ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИМИТАТОР СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ

Имитаторы солнечных батарей являются вторичными источниками питания для имитации основных технических характеристик солнечных батарей, которые используются при проведении автономных и комплексных испытаний энергопреобразующей аппаратуры на базе первичных источников в виде солнечных батарей.
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 датчик Холла, а также суммирующего усилителя и компаратора, реализующих переход с токового участка ВАХ на участок напряжения.
Известно также устройство для имитации вольтамперной характеристики солнечной батареи (RU 52522), которое также содержит источник напряжения постоянного тока, источник постоянного тока, блок переменных резисторов, имитирующих внутреннее сопротивление солнечной батареи, нелинейный блок, образованный параллельно-последовательно включенными диодами, и блок конденсаторов для имитации выходного сопротивления солнечной батареи, модуль вольтодобавки, включенный между источником напряжения и источником тока, развязывающие диоды, а также разрядный и зарядный модули. В этом устройстве блок резисторов состоит из резисторов Rп и Rш. Величиной резистора Кш задается наклон на участке тока ВАХ, а резистор Rп задает наклон на участке напряжения ВАХ. Конфигурация нелинейного перехода между участками напряжения и тока определяется соответствующим набором диодов нелинейного элемента. Зарядный и разрядный модули обеспечивают регулирование и стабилизацию напряжения блока фильтра. Недостатком устройства является сложность схемы, обусловленная наличием зарядного и разрядного блоков.
Наиболее близким по существенным признакам и достигаемому эффекту к предлагаемому решению является устройство имитации вольтамперной характеристики солнечной батареи по полезной модели RU 77695, которое состоит из источника напряжения постоянного тока, источника постоянного тока, блок резисторов, имитирующих внутреннее сопротивление солнечной батареи, нелинейного блока, образованного последовательно-параллельно включенными резисторами, блока конденсаторов и модуля вольтодобавки, модуля стабилизации напряжения, компаратора, управляемого транзисторного ключа и датчика тока. Принцип действия этого имитатора вольтамперной характеристики солнечной батареи основан на параметрическом формировании ВАХ с улучшенными статическими и динамическими характеристиками.
Недостатки указанного устройства связаны с наличием компаратора, реализующего формирование ВАХ на участке перехода с токового участка на участок напряжения, с порогом тока диода. В этом случае присутствуют ошибки, связанные с нечетким критерием перехода, обусловленные в случае токового порога, установлением не нулевого, а конечного значения тока, а также с гистерезисом компараторов. Недостатком также является наличие датчика тока.
Задача полезной модели - повышение точности формирования ВАХ солнечной батареи за счет обеспечения ее монотонности в точках перехода.
Электрический имитатор солнечной батареи в предлагаемом техническом решении, также как и прототип, содержит источник постоянного напряжения в виде выпрямителя с фильтром и конвертора со стабильным выходным напряжением, источник постоянного тока в виде стабилизатора тока короткого замыкания имитатора, модуль вольтодобавки в виде конвертора со стабильным добавочным напряжением, 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, а также нелинейный элемент, образованный параллельно-последовательно включенными диодами, и соединенный с блоком резисторов, через отсекающий диод. В отличие от прототипа, в электрическом имитаторе стабилизатор тока выполнен с двумя контурами управления, образованными двумя ключами, первый ключ - входом, а второй - выходом, соединенными 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 со входом второго ключа стабилизатора тока, кроме того, для подключения к нагрузке введены разделительный диод и выходной коммутатор.
Для повышения надежности и непрерывности электропитания нагрузки, электрический имитатор может быть выполнен в виде двух идентичных модулей электрического имитатора, работающих в режиме горячего резервирования, для чего на выходе каждого канала установлен шунтирующий ключ, управляемый устройством мониторинга параметров имитатора.
Далее принцип работы электрического имитатора объясняется с помощью рисунков, на которых представлено: на Фиг. 1 - структурная схема имитатора, на Фиг. 2 - имитируемая вольт-амперная характеристика солнечной батареи.
Имитатор солнечной батареи в соответствии с полезной моделью содержит источник постоянного напряжения, состоящий из выпрямителя 1, подключенного к питающей сети через коммутатор 2, фильтра 3 и конвертора 4 со стабильным напряжением на выходе, и модуль вольтодобавки 5, включенный входом параллельно с источником постоянного напряжения. Между плюсовым выводом источника постоянного напряжения 4, соединенным с минусовым выводом модуля вольтодобавки 5, включен через диод 6 источник постоянного тока в виде стабилизатора тока, состоящего из ключа 7, дросселя 8 и возвратного диода 11. Для образования второго контура регулирования тока введен второй ключ 9. Для формирования вольт-амперной характеристики солнечной батареи на выходе стабилизатора тока включены последовательный управляемый резистор 12, задающий наклон характеристики на участке напряжения, и шунтирующий управляемый резистор 13, задающий наклон характеристики на участке тока. Нелинейный элемент 14, подключенный параллельно выходу источника вольтодобавки через развязывающий диод 15 и реверсивный преобразователь 16, обеспечивает нелинейную конфигурацию переходного участка ВАХ солнечной батареи. Реверсивный преобразователь 16, соединенный параллельно с источником вольтодобавки 5 и нелинейным элементом 14, введен для стабилизации уровня напряжения нелинейного элемента в рамках заданных параметров. На выходе имитатора имеется шунтирующий ключ 17, управляемый устройством мониторинга параметров имитатора 18, и имитатор подключается к нагрузке через разделительный диод 19 и коммутатор 20.
Для обеспечения горячего резервирования, имитатор выполнен в виде двух идентичных модулей, основного и резервного, имеющих одинаковые уставки выходных параметров. Второй резервный модуль обозначен на рисунке как 21.
0
Устройство работает следующим образом: после замыкания ключа 2, питание от сети поступает на выпрямитель 1, выходное напряжение которого через фильтр 3 поступает на понижающий конвертор 4, который формирует напряжение U=Uхх(1+Rп/Rш)-Uнэ, где Uхх - напряжение холостого хода имитатора, Rп и Rш -значения сопротивлений резисторов 12 и 13, Uнэ - напряжение на нелинейном элементе 14. На выходе источника постоянного напряжения вольтодобавки 5 устанавливается напряжение: Uд>Uэ. Стабилизатор тока обеспечивает регулирование и стабилизацию тока короткого замыкания Iкз через дроссель 8. Величиной резистора 13 задается наклон на участке тока ВАХ (участок AB на Фиг. 2), Резистор 12 задает наклон ВАХ на участке напряжения (участок CO на Фиг. 2). Конфигурация нелинейного перехода ВАХ (участок BC на Фиг. 2) определяется соответствующим набором полупроводниковых диодов нелинейного элемента 14.
Стабилизатор тока имеет два контура регулирования и стабилизации тока Iкз. Для пояснения рассмотрим процесс изменения сопротивления нагрузки от короткого замыкания до холостого хода.
7
7
При коротком замыкании нагрузки имитатор работает на участке тока ВАХ, при этом ток нелинейного элемента 14 равен нулю, т.к. отсекающий диод 10 заперт. Транзисторный ключ 9 закрыт.Транзисторный ключ 7 работает в режиме ШИМ с малым коэффициентом заполнения γ. Во время импульса (ключ 7 - открыт) ток в нагрузку протекает по цепи «большого» контура: плюс источника 4 - диод 6 - ключ 7 - дроссель 8 - резистор 12 - развязывающий диод 19 - коммутатор 20 - нагрузка - минус источника 4. В моменты паузы (ключ 7 - заперт) ток в нагрузку протекает по цепи: дроссель 8 - резистор 12 - развязывающий диод 19 - коммутатор 20 - нагрузка - возвратный диод 11. С ростом сопротивления нагрузки γ растет, увеличивая мощность в нагрузке.
9
В момент, когда ключ 7 полностью открывается, а сопротивление нагрузки не обеспечивает в дросселе 8 тока Iкз, блок управления имитатором (не показан) автоматически начинает разворачивать γ. При этом вступает в работу второй «малый» контур регулирования и стабилизации Iкз, осуществляя одновременно добавку напряжения вплоть до напряжения холостого хода имитатора. Во время импульса (ключ 9 - открыт), на периоде ШИМ, ток Iкз дросселя 8 распределяется по цепям: (плюс источника вольтодобаки 5 - ключ 9 - открытый ключ 7 - дроссель 8 - диод 10 - нелинейный элемент 14 - минус источника вольтодобавки 5) и (плюс источника 5 - ключ 9 - ключ 7 - дроссель 8 - резистор 12 - параллельная цепь резистора 13 и нагрузки - источник постоянного напряжения 4 - минус источника вольтодобавки 5). В моменты паузы (ключ 9 - заперт) ток дросселя 8 распределяется по цепям: {дроссель 8 - диод 10 - нелинейный элемент 14 - диод 6 - ключ 7 - дроссель 8} и {дроссель 8 - резистор 12 - параллельная цепь резистора 13 и нагрузки - конвертор 4 - минус источника вольтодобавки 5}. Таким образом, реализуется безынерционная параметрическая ВАХ имитатора солнечной батареи, представленная на Фиг. 2.
Нелинейный элемент 14 построен на полупроводниковых диодах, прямое падение напряжения на которых зависит от температуры. Для удержания ВАХ имитатора в рамках заданных параметров уровень напряжения ограничения Uнэ стабилизируется реверсивным преобразователем 16. Реверсивный преобразователь 16 может быть реализован встречно-параллельным включением повышающего и понижающего преобразователей. Если канал работает на токовом участке ВАХ, то сброса тока в нелинейный элемент нет, а напряжение на катоде диода 15 поддерживается понижающим преобразователем. На участке напряжения ВАХ избыточная энергия нелинейного элемента 14 сбрасывается повышающим преобразователем на вход источника вольтодобавки 5, откуда тратится на работу «малого» контура регулирования и стабилизации Iкз.
В предложенной схеме применен автоматический переход с ШИМ ключа 7 на ШИМ ключа 9 и наоборот, что позволило обеспечить монотонность вольтамперной характеристики в точках перехода.
Горячее резервирование осуществляется следующим образом: Имитатор выполняется в виде двух модулей, основного, который описан выше, и резервного модуля 21. В работе оба канала, имеющие одинаковые уставки выходных параметров, включены. При этом ключ 17 (в дальнейшем «коротитель») на выходе основного модуля разомкнут, а на выходе резервного модуля 21 - замкнут.В случае отказа основного модуля ключ 17 основного модуля, управляемый устройствами мониторинга 18 параметров основного и резервного модулей, мгновенно замыкает выход основного модуля, а «коротитель» резервного модуля 21 одновременно размыкает свой выход. Т.о., при обеспечении безынерционной вольтамперной характеристики, достигается непрерывность электропитания нагрузки и, тем самым, повышение надежности имитатора солнечной батареи.