Способ экстремального регулирования выходной мощности фотоэлектрической батареи
METHOD OF EXTREME REGULATION OF PHOTOELECTRIC BATTERY OUTPUT POWER

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может использоваться для управления режимом работы фотоэлектрической (солнечной) батареи с целью отбора максимальной мощности в изменяющихся внешних условиях.
В частности, изобретение может использоваться для управления режимами работы солнечных батарей космических аппаратов.
Известны способы экстремального регулирования мощности, основанные на методе пошагового поиска экстремума (максимума выходной мощности) и управления режимом работы фотоэлектрической батареи (С.Б. Габбасова и др. Оценка эффективности применения экстремального регулирования мощности солнечных батарей на автоматических космических аппаратах. Автономная энергетика, журнал ОАО «НПП «Квант», №32, 2014, с. 13-18; Ю.А. Шиняков. Экстремальное регулирование мощности солнечных батарей автоматических космических аппаратов. Авиационная и ракетно-космическая техника, №1(12), 2007, с. 123-129).
Наиболее близким к заявляемому (прототипом) является способ, реализованный в экстремальном регуляторе мощности (патент RU 2168827, H02J 7/35), по которому установка и поддержание оптимальной рабочей точки вольт-амперной характеристики фотоэлектрической батареи осуществляется путем пошагового изменения регулирующего воздействия в соответствии с изменением величины ее выходной мощности на каждом шаге регулирования.
Недостатки известных способов заключаются в том, что колебания текущего положения рабочей точки в окрестности точки экстремума, свойственные шаговому методу поиска, в принципе приводят к снижению мощности, отбираемой от фотоэлектрической батареи, пропорциональному длительности шага, т.е. периоду изменения регулирующего воздействия. Уменьшение указанного периода потребует увеличения быстродействия не только измерительных, но и силовых узлов экстремального регулятора мощности, которое при больших величинах выходной мощности батареи приведет к существенному усложнению аппаратуры.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, и его техническим результатом является повышение эффективности экстремального регулирования за счет уменьшения отклонений поддерживаемой рабочей точки вольт-амперной характеристики от оптимального положения.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе экстремального регулирования, включающем в себя установку и поддержание оптимальной рабочей точки вольт-амперной характеристики, соответствующей максимуму выходной мощности, путем пошагового изменения регулирующего воздействия на выходной ток или напряжение фотоэлектрической батареи в соответствии с изменением величины ее выходной мощности на каждом шаге регулирования, дополнительно осуществляют:
- периодическое сканирование выходов группы из двух или более реперных фотопреобразователей одинаковыми линейно или ступенчато - линейно изменяющимися пилообразными токами, сдвинутыми по времени на величину, кратную заданному шагу временного сдвига,
- непрерывные измерения напряжений и токов каждого из реперных фотопреобразователей, на основании которых определяют текущие значения их выходных мощностей,
- усреднение токов или напряжений каждой пары смежных реперных фотопреобразователей, сканируемых пилообразными токами, сдвинутыми по времени на однократную величину заданного временного шага,
- запоминание усредненных значений токов или напряжений каждой пары смежных реперных фотопреобразователей в моменты равенства их выходных мощностей и
- формирование регулирующего воздействия на выходной ток или напряжение фотоэлектрической батареи путем масштабного преобразования запоминаемых усредненных значений токов или напряжений пар смежных реперных фотопреобразователей.
Кроме того, осуществляют формирование регулирующего воздействия на выходной ток или напряжение фотоэлектрической батареи путем масштабного преобразования запоминаемых средних значений токов или напряжений пар смежных реперных фотопреобразователей с последующим усреднением преобразованных значений на временном интервале, кратном заданному шагу временного сдвига пилообразных сканирующих токов.
Под термином «реперные фотопреобразователи» понимаются такие, которые по собственным характеристикам и условиям функционирования (режимам освещенности, температурным, продолжительности эксплуатации и т.д.) идентичны фотопреобразователям, составляющим фотоэлектрическую батарею.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена временная диаграмма, иллюстрирующая заявляемый способ экстремального регулирования выходной мощности фотоэлектрической батареи для случая трех реперных фотопреобразователей.
1
2
3
max
1
3
1
1
T
1
1
2
3
П
1
2
3
На фиг. 1 обозначены: I, I, I - линейные (или ступенчато-линейные) пилообразные токи, сканирующие реперные фотопреобразователи; I - верхняя граница изменения токов I,……I; t, (t+Δ), (t+2ΔТ) - моменты запуска сканирующих токов I, I, I соответственно; Т - период повторения сканирующих токов; ΔТ - заданный временной шаг (временной сдвиг между сканирующими токами смежных реперных фотопреобразователей); P, Р, Р, - текущие значения выходных мощностей 1-го, 2-го и 3-го фотопреобразователей.
1
1
2
2
1
2
2
2
3
3
2
3
В моменты равенства текущих выходных мощностей смежных фотопреобразователей производится усреднение соответствующих значений токов - I (P=Р) и I (P=Р), I (Р=Р) и I(Р=Р). Полученные усредненные значения токов запоминаются и далее используются для формирования регулирующего воздействия на выходной ток (или напряжение) фотоэлектрической батареи путем их масштабного преобразования.
Взаимно-однозначное соответствие между током и напряжением фотопреобразователя, определяемое его вольт-амперной характеристикой, позволяет использовать для формирования регулирующего воздействия также усредненные значения напряжений смежных фотопреобразователей в моменты равенства их выходных мощностей. При этом предпочтение целесообразно отдавать тем величинам (токам или напряжениям), которые являются однотипными с регулирующим воздействием, изменяющим режим фотоэлектрической батареи. Например, если режим батареи управляется силовым преобразователем, изменяющим ее выходной ток, то и для формирования регулирующего воздействия целесообразно использовать усредненные значения токов смежных фотопреобразователей.
Необходимость масштабирования запомненных усредненных значений токов (или напряжений) для формирования регулирующих воздействий обусловлена соотношениями между токами (напряжениями) точки экстремума для фотоэлектрической батареи в целом и точки экстремума реперного фотопреобразователя:
БФ
mах
БФ
Р
mах
РП
БФ
mах БФ
P
mах РП
I (Р)=L⋅I (Р) и U (Р)=М⋅U (Р),
БФ
mах БФ
где I (Р) - значение выходного тока фотоэлектрической батареи, соответствующее максимуму ее выходной мощности;
P
mах РП
I (Р) - значение выходного тока реперного фотопреобразователя, соответствующее максимуму его выходной мощности;
L - масштабирующий коэффициент, соответствующий количеству параллельно соединенных стрингов (цепочек последовательно соединенных фотопреобразователей, обеспечивающих формирование требуемого выходного напряжения) в фотоэлектрической батарее;
БФ
max БФ
U(P) - значение напряжения БФ, соответствующее максимуму ее выходной мощности;
P
mах РП
U (Р) - значение напряжения реперного фотопреобразователя, соответствующее максимуму его выходной мощности;
М - количество последовательно соединенных фотопреобразователей в стринге.
Полученное описанным образом регулирующее воздействие используется в качестве опорного сигнала для силового преобразователя, определяющего выходной ток (или напряжение) фотоэлектрической батареи. При этом значение опорного сигнала соответствует точке экстремума (максимума) выходной мощности фотоэлектрической батареи.
СБопт
БФ
mах
СБ
БФ
mах
Правомерность описанного метода поиска точки экстремума дополнительно поясняется фиг. 2, на котором для иллюстрации представлены вольт-амперные и вольт-ваттные характеристики фотоэлектрической (солнечной) батареи: при надлежащем выборе временного шага ΔТ (не превышающим некоторую величину) вольт-ваттную характеристику батареи в соответствующей окрестности точки максимума (точка О на фиг. 2) можно с высокой степенью точности считать осесимметричной относительно линии абсциссы U=U (Р)=const, а вольт-амперную - центральносимметричной относительно точки I=I (Р)=const.
Принимая во внимание небольшие значения выходных токов и напряжений реперных фотопреобразователей, частота сканирования их выходов может быть выбрана достаточно большой, что позволит существенно повысить скорость определения точки экстремума выходной мощности фотоэлектрической батареи в изменяющихся условиях и, как следствие, дополнительно повысить энергетическую эффективность системы электроснабжения, использующей экстремальное регулирование.
Для повышения надежности и стабильности характеристик аппаратуры, осуществляющей представленный метод поиска и поддержания экстремума (максимума) выходной мощности фотоэлектрической батареи, целесообразна ее реализация в цифровом виде с использованием там, где это необходимо, цифроаналогового и аналого-цифрового преобразований. В этом случае, помимо прочего, достигается максимальная точность и идентичность линейных (или ступенчато - линейных) пилообразных токов сканирования выходов реперных фотопреобразователей.
Усреднение получаемых значений регулирующего воздействия на временном интервале, кратном заданному шагу временного сдвига пилообразных сканирующих токов реперных фотопреобразователей, позволит минимизировать ошибки определения экстремума (максимума) выходной мощности фотоэлектрической батареи из-за возможных случайных аппаратурных сбоев.
На фиг. 3 представлен вариант структурной схемы устройства, реализующего предлагаемый способ, для случая использования группы из трех реперных фотопреобразователей.
На фиг 3 обозначены: реперные фотопреобразователи 1, 2 и 3; измерители тока 4, 6 и 8, последовательно включенные в цепи генераторов сканирующих токов 5, 7 и 9 соответственно; измерители напряжений 10, 11 и 12 реперных фотопреобразователей; схемы усреднения сканирующих токов 13 и 14 в парах смежных фотопреобразователей 1, 2 и 2, 3 соответственно; вычислители выходной мощности 15, 17 и 19 реперных фотопреобразователей 1, 2 и 3; схемы сравнения 16 и 18 текущих значений выходных мощностей фотопреобразователей 1, 2 и 2, 3 соответственно; схемы запоминания 20 и 21 усредненных значений токов пар смежных реперных фотопреобразователей 1, 2 и 2, 3 соответственно; коммутатор 22 выходных сигналов схем запоминания 20 и 21, управляемый выходными сигналами схем сравнения 16 и 18; масштабный усилитель 23, выход регулирующего воздействия 24.
T
Также на фиг. 3 показано усредняющее устройство 25 регулирующего воздействия на временном интервале, кратном заданному шагу Δ временного сдвига пилообразных сканирующих токов. Устройство 25, представленное на фиг. 3, выполнено в виде трансверсального фильтра с единичными весовыми коэффициентами (Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1989, с. 24), включающего элементы задержки 26 на время заданного шага временного сдвига ΔТ и сумматор 27 с коэффициентом деления 1/(N+1) на выходе, где N - число элементов задержки 26. Выходной сигнал 28 устройства 25 представляет собой результат усреднения регулирующего воздействия 24 на интервале времени, равном (N+1)⋅ΔТ.
Для корректного выполнения устройством 25 возложенной на него функции необходимо, чтобы значение регулирующего воздействия 24 на его входе сохранялось неизменным в течение временного шага ΔТ, что обеспечивается схемотехническим исполнением коммутатора 22.
Важно отметить, что длительность интервала усреднения (N+1)⋅ΔТ не должна превышать минимального времени, за которое возможно существенное изменение условий функционирования фотоэлектрической батареи, в первую очередь, таких как уровень освещенности и температура.