в безынерционных электрических имитаторах солнечных батарей (ИБС) на основе источника постоянного напряжения, соответствующего напряжению холостого хода солнечной батареи (БС), источника напряжения вольтодобавки и источника тока короткого замыкания БС с эквивалентной схемой понижающего преобразователя для управления ключами основного и обводного контуров, нулевым контуром, обеспечивающим корректирующую стабилизацию тока в дросселе понижающего преобразователя при сбросах тока нагрузки имитатора БС.
Известны имитаторы солнечных батарей, которые содержат источник напряжения и источник тока, которые управляются т.о., чтобы быть взаимосвязанными и имитировать вольт-амперную характеристику (ВАХ) солнечной батареи (см., например, описание к патенту US 4999524). Указанное устройство содержит источник постоянного напряжения, соединенный последовательно с программируемым источником напряжения вольтодобавки, и программируемый импульсный источник тока. Ограничительный диод соединен параллельно с источником тока и источником постоянного напряжения. Полная схема управления содержит два контура. Относительно медленный основной контур управления с полосой пропускания в несколько кГц регулирует среднюю амплитуду тока, текущего в дроссель и содержит датчик Холла, усилитель ошибки, суммирующий усилитель, компаратор для генерации выходного сигнала ШИМ, драйвер ключа, ключ и дроссель. Относительно быстрый контур с полосой пропускания, по крайней мере, в 100 кГц, компенсирует изменения напряжения на дросселе и связывает динамические изменения в главном контуре. Недостатком устройства является наличие датчика Холла, а также суммирующего усилителя и компаратора, реализующих переход с токового участка ВАХ на участок напряжения.
Известен электрический имитатор солнечной батареи по патенту на полезную модель РФ №144248, который содержит источник постоянного напряжения со стабильным выходным напряжением, источник постоянного тока в виде стабилизатора тока короткого замыкания имитатора, модуль вольтодобавки, включенный между источником постоянного напряжения и источником постоянного тока, блок резисторов, включенный на выходе источника постоянного тока и содержащий последовательный управляемый резистор Rп и шунтовый управляемый резистор Rш. Стабилизатор тока в указанном имитаторе выполнен с двумя контурами управления, образованными двумя ключами, первый ключ - входом, а второй -выходом, соединены с катодом диода, анод которого подключен к выходу источника постоянного напряжения и общей выходной шине модуля вольтодобавки, а также дросселем и возвратным диодом, катод которого соединен с выходом первого ключа, а через дроссель - с точкой соединения входа блока резисторов и анода отсекающего диода, при этом, анод возвратного диода соединен с общей шиной нагрузки и источника постоянного напряжения, нелинейный элемент подключен своим входом к катоду отсекающего диода, а также, через развязывающий диод и реверсивный преобразователь - параллельно выходу модуля вольтодобавки, соединенного положительным полюсом с входом второго ключа стабилизатора тока.
Недостатками этого имитатора являются: сложность электрической схемы, обусловленная применением двух контуров импульсного управления в стабилизаторе тока, а также использованием реверсивного преобразователя.
Известно также устройство имитации вольтамперной характеристики солнечной батареи по патенту на полезную модель РФ №77695.
Устройство имитации вольтамперной характеристики солнечной батареи по указанной полезной модели содержит источник напряжения постоянного тока, источник постоянного тока, блок резисторов, включающий переменные резисторы, имитирующие внутреннее сопротивление солнечной батареи; нелинейный блок, образованный параллельно-последовательно включенными диодами; блок конденсаторов для имитации выходной емкости солнечной батареи, а также модуль вольтдобавки, включенный между источником напряжения и источником тока. При этом нелинейный блок соединен параллельно источнику напряжения через блок резисторов и первый развязывающий диод. В устройство введен модуль стабилизации напряжения, компаратор, управляемый транзисторный ключ и датчик тока. При этом модуль стабилизации напряжения подсоединен последовательно с источником напряжения и модулем вольтодобавки, ключевой транзисторный элемент соединен параллельно модулю вольтодобавки через отсекающий диод, а его управляющий вход связан с компаратором, который, в свою очередь, соединен с датчиком тока, связанным с входом модуля вольтодобавки, и, через второй развязывающий диод и указанный блок резисторов, - с выходом источника постоянного тока.
Устройство основано на использовании обводного канала, который образуется при открытии управляемого ключа во время работы имитатора на участке напряжения. Управление ключом осуществляется компаратором из условия сравнения двух сигналов напряжений Uвых и U0, где U0 - напряжение источника напряжения постоянного тока. Когда Uвых>U0 (режим работы на участке напряжения) ключ обводного канала открыт, в противном случае - закрыт. Использование обводного канала необходимо для предотвращения недопустимого повышения напряжения на модуле стабилизации напряжения U0 выше номинального в режиме работы ИБС на участке напряжения.
Недостаток данного устройства заключается в присутствии ошибок, связанных с нечетким критерием перехода с участка тока на участок напряжения, когда разница уровней напряжений Uвых и U0 не превышает уровень гистерезиса компаратора, отвечающего за открытое состояние управляемого ключа.
Наиболее близким по существенным признакам и достигаемому эффекту является устройство управления ключами основного и обводного контуров, реализующее способ управления источником тока в имитаторе солнечной батареи по патенту РФ №2742379.
Устройство управления ключами основного и обводного контуров, реализующее способ, содержит усилитель ошибки, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю (АЦП), задающий генератор (ЗГ), первым выходом соединенный со входами тактовой частоты двух счетчиков импульсов (СИ), а вторым и третьим выходами подключен для синхронизации, соответственно, ко входам сброса СИ, формирующим сдвинутые на 180 электрических градусов пилообразные коды. Выходы указанных СИ подключены к первым входам соответствующих цифровых схем сравнения (ЦСС), вторые входы которых соединены с выходом АЦП. Выход одной из ЦСС подключен к первым входам схем «И» и «ИЛИ», а выход другой ЦСС соединен со вторыми входами схем «И» и «ИЛИ», выходы которых подключены, соответственно, к первым входам схем «И-НЕ» ограничения высокого уровня тока, выходами соединенных, соответственно, с первыми входами схем «И-НЕ» управления ключами стабилизатора. Вторые входы схем «И-НЕ» ограничения высокого уровня тока подключены к выходу первого компаратора с гистерезисом, а вторые входы «И-НЕ» управления ключами подключены к выходу второго компаратора с гистерезисом. Инверсный вход первого компаратора и неинверсный вход второго компаратора соединены с неинверсным входом усилителя ошибки, а также выведены для подключения сигнала уставки тока Iкз. Неинверсный вход первого компаратора и инверсный вход второго компаратора соединены с инверсным входом усилителя ошибки, и выведены для подключения сигнала датчика тока Iкз.
В основу данного устройства положена работа двух компараторов с гистерезисом на нижнем уровне (НУ) и верхнем уровне (ВУ) ограничения пульсаций. Опорным сигналом компараторов является уровень уставки тока Iкз, а сигналом сравнения служит сигнал обратной связи по току Iкз. Для компаратора ВУ сигнал сравнения сдвинут на некоторую величину вверх относительно опорного. Для компаратора НУ сигнал сравнения аналогичным образом сдвинут вниз относительно опорного.
осн
обв
обв
осн
Коммутацию ключей основного и обводного контуров производят в зоне допуска на отклонение тока от заданного, определяемой заданными допустимыми пульсациями тока, во время изменения нагрузки имитатора от короткого замыкания до точки максимального отбора мощности ВАХ, причем, относительную длительность открытого состояния основного ключа γ источника тока регулируют от 0 до 1 при относительной длительности открытого состояния обводного ключа γ=0, а при изменении нагрузки от точки максимальной мощности до холостого хода ВАХ регулируют γ от 0 до 1 при γ=1, а при резких сбросах - набросах нагрузки имитатора БС производят коммутацию основного и обводного ключей во второй расширенной зоне допуска, причем, при сбросе нагрузки и уменьшении величины тока ниже нижнего уровня первой зоны допуска открывают оба упомянутых ключа, а при набросе нагрузки и увеличении величины тока выше верхнего уровня первой зоны запирают оба ключа.
Преимущество данного устройства управления источником тока при формировании ВАХ имитатором солнечной батареи заключается в возможности ее формирования одним регулятором при переходе рабочей точки с участка тока на участок напряжения, в котором отсутствует дополнительная схема управления обводным каналом. Однако устройство имеет недостатки, заключающиеся в ненадежной работе в условиях значительных помех.
При работе в условиях значительной помеховой обстановки, когда соотношение величины сигнал/шум невелико для сигналов OC(Iкз) и Уст.(Iкз), возможно возникновение условий провоцирующих неадекватную работу устройства, когда выполнение каждого из условий работы для нижнего и верхнего уровней величины тока становится возможным как при переходе рабочей точки из положения, соответствующего большей величине сопротивления нагрузки в положение, соответствующее меньшей величине сопротивления нагрузки, так и наоборот. Неадекватная работа приводит к провалам и скачкам тока при несвоевременном срабатывании условий для ВУ и НУ, что выражается в увеличении пульсаций. Наглядным примером неадекватной работы для упомянутых условий может служить взаимный переход рабочей точки ВАХ из положения, соответствующего режиму работы КЗ в положение, соответствующее режиму работы XX. Когда ИБС работает в точке соответствующей режиму КЗ, регулятор может начать несвоевременно работать по сигналу НУ, а когда рабочая точка переходит в положение, соответствующее режиму XX, регулятор может начать несвоевременно работать по сигналу ВУ. Таким образом, когда коэффициент ШИМ ключа VTocн при работе в режиме КЗ должен быть минимальным, регулятор принудительно открывает ключи, что приводит к скачкам тока на этом участке. Аналогично, когда ИБС работает в точке соответствующей режиму XX, ключ VTocн должен быть открыт, а ключ VТобв находиться в режиме ШИМ с некоторым коэффициентом, в этот момент оба ключа принудительно запираются, и происходит провал в токе Iкз.
Для того чтобы устранить или нивелировать данное явление до допустимых пределов, необходимо ввести условия ограниченного диапазона работы по сигналам компараторов в зависимости от ошибки ПИД регулятора. Для этого необходимо задать диапазоны ошибки регулирования (ΔВУ и ΔНУ), затем определить положение рабочей точки на вольт-амперной характеристике имитатора через значение ошибки регулирования, выраженной в цифровой форме, и, при величине данного значения, входящего в диапазон ΔНУ, блокировать возможный сигнал НУ на открытие обоих ключей (VTобв и VTocн), а при величине данного значения входящего в диапазон ΔВУ - блокировать возможный сигнал ВУ на запирание упомянутых ключей.
Таким образом, задачей полезной модели является устранение или уменьшение влияния помех на работу системы управления модулем стабилизатора тока имитатора солнечной батареи.
Поставленная задача решается тем, что в устройство управления ключами стабилизированного источника тока в имитаторе солнечной батареи, где стабилизированный источник тока является стабилизатором тока короткого замыкания имитатора с дросселем, датчиком тока короткого замыкания (Iкз) и с ключами основного и обводного контуров регулирования, содержащее усилитель ошибки, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю (АЦП), задающий генератор (ЗГ), первым выходом соединенный со входами тактовой частоты двух счетчиков импульсов (СИ), а вторым и третьим выходами подключен для синхронизации, соответственно, к входам сброса счетчиков (СИ) импульсов, формирующих сдвинутые на 180 электрических градусов пилообразные коды, выходы указанных счетчиков импульсов подключены к первым входам соответствующих первой и второй цифровых схем сравнения (ЦСС), вторые входы которых соединены с выходом АЦП, при этом выход первой ЦСС подключен к первым входам схем «И» и «ИЛИ», а выход второй ЦСС соединен со вторыми входами схем «И» и «ИЛИ», выходы которых подключены, соответственно, к первым входам двух схем «И-НЕ» ограничения высокого уровня тока, выходами соединенных, соответственно, с первыми входами двух схем «И-НЕ» управления ключами стабилизатора тока, два компаратора с гистерезисом, причем, инверсный вход первого компаратора и неинверсный вход второго компаратора соединены с неинверсным входом указанного усилителя ошибки, а также упомянутые входы первого и второго компараторов выведены для подключения сигнала уставки тока Iкз, а неинверсный вход первого компаратора и инверсный вход второго компаратора соединены с инверсным входом усилителя ошибки и выведены для подключения сигнала датчика тока Iкз, введены задатчик диапазонов ошибки регулятора для сигналов высокого и низкого уровней тока, третья и четвертая цифровые схемы сравнения, вторая и третья логические схемы «ИЛИ», при этом выходы высокого и низкого уровней задатчика диапазонов ошибки соединены с первыми входами третьей и четвертой цифровых схем сравнения соответственно, вторые входы которых соединены с выходом АЦП, выходы третьей и четвертой цифровых схем сравнения соединены с первыми входами второй и третьей схем «ИЛИ», соответственно, вторые входы которых связаны с выходами первого и второго компараторов с гитерезисом, соответственно, выход второй схемы «ИЛИ» соединен с первыми входами двух схем «И-НЕ» ограничения высокого уровня тока, выходами соединенных, соответственно, с первыми входами двух схем «И-НЕ» управления ключами стабилизатора тока, вторые входы которых соединены с выходом третьей схемы «ИЛИ», выходы двух схем «И-НЕ» являются выходами управления ключами основного и обводного контуров регулирования.
Далее сущность полезной модели поясняется с помощью рисунков, на которых показано: на фиг. 1 представлена функциональная схема имитатора солнечной батареи, на фиг. 2 показана структурная схема устройства управления ключами стабилизированного источника тока в указанном имитаторе в соответствии с заявляемой полезной моделью, на фиг. 3 представлены временные диаграммы, поясняющие работу устройства, на фиг. 4 - эпюры сигналов, демонстрирующие работу регулятора в зависимости от положения рабочей точки на участках вольт-амперной характеристики с учетом нерабочих зон.
Имитатор вольт-амперной характеристики солнечной батареи содержит источник напряжения постоянного тока 1, модуль вольтодобавки 2 со стабильным добавочным напряжением, источник постоянного тока в виде стабилизатора тока 3, состоящего из ключей 6 и 7, первого и второго диодов 12 и 13, дросселя 4, а также включающего в себя устройство управления 8 ключами 6 и 7, датчик тока 9, отсекающий диод 14, последовательно включенный управляемый резистор 10 задающий наклон ВАХ на участке напряжения, шунтирующий управляемый резистор 11, задающий наклон характеристики на участке тока.
Устройство управления 8 ключами 6 и 7 содержит усилитель ошибки 15, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 16, задающий генератор (ЗГ) 17, первым выходом соединенный с входами тактовой частоты двух счетчиков импульсов (СИ) 18 и 19, а вторым и третьим выходами подключен для синхронизации, соответственно, к входам сброса счетчиков импульсов (СИ) 18 и 19, формирующих сдвинутые на 180 электрических градусов пилообразные коды. Выходы указанных счетчиков импульсов 18 и 19 подключены к первым входам соответствующих первой и второй цифровых схем сравнения (ЦСС) 20 и 21, вторые входы которых соединены с выходом АЦП 16. Выход ЦСС 20 подключен к первым входам схем «И» 22 и «ИЛИ» 23, а выход ЦСС 21 соединен со вторыми входами схем «И» 22 и «ИЛИ» 23, выходы которых подключены, соответственно, к первым входам схем «И-НЕ» 24 и 25 ограничения высокого уровня тока выходами соединенных, соответственно, с первыми входами схем «И-НЕ» 26 и 27 управления ключами стабилизатора. Инверсный вход компаратора 28 и неинверсный вход компаратора 29 соединены с неинверсным входом усилителя ошибки 15, а также выведены для подключения сигнала уставки тока Iкз. Неинверсный вход компаратора 28 и инверсный вход компаратора 29 соединены с инверсным входом усилителя ошибки 15, и выведены для подключения сигнала датчика тока 9 Iкз. Выходы задатчика диапазонов низкого и высокого уровней 30 соединены с входами третьей и четвертой цифровых схем сравнения 31 и 32, вторые входы которых соединены с выходом АЦП 16. Выходы третьей и четвертой цифровых схем сравнения 31 и 32 соединены с первыми входами второй 33 и третьей 34 схем «ИЛИ», соответственно, второй вход схемы «ИЛИ» 33 соединен с выходом первого компаратора с гистерезисом 28, второй выход схемы «ИЛИ» 34 соединен с выходом второго компаратора 29. Выход второй схемы «ИЛИ» 33 соединен с первыми входами двух схем «И-НЕ» 24 и 25 ограничения высокого уровня тока, выходы которых соединены с первыми входами двух схем «И-НЕ» 26 и 27 управления ключами стабилизатора тока. Выход третьей схемы «ИЛИ» 34 соединен со вторыми входами двух схем «И-НЕ» 26 и 27, выход схемы «И-НЕ» 26 является выходом для управления ключом 6 обводного контура, а выход схемы «И-НЕ» 27 - выходом для управления ключом 7 основного контура источника тока 3
Устройство работает следующим образом:
Счетчики импульсов 18 и 19 при наличии тактовой частоты и соответствующих импульсов сброса 35 и 36 (фиг. 4) от ЗГ 17 формируют на первых входах ЦСС 20 и 21, соответственно, линейно нарастающие пилообразные коды, сдвинутые по фазе на 180 электрических градусов (37, 38 на фиг. 3а). АЦП 16 преобразует сигнал усилителя ошибки 15 в код (39 на фиг. 3а), поступающий на вторые входы ЦСС 20 и 21 для сравнения с соответствующим пилообразным кодом. Т.о. образованы два контура ШИМ. Схемы «И» 22 и «ИЛИ» 23 выполняют функцию распределения импульсов управления для основного 7 (VTocн) и обводного 6 ключей (VToбв) источника тока 3.
осн
осн.
обв
обв
При резком изменении нагрузки ИБС от короткого замыкания до холостого хода схема управления (регулятор) 8 какое-то время продолжает работать с малой длительностью γ включенного состояния основного ключа 7. Обводной ключ 6 заперт, и к дросселю 4 не прикладывается напряжение из-за разрыва цепи нагрузки. Ток Iкз в дросселе 4 начинает падать. Вышеуказанный провал (40 на фиг. 3а) ограничивается снизу от уставки тока Iкз на уровне порога низкого уровня НУ=(Iкз - ΔI) второй зоны допуска одновременным отпиранием ключей 6 (VТобв) и 7 (VTocн) по команде компаратора 29 через схемы «И-НЕ» 26 и 27, проходя без блокировки через схему «ИЛИ» 34. При достижении сигналом Iкз нижней границы гистерезиса НУ (41 на фиг. 3а), ток Iкз в дросселе 4 источника тока нарастает с темпом Uвд/L, уходя от провала, где Uвд - напряжение источника вольтодобавки. При достижении верхней границы НУ ключи возвращаются в алгоритм ШИМ, т.е., ключ 6 (VТобв) - заперт, а γ ключа 7 (VTocн) - увеличивается. Но ток продолжает падать. Так циклически управление передается от ограничительного регулятора релейного типа к ШИМ регулятору и через некоторое время ключ 7 (VTocн) - полностью откроется, γ ключа 6 (VТобв) будет увеличиваться. Полностью управление к ШИМ регулятору перейдет при достижении напряжением усилителя 15 такого уровня, а значит, и кодом АЦП 16, такого значения (39 на фиг. 3а), при котором γ ключа 6 (VТобв) будет достаточным для образования контура ШИМ регулирования и стабилизации тока Iкз, удерживающего величину тока внутри первой зоны допусков без вмешательства ограничения.
На ЦСС 31 и 32 организованы схемы сравнения величины ошибки усилителя 15, преобразованной АЦП 16 в код, с величинами заданных порогов для низкого и высокого уровней, задаваемых задатчиком диапазонов ошибки 30 (ΔВУ и ΔНУ). В случае изменения нагрузки ИБС от короткого замыкания до холостого хода, необходимо предотвратить влияние сигнала от компаратора 28 на закрытие ключей, обусловленного помехами. Для этого выполняется следующее: если величина ошибки, поступающая с АЦП 16, превышает величину порога ΔВУ с задатчика 30, сигнал логической единицы с выхода ЦСС 31 через схему «ИЛИ» 33 блокирует активный уровень логического нуля от компаратора 28, приходящего на второй вход логического элемента 33. Если ошибка, поступающая с АЦП 16, не превышает величину порога ЛВУ, то активный сигнал (логического нуля) с компаратора 28 беспрепятственно проходит до схем «И» 24 и 25.
осн
осн
При набросе нагрузки от холостого хода к короткому замыканию в первый момент выход регулятора 8 (сигнал ошибки, преобразованный в код (42 на фиг. 3б)) находится в зоне ШИМ ключа 6 (VТобв), а ключ 7 (VTocн) - замкнут. Ток нарастает (43 на фиг. 3б) с темпом U0/L до верхней границы гистерезиса верхнего уровня ВУ Iкз второй зоны допусков (44 на фиг. 3б), где U0 - напряжение источника постоянного напряжения, соответствующего напряжению холостого хода БС. После срабатывания компаратора ВУ 28 через схемы «И-НЕ» 24 и 25 к ключам 6 (VToбв) и 7 (VTocн) уходит команда на запирание, и ток падает до нижней границы ВУ (44 на Фиг. 3б). Компаратор 28 отключается, ключи возвращаются в алгоритм ШИМ, далее ток снова нарастает и цикл повторяется. Через некоторое время ключ 6 (VТобв) закроется, γ ключа 7 (VTocн) будет уменьшаться. Полностью управление к ШИМ регулятору перейдет при достижения напряжением усилителя 15 уровня, а значит и кодом АЦП 16 значения, при котором величина γ будет такой, чтобы уровень тока Iкз находился внутри первой зоны допусков без вмешательства ограничения.
В случае если величина ошибки, поступающая с АЦП 16, меньше или равна величине порога ΔНУ, сигнал логической единицы с выхода ЦСС 32 через логический элемент 34 блокирует активный уровень логического нуля от компаратора 29, приходящего на второй вход логического элемента «ИЛИ» 34. Таким образом, когда положение рабочей точки ВАХ пропорционально диапазону ошибки ΔНУ, ложные срабатывания компаратора 29 не приводят к открытию ключей. Если величина ошибки выше порога ΔНУ, то сигнал от компаратора 29 не блокируется.
На фиг. 4 представлены эпюры сигналов, демонстрирующие работу устройства управления в зависимости от положения рабочей точки на участке вольт-амперной характеристики для конкретных примеров диапазонов ошибки, в которых ШИМ регулятор не реагирует на сигналы компараторов соответствующих уровней, определенных опытным путем исходя из конкретной помеховой обстановки: для нижнего уровня 0÷900 и для верхнего уровня 2500÷4092 единиц.
d
На участке тока величина ошибки E(Iкз) (45 на фиг. 4) в пересчете в цифровую форму не превышает значения ΔНУ (900), поэтому сигнал НУ (46 на фиг. 4) на протяжении представленного отрезка игнорируется формирователем ШИМ. Приоритетным является сигнал ВУ (47 на фиг. 4), по команде которого закрываются ключи 6 и 7. На такте 1 рабочая точка находится на участке тока, сигнал ОС(Iкз) (48 на фиг. 4) значительно превышает сигнал Уст(Iкз) (49 на фиг. 4) (такты 1-5), сигналом ВУ (47 на фиг. 4) подается команда на запирание обоих ключей. Штриховыми линиями выделены сигналы ШИМ (50 на фиг. 4), которые могли быть сформированы устройством управления, но, с учетом приоритета сигнала ВУ, становятся неактивными. Сплошной линией показаны фактические сигналы ШИМ (51). Во время работы на тактах 5-6 сигнал ОС(Iкз) уже не столь значительно превышает сигнал Уст(Iкз), поэтому сигналы компаратора ВУ 28 на этих участках кратковременны, тем не менее, еще присутствует корректировка коэффициента заполнения ШИМ. На тактах работы 7-8 величина тока Iкз становится сравнимой с заданной величиной, поэтому ограничительный регулятор релейного типа не включается в работу, и стабилизация тока Iкз зависит от работы ШИМ регулятора тока.
d
На участке напряжения игнорируется сигнал ВУ, так как величина ошибки E(Iкз) (45) в пересчете в цифровую форму превышает значение ΔВУ (2500) и приоритетным становится сигнал НУ, по команде которого происходит корректировка коэффициента заполнения. На тактах 9-12 без влияния сигналов НУ коэффициент заполнения ключа 7 (VTocн) (отмечен штриховой линией) был бы много меньше. На протяжении работы тактов 13-16 стабилизация тока Iкз осуществляется ШИМ регулятором тока.