Электрический имитатор солнечной батареи
SOLAR BATTERY TEST BOX

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам имитации основных технических характеристик солнечных батарей, и может быть использовано при проведении автономных и комплексных испытаний систем электропитания космических аппаратов.
К имитаторам солнечных батарей предъявляются требования по точности воспроизведения статических, динамических характеристик и к эксплуатационным свойствам. К статическим характеристикам относят: формы вольт-амперных характеристик, диапазоны регулирования токов короткого замыкания и напряжения холостого хода. К динамическим характеристикам относят: полную внутреннюю проводимость (адмитанс), эквивалентную емкость солнечной батареи и диапазон ее регулирования. К эксплуатационным свойствам относят: массо-габаритные характеристики, автоматизацию регулирования характеристик, показатель энергетической эффективности по ГОСТ Р 51387-99, возможность длительной эксплуатации - десятки суток.
Известен электрический имитатор солнечной батареи [RU 144248, H01L 31/00], содержащий 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. 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 со входом второго ключа стабилизатора тока, кроме того, для подключения к нагрузке введены разделительный диод и выходной коммутатор.
Для обеспечения непрерывности электропитания нагрузки и, тем самым, повышения надежности указанный имитатор солнечной батареи выполнен в виде двух идентичных модулей: основного и резервного, имеющих одинаковые уставки выходных параметров и включенных по схеме горячего резервирования с помощью ключей, шунтирующих выходы указанных модулей по сигналам устройства мониторинга параметров имитатора.
Недостатками аналога являются: сложность электрической схемы, обусловленная применением модуля вольтодобавки, двух контуров импульсного управления в стабилизаторе тока, реверсивного преобразователя; использование в источниках питания и в преобразователях импульсных законов управления требует для получения постоянных напряжений и токов индуктивных и индуктивно-емкостных фильтров, что приводит к сужению полосы пропускания, относительно низкому быстродействию и большой погрешности воспроизведения адмитанса солнечной батареи с относительно малой эквивалентной емкостью (несколько сотен нФ); обеспечение горячего резервирования приводит к увеличению стоимости имитатора, ухудшению массо-габаритных характеристик, потерям электроэнергии при работе резервного модуля в режиме короткого замыкания (КЗ).
Известен электрический имитатор солнечной батареи [патент US 3435328, G05F 1/60, Н02Р 13/16, G01R 1/60], содержащий непрерывный регулирующий элемент на основе шунтового (параллельного) регулятора, устройство управления, устройство обратной связи по напряжению нагрузки и устройство функциональной обратной связи по току нагрузки.
Недостатками такого имитатора являются: относительно небольшая мощность, рассеиваемая НРЭ (порядка 1 кВт) при воспроизведении ВАХ от холостого хода до короткого замыкания, что требует для воспроизведения характеристик мощных солнечных батарей последовательно-параллельного соединения НРЭ, приводящего к ухудшению динамических характеристик из-за индуктивностей соединительных проводов, сопротивлений проводов и контактных соединений; низкий показатель энергетической эффективности вследствие потерь в НРЭ и, как следствие, большие тепловыделения, масса и габариты; отсутствие возможности регулирования эквивалентной выходной емкости имитатора.
rd
Известен электрический имитатор солнечной батареи [Development of a fully Automated PV Array Simulator of 100 kW. H. Haeberlin, L. Borgna, D. Gfeller, P. Schaerf and U. Zwahlen. 23 Evropean Photovoltaic Solar Energy Conference. Valencia. Spain. Sept. 2008], который содержит управляемый источник напряжения постоянного тока, последовательный непрерывный регулирующий элемент и систему управления. Недостатки этого устройства такие же, как у предыдущего аналога, и кроме того, в данном имитаторе ограничен диапазон воспроизведения ВАХ на токовой ветви, т.к. мощность рассеивания последовательного НРЭ становится недопустимо большой.
За прототип принято устройство, описанное в статье «Повышение качества имитаторов солнечных батарей с двухкаскадным регулирующим элементом», авторы Ткачев С.Б., Мизрах Е.А. [Вестник СибГАУ, Вып. 1, 2011, С. 70-75]. Устройство содержит источник питания, в положительную шину которого включен импульсный регулирующий элемент, к управляющему входу которого подключены последовательно соединенные широтно-импульсный модулятор и первый усилитель-сумматор, к силовому выводу ИРЭ подключен одним выводом непрерывный регулирующий элемент (НРЭ), другой силовой вывод которого через второй измеритель тока подключен к общему выводу схемы имитатора, к положительному выходному выводу имитатора подключен функциональный преобразователь (ФП), выходным выводом подключенный к вычитающему входу второго усилителя сумматора, выход которого через усилитель мощности подключен ко входу управления НРЭ; первый измеритель тока одним силовым выводом подключен к общему выводу, другим силовым выводом подключен к отрицательному выходному выводу имитатора, а информационный вывод первого измерителя тока подключен к суммирующему входу второго усилителя-сумматора; микроконтроллер, первым выводом управления присоединенный ко входу управления ФП; конденсатор, одним выводом присоединенный к положительному выходному выводу имитатора, а другим выводом через резистор, присоединенный к отрицательному выходному выводу имитатора; устройство гальванической развязки.
Недостатком прототипа является то, что при прерывании (размыкании) тока через НРЭ вследствие отказа НРЭ или выхода из строя усилителя мощности, усилителя-сумматора, ИРЭ под действием источника опорного напряжения будет увеличивать ток через нагрузку до максимально возможной величины путем увеличения своего выходного напряжения, что может привести к аварийной ситуации; а при работе в области токов короткого замыкания напряжение на НРЭ становится меньше требуемого для работы НРЭ в режиме регулятора тока, что приводит к нарушению управления НРЭ. Кроме того, невозможно регулирование выходной емкости имитатора при воспроизведении характеристик солнечных батарей различных типов.
Задачей, на решение которой направлен созданный имитатор, является сохранение работоспособности (повышение живучести) имитатора при выходе НРЭ из рабочего режима и регулирование выходной емкости имитатора в требуемом диапазоне.
Поставленная задача решена тем, что в известный имитатор солнечной батареи, содержащий источник питания, в положительную шину которого включен импульсный регулирующий элемент (ИРЭ), к управляющему входу которого подключены последовательно соединенные широтно-импульсный модулятор и первый усилитель-сумматор, к силовому выводу ИРЭ подключен одним выводом НРЭ, другой силовой вывод которого через второй измеритель тока подключен к общему выводу схемы имитатора, к положительному выходному выводу имитатора подключен функциональный преобразователь, выходным выводом подключенный к вычитающему входу второго усилителя-сумматора, выход которого через усилитель мощности подключен ко входу управления НРЭ, первый измеритель тока одним силовым выводом подключен к общему выводу, другим силовым выводом подключен к отрицательному выходному выводу имитатора, а информационный вывод первого измерителя тока подключен к первому суммирующему входу второго усилителя-сумматора; микроконтроллер, первым выводом управления присоединенный ко входу управления ФП; конденсатор, одним выводом присоединенный к положительному выходному выводу имитатора, а другим выводом через резистор, присоединенный к отрицательному выходному выводу имитатора; устройство гальванической развязки, согласно техническому решению дополнительно введены третий измеритель тока, источник напряжения смещения, устройство коммутации, диодный блок, масштабирующее устройство, причем третий измеритель тока подключен одним силовым выводом к минусовой шине источника питания, другим силовым выводом к общему выводу схемы имитатора, а информационным выводом к вычитающему входу первого усилителя-сумматора, к одному суммирующему входу которого подключен источник напряжения смещения через устройство коммутации, вход управления которого соединен с информационным выводом второго измерителя тока; устройство гальванической развязки одним выводом присоединено к выходному выводу ФП, а другим выводом присоединено к другому суммирующему входу первого усилителя-сумматора; диодный блок плюсовым выводом присоединен к выходному выводу ИРЭ, а минусовым выводом присоединен к положительному выходному выводу имитатора, масштабирующее устройство одним выводом присоединено к узлу соединения конденсатора и резистора, другим выводом соединено со вторым суммирующим входом второго усилителя-сумматора, а ко входу управления масштабирующего устройства подключен второй управляющий вывод микроконтроллера.
Техническим результатом имитатора, проявляемым благодаря предложенной электронной схеме, является сохранение работоспособности при выходе НРЭ из рабочего режима и возможность регулирования выходной емкости в требуемом диапазоне.
Принцип работы электрического имитатора объясняется с помощью чертежей. На фиг. 1 представлена структурная схема имитатора, на фиг. 2 – вольт-амперные характеристики.
В состав имитатора солнечной батареи входят: источник питания (ИП) 1, импульсный регулирующий элемент (ИРЭ) 2, широтно-импульсный модулятор (ШИМ) 3, первый усилитель-сумматор (УС1) 4, диодный блок (ДБ) 5, функциональный преобразователь (ФП) 6, устройство гальванической развязки (УГР) 7, второй усилитель-сумматор (УС2) 8, усилитель мощности (УМ) 9, непрерывный регулирующий элемент (НРЭ) 10, второй измеритель тока (ИТ2) 11, устройство коммутации (УК) 12, источник напряжения смещения (ИНС) 13, третий измеритель тока (ИТ3) 14, первый измеритель тока (ИТ1) 15, масштабирующее устройство (МУ) 16, микроконтроллер (МК) 17, конденсатор 18, резистор 19, выводы 20, 21 для подключения нагрузки.
В положительную шину источника питания 1 включен импульсный регулирующий элемент 2, к управляющему входу которого подключены последовательно соединенные широтно-импульсный модулятор 3 и первый усилитель-сумматор 4. К силовому выводу ИРЭ 2 подключен одним выводом НРЭ 10, другой силовой вывод которого через второй измеритель тока ИТ2 подключен к общему выводу схемы имитатора. Диодный блок 5 плюсовым выводом присоединен к выходному выводу ИРЭ, а минусовым выводом присоединен к положительному выходному выводу 20 имитатора. К положительному выходному выводу 20 имитатора подключен функциональный преобразователь 6, выходным выводом подключенный через УГР 7 к одному суммирующему входу первого усилителя-сумматора 4 и выходным же выводом подключен к вычитающему входу второго усилителя-сумматора 8, выход которого через усилитель мощности 9 подключен к входу управления НРЭ 10. Первый измеритель тока 15 одним силовым выводом подключен к общему выводу, другим силовым выводом подключен к отрицательному выходному выводу 21 имитатора, а информационный вывод первого измерителя тока 15 подключен к первому суммирующему входу второго усилителя-сумматора. Микроконтроллер первым выводом управления присоединен к входу управления ФП 6, а вторым выводом управления присоединен к входу управления масштабирующего устройства 16. Масштабирующее устройство 16 одним выводом присоединено к узлу соединения конденсатора 18 и резистора 19, другим выводом соединено со вторым суммирующим входом второго усилителя-сумматора 8. Конденсатор 18 одним выводом присоединен к положительному выходному выводу 20 имитатора, а другим выводом через резистор присоединен к отрицательному выходному выводу 21 имитатора. Третий измеритель тока 14 подключен одним силовым выводом к минусовой шине источника питания 1, другим силовым выводом - к общему выводу схемы имитатора, а информационным выводом к вычитающему входу первого усилителя-сумматора 4, к другому суммирующему входу которого подключен источник напряжения смещения 13 через устройство коммутации 12, вход управления которого соединен с информационным выводом второго измерителя тока 11.
Имитатор солнечной батареи работает следующим образом.
Структурно имитатор содержит основной и вспомогательный каскадно соединенные источники питания с нелинейными вольт-амперными характеристиками.
ФП
H
H
Основной источник питания воспроизводит требуемые ВАХ (кривая 1, фиг. 2) и адмитанс солнечной батареи и содержит первый измеритель тока 15, усилитель-сумматор 8, усилитель мощности 9 и непрерывный регулирующий элемент 10, которые образуют контур стабилизации тока I, величина которого задается напряжением U(U) с выхода функционального преобразователя 6 в зависимости от напряжения нагрузки U. ФП 6 представляет собой цифровое устройство, в котором записаны требуемые кривые имитируемой солнечной батареи. Вид кривой и ее параметры: напряжение холостого хода, ток короткого замыкания задаются с помощью микроконтроллера 17.
ИС
ФП
Н
Вспомогательный источник питания содержит импульсный стабилизатор тока, величина тока которого I определяется выходным напряжением функционального преобразователя 6 U(U), поступающим через устройство гальванической развязки 7 на один суммирующий вход первого усилителя-сумматора 4.
ИС
ИС
ИС
НРЭ
H
H
ИС
НРЭ
ИС
ИC
НРЭ
Импульсный стабилизатор тока I содержит источник питания 1, импульсный регулирующий элемент 2, широтно-импульсный модулятор 3, первый усилитель-сумматор 4 и третий измеритель тока 14. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) I(U) вспомогательного источника питания смещена на величину I относительно ВАХ I(U) основного источника (кривая 2, фиг. 2) для обеспечения работы НРЭ 10 в активном режиме. Величина тока смещения определяет мощность (кривая 4, фиг. 2), рассеиваемую НРЭ 10, P(U)=I×U. При этом мощность ограничена по величине и практически линейно зависит от напряжения U. Нелинейные искажения кривой 4 объясняются тем, что при переходе с ветви тока на ветвь напряжения ВАХ ток I не остается постоянным.
Смещение ВАХ обеспечивается с помощью источника напряжения смещения 13, напряжение которого через коммутатор 12 подается на другой суммирующий вход первого усилителя-сумматора 4.
НРЭ
ДБ
ДБ
ИС
H
Для обеспечения работоспособности НРЭ 10 в области КЗ нагрузки, в положительную шину ИРЭ 2 между точкой подключения НРЭ 10 и точкой включения в эту же шину ФП 6 включен диодный блок 5, содержащий несколько последовательно соединенных диодов. Количество последовательно соединенных диодов определяется типом и количеством транзисторов НРЭ, величиной тока I НРЭ, диапазоном его регулирования и, обычно, не превышает четырех диодов. В режиме КЗ нагрузки падение напряжения на НРЭ 10 будет равно падению напряжения на диодном блоке 5 (кривая 3 на фиг. 2). ВАХ U (I) диодного блока определяется разностью U(I)=U(I)-U(I). Из ВАХ ДБ (кривая 3 на фиг. 2) видно, что напряжение на ДБ5 остается относительно постоянным в широком диапазоне изменения тока и достаточным по величине для работы НРЭ в режиме регулятора тока.
В штатном режиме работы основной источник питания воспроизводит требуемую ВАХ (кривая 1 на фиг. 2). Вспомогательный источник воспроизводит смещенную ВАХ (кривая 2 на фиг. 2), деформированную за счет добавления ВАХ диодного блока (кривая 3 на фиг. 2).
H
H
В случае прерывания тока через НРЭ 10 напряжение на выходе второго измерителя тока 11 становится равным нулю и УК 12 размыкает цепь подачи напряжения смещения на вход УС1 4. При этом вспомогательный источник переходит в режим воспроизведения требуемой ВАХ I(U) имитатора солнечной батарей, что позволяет устранить аварийную ситуацию и продолжить испытания.
K
K
Для обеспечения требуемой эквивалентной емкости имитатора падение напряжения U на резисторе R 19, пропорциональное току через конденсатор 18, подается через масштабирующее устройство 16 на второй суммирующий вход УС2 8.
K
K
Применяя методику, описанную в статье «О синтезе адмитансных частотных характеристик имитатора солнечной батареи», авторы Мизрах Е.А., Сидоров А.С., Балакирев Р.В. [Вестник СибГАУ, вып. 2(9), 2006, С.24-28], рассмотрим составляющую адмитанса имитатора, вносимую ФП 6 и корректирующей цепью RC.
Согласно структурной схеме для выходного напряжения второго усилителя-сумматора УС2 можно записать
УС2
ОШ
где К - коэффициент передачи второго усилителя-сумматора 8, U - напряжение ошибки.
ОШ
Для обеспечения требуемой точности имитатора коэффициент передачи в контуре стабилизации тока основного источника питания должен быть достаточно большой. В этом случае величину напряжения ошибки U можно считать пренебрежительно малой
В соответствии со структурной схемой запишем уравнения для токов:
H
В установившемся режиме выполняется равенство I=I, т.к. ток , вследствие заряда конденсатора.
ИТ1
Функциональный преобразователь 6 задает требуемую ВАХ имитатора в соответствующем масштабе, определяемом коэффициентом передачи К первого измерителя тока 15
Линеаризуя это нелинейное уравнение, получим:
Н0
ФП
H
где I - величина тока нагрузки в точке линеаризации, К(s,U) - передаточная функция ФП.
Переходя к приращениям, получим из (3) следующее уравнение ФП:
Уравнение ошибки (2), записанное через приращения, имеет вид
Разрешим это уравнение относительно приращений тока и напряжения нагрузки
Отсюда для составной части адмитанса имитатора, вносимой ФП и цепью коррекции, запишем
МУ
ИТ1
K
МУ
Из (5) следует, что изменяя коэффициент К МУ16, можно регулировать емкостную составляющую адмитанса имитатора СБ, т.к. величины К и R постоянны. Требуемая величина коэффициента К МУ16 задается микроконтроллером 17.
В качестве измерителей тока 11, 14, 15 могут быть использованы бесконтактные датчики тока, основанные на эффекте Холла.
В качестве источника напряжения смещения 13 может быть использован любой прецизионный управляемый стабилизатор напряжения.
Устройство коммутации может быть выполнено в виде транзисторного ключа.
В качестве масштабирующего устройства 16 может использоваться электронный потенциометр.
Устройство гальванической развязки может быть выполнено в виде операционного усилителя с гальванической развязкой.
Заявленный имитатор обладает работоспособностью при выходе НРЭ из рабочего режима, а также имеет возможность регулирования выходной емкости в диапазоне 500 нФ - 1000 нФ.