АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H02J7/35 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам электроснабжения (СЭС) автономных объектов с использованием в качестве первичного источника энергии солнечных батарей (СБ) и накопителей энергии аккумуляторных батарей (АБ).

Известна параллельная структура автономной системы электроснабжения, содержащая произвольное количество АБ и секций СБ [1]
В данной системе блок управления и шунтовой регулятор обеспечивают стабилизацию напряжения на выходной шине при избытке мощности СБ. В случае если АБ разряжены, зарядно-разрядные блоки обеспечивают их заряд избытком мощности СБ. Степень заряженности АБ контролируется блоками, которые формируют сигналы на включение и отключение заряда. При недостатке мощности СБ недостающая энергия поступает в нагрузку из аккумуляторных батарей. В этом случае напряжение на выходной шине СЭС стабилизируется зарядно-разрядными блоками.

Достоинством такой системы является достаточно высокий коэффициент передачи энергии от панелей СБ в нагрузку. В этом режиме основные потери энергии происходят в разделительных диодах. При выходном напряжении 27 28 В коэффициент передачи энергии достигает значения 0,97. Однако соединение выходной шины питания нагрузки с шинами секций СБ через разделительные диоды и определяет все недостатки такой системы.

Во-первых, шунтовой регулятор должен обеспечивать сброс избыточной мощности СБ. При условии традиционного требования функционирование СЭС в режиме холостого хода установленное значение мощности шунтового регулятора (ШР) практически равно полной мощности недеградировавшей СБ. Масса ШР значительна и определяется мощностью СБ.

Во-вторых, соединение шин исключает возможность регулирования напряжения СБ в оптимальной рабочей точке. Напряжение каждой панели СБ жестко связано со стабилизированным напряжением шины питания нагрузки. В результате низка энергетическая эффективность СЭС на объектах с изменяющимися условиями эксплуатации панелей СБ (низкоорбитальные космические аппараты и объекты исследования планет солнечной системы). Кроме этого, соединение силовых шин нагрузки и секций СБ не позволяет проектировать солнечные батареи с рабочим напряжением большим, чем напряжение нагрузки. Что не дает возможность уменьшить ток, а следовательно, и массу кабелей СБ.

Наиболее близкой к предлагаемой системе по технической сущности является система электроснабжения, содержащая экстремальный регулятор мощности СБ; стабилизатор напряжения; секции СБ; зарядные блоки; разрядные блоки; устройства контроля степени заряженности; аккумуляторные батареи.

В таких системах реализован индивидуальный заряд-разряд АБ, экстремальное регулирование мощности СБ, обеспечена защита силовых преобразующих устройств от перегрузок по току (мощности), а буферных источников энергии от перезаряда и переразряда. Такая структура более универсальна. Ее использование целесообразно на объектах с изменяющимися условиями эксплуатации панелей СБ и резкопеременными графиками нагрузок (на объектах со значительной долей энергии, передаваемой в нагрузку от СБ через накопители энергии АБ).

Достоинства и преимущества структуры объясняются разделением всех силовых шин СЭС СБ, АБ, НАГРУЗКА. В итоге, во-первых, СБ может проектироваться с рабочим напряжением, превышающим как напряжение АБ, так и напряжение нагрузки. Имеется возможность уменьшения тока СБ и массы ее кабелей. Во-вторых от СБ отбирается только требуемое значение энергии. Нет необходимости "сброса" избытка мощности СБ, следовательно установленные расчетные значения мощности и массы системы терморегулирования (СТР) объекта будут иметь меньшие значения, чем мощность и масса СТР объекта с параллельной структурой СЭС. Установленная мощность последовательного стабилизатора напряжения определяется циклограммой энергопотребления и может оптимизироваться. В-третьих имеется возможность непрерывного регулирования рабочего напряжения СБ в точке экстремума мощности при изменяющихся условиях эксплуатации, что позволяет отбирать от СБ максимально возможное значение мощности. То есть использовать СБ с наивысшей энергетической эффективностью. Известные системы электроснабжения нашли широкое применение на автономных объектах с ресурсом 2-3 года. По мере ужесточения традиционных технических требований к бортовым системам (увеличения ресурса СЭС до 7-10 лет при одновременном повышении надежности, автономности функционирования и улучшения энергетических и габаритно-массовых характеристик) и появлении нового требования наращивание мощности СЭС путем увеличения количества унифицированных энергетических подсистем стали проявляться "слабости" и недостатки этих систем.

Недостатком системы является невозможность экстремального регулирования мощности отдельных (дискретных) панелей СБ. Необходимость индивидуального регулирования мощности каждой дискретной панели СБ объясняется тем, что при проектировании и создании объектов длительного функционирования (более 5-7 лет) с суммарным уровнем мощности бортовых потребностей более 5-10 кВт практически невозможно гарантировать идентичность вольтамперных характеристик отдельных панелей СБ из-за неодинаковых температурных условий и скоростей деградации характеристик фотоэлементов. Суммарная вольт-ваттная характеристика в этом случае имеет несколько экстремумов. Экстремальный регулятор в режиме поиска может осуществлять "захват" и регулирование любого экстремума на вольт-ваттной характеристике. В результате максимальное значение мощности отбирается только от той панели СБ, экстремум мощности которой совпадает с регулируемым локальным экстремумом. Другие панели СБ недоиспользуются по мощности.

Другими недостатками этой системы являются недостаточная надежность и ресурс систем с выходной мощностью более 3-5 кВт. В таких СЭС используются ряд аккумуляторных батарей. Однако в случае отказа какого-либо зарядного или разрядного блоков, или какой-либо АБ из работы исключаются сразу все названные блоки конкретной энергетической подсистемы. Так, например, в случае отказа зарядного блока, аккумуляторная батарея разрядится и выключится из работы. В дальнейшем разрядный блок и АБ в работе СЭС не используются. В случае отказа разрядного блока одновременно исключаются из работы зарядный блок и АБ. В случае отказа АБ из работы исключаются зарядный и разрядный блоки, хотя целесообразно использовать их для заряда и разряда АБ тех энергетических подсистем, в которых отказали аналогичные блоки.

Система имеет недостаточные надежность и ресурс, так как в ее структуре отсутствуют узлы и блоки, обеспечивающие непрерывный качественный контроль работоспособности устройства, анализ их функционирования, а также выявление и исключение из схемы отказавших элементов. Выполнение названных функций при создании мощных СЭС, имеющих значительное количество АБ, панелей СБ, а также преобразователей модулей или блоков целесообразно реализовывать путем использования микропроцессорных систем управления и контроля. При проектировании и создании новых более мощных СЭС нет возможности использовать только разработанные ранее блоки. Требуется новая разработка системы управления, а также стабилизатора напряжения, так как меняется установленная мощность и схема подключения.

Целью изобретения является достижение большей эффективности использования энергии панелей СБ, возможность наращивания мощности СЭС путем использования унифицированных энергетических подсистем, повышение ее надежности и увеличение ресурс.

Достигается это введением в систему управляющего вычислительного прибора и организацией N количества идентичных энергетических подсистем, подключаемых параллельно к шинам нагрузки, шине аварийного переключения секций СБ и к шине аварийного заряда-разряда АБ.

В каждую энергетическую подсистему дополнительно к аккумуляторной батарее с зарядно-разрядными блоками и устройствами контроля степени заряженности введены индивидуальные экстремальный регулятор мощности панели СБ, датчик тока нагрузки, датчик тока СБ, датчик тока АБ, устройство распределения мощности, импульсный последовательный стабилизатор напряжения, блок управления и обмена информации.

На фиг. 1 приведена автономная система электроснабжения.

Она имеет секцию солнечной батареи 1; датчик тока секции СБ (ТБС) 2; стабилизатор напряжения (СН) 3; датчик тока нагрузки (ТН) 4; экстремальный регулятор мощности секции СБ (ЭРМ) 5; зарядный блок (ЗБ) 6; разрядный блок (РБ) 7; блок управления и обмена информацией (БУОИ) 8; устройство распределения мощности (УРМ) 9; датчик тока заряда-разряда АБ (ТАБ) 10; аккумуляторная батарея 11; устройство контроля степени заряженности АБ (УКЗБ) 12; микропроцессорное вычислительное устройство (МПВУ) 13; устройство сопряжения (УС) 14; К1.К6 силовые контакты дистанционных переключателей БУОИ; УВП управляющий вычислительный прибор.

Система электроснабжения по схеме фиг. 1 функционирует следующим образом. Управление энергетическими подсистемами осуществляется по командам из центрального бортового вычислительного комплекса объекта, которые поступают по каналу связи в микропроцессорное вычислительное устройство МПВУ 13, где обрабатываются и передаются в блок управления и обмена информацией 8 каждой подсистемы через устройства сопряжения 14. Блок управления и обмена информации 8 принимает команду и производит требуемое действие, замыкая контакты К1.К6 (срабатывают дистанционные переключатели), или транслирует команду в нужный блок подсистемы, а также выдает в МПВУ 13 через устройства сопряжения 14 информацию о состоянии устройства подсистемы (значения токов заряда-разряда, нагрузки, солнечной батареи, включенное состояние устройства, работоспособность преобразовательных модулей и устройств).

В случае, если поступают команды на замыкание контактов К1 и К4, то в каждой энергетической подсистеме источники питания СБ и АБ подключаются к преобразующим устройствам своей подсистемы. По замыканию контактов К2, К3, К5, К6 источники питания или преобразовательные устройства коммутируются с устройствами других подсистем. Необходимость такой коммутации определяется МПВУ 13 или центральным бортовым вычислительным комплексом объекта. Этим достигается большая живучесть системы, а следовательно повышается надежность и ресурс СЭС.

Включение системы в работу осуществляется по командам, в результате действия которых замыкаются контакты К1 и К4 в каждой подсистеме. В этом режиме секция СБ подключается к входам зарядного блока 6 и стабилизатора напряжения 3, а аккумуляторная батарея к точке соединения выхода зарядного блока 6 и входа разрядного блока 7. Если предварительно АБ заряжены и мощность нагрузки не превышает мощности СБ, то система работает в режиме питания нагрузки от СБ. В этом режиме экстремальные регуляторы не действуют.

Стабилизаторы СН, работая параллельно на общую шину нагрузки, обеспечивают на выходе СЭС стабильное напряжение. По мере увеличения нагрузки токи от каждой энергетической подсистемы растут. При некотором значении нагрузки напряжение на выходе одного из стабилизаторов уменьшается до некоторого заданного значения. В дальнейшем этот стабилизатор регулирует входное напряжение (напряжение своей секции СБ). Стабилизацию напряжения на выходной шине осуществляют стабилизаторы других энергетических подсистем. При дальнейшем увеличении мощности нагрузки в режим регулирования заданного значения входного напряжения (секции СБ) переходит любой следующий стабилизатор. Так происходит до тех пор пока в режим регулирования входного напряжения не перейдет последний стабилизатор. В этом случае все стабилизаторы регулируют напряжения своих секций СБ на минимально допустимых заданных уровнях (точки М1.М2 на фиг. 2). Напряжение на шине питания нагрузки уменьшается и достигает поддиапазонов регулирования выходного напряжения разрядными блоками. Включаются разрядные блоки, которые, работая параллельно на общую нагрузку, восполняют недостаток энергии на выходной шине СЭС и стабилизируют выходное напряжение. При этом реализуется режим равномерного распределения токов между АБ с помощью ООС по отклонению тока энергетической подсистемы от наибольшего значения. В блоке УРМ 9 осуществляется сравнение значений напряжений, пропорциональных току разряда своей подсистемы (поступает на вход 2 с датчика тока 10), с значениями напряжений пропорциональных токам разряда других энергетических подсистем, которые поступают по каналам связи. Автоматически осуществляется выбор разрядного блока с наибольшим током, который становится ведущим и стабилизирует напряжение нагрузки. Остальные разрядные блоки стремятся повторить ток ведущего. Сигнал, пропорциональный разности тока разряда ведущего блока и тока разряда АБ своей энергетической подсистемы, с выхода 4 блока УРМ 9 поступает на вход 2 разрядного блока 7, стремясь увеличить ток разряда АБ. В подсистеме, стабилизирующей напряжение на выходной шине (ведущей энергетической подсистеме), этот сигнал равен нулю.При появлении тока разряда АБ с первого выхода датчика тока 10 на первый вход блока управления 8 поступает сигнал. Если в блок 8 предварительно выдана команда, разрешающая режим экстремального регулирования мощности секции СБ, то блок управления 8 формирует сигнал включения ЭРМ, который управляя стабилизатором 3 по входу 2, осуществляет пошаговое изменение положения рабочей точки на ВВХ (в сторону к экстремуму мощности). Если мощность нагрузки превышает суммарное значение мощности всех панелей СБ при их эксплуатации в точках максимума мощности, то после поиска экстремума мощности в каждой подсистеме положение рабочей точки будет колебаться вокруг точки экстремума (точки 0, фиг. 2). Если же мощность нагрузки меньше суммарного значения мощности всех секций СБ, то после включения ЭРМ и нескольких шаговых изменений положения рабочей точки в сторону к экстремуму мощности панели СБ ток разряда прекратится. Блок управления формирует сигнал остановки ЭРМ 5. Сигнал управления на выходе 3 ЭРМ 5 (а следовательно, и на входе 2 блока 3) перестанет пошагово изменяться, что будет соответствовать новому заданному значению напряжения рабочей точки (например, точка Р на ВВХ). Система перейдет в режим питания нагрузки от СБ. При повышении мощности нагрузки система вновь начнет функционировать в режиме разряда АБ. Вновь включатся экстремальные регуляторы и поиск экстремумов мощности продолжится.

По мере разряда АБ блоком 12 контролируется степень их заряженности. При некоторой степени разряженности (как правило 10-30% номинальной емкости АБ) УКЗБ 12 формирует сигнал включения зарядного блока 6, который поступает с выхода 1 на четвертый вход блок управления 8. В случае, если в блок управления 8 из бортового командного комплекса выдана команда, разрешающая проведение заряда АБ в данной энергетической подсистеме, то блок управления формирует сигнал включения, который поступает с выхода 7 блока управления на вход 1 зарядного блока 6. Теперь в случае перехода системы, описанной выше, в режим питания нагрузки от СБ и наличии избытка мощности СБ включатся зарядные блоки тех энергетических подсистем в которых сформированы сигналы разрешающие заряд АБ. Установятся некоторые значения токов заряда. С датчика тока 10 на первый вход блока управления поступит сигнал, значение напряжения которого пропорционально току заряда. При превышении током заряда некоторого минимального значения блок управления сформирует сигнал включения ЭРМ 5 и выдаст сигнал в стабилизатор 3 на понижение поддиапазона регулирования, что необходимо осуществлять для того, чтобы ток СБ в энергетической подсистеме, где требуется заряд АБ, направлялся именно для заряда АБ, а в энергетических подсистемах, где заряд АБ не требуется направлялся для питания нагрузки. В случае если мощности СБ энергетических подсистем, где АБ заряжены, достаточны для питания нагрузки, то стабилизацию напряжения на выходных шинах и питание бортовых потребителей осуществляют стабилизаторы этих подсистем, а весь ток СБ других подсистем используется для заряда АБ. В случае, если мощности СБ тех подсистем, в которых заряд АБ не производится недостаточно для питания нагрузки, то напряжение на выходной шине понижается до поддиапазонов регулирования напряжения подсистем в которых производится заряд АБ. Часть тока СБ этих подсистем пойдет в нагрузку, а заряд АБ будет осуществляться оставшимся избытком мощности.

В случае, если нагрузка возрастает и станет больше суммарного значения мощности всех панелей СБ, то ток заряда АБ прекратится, напряжение на выходе СЭС понизится до поддиапазона регулирования разрядных блоков и начнется заряд АБ как описано выше. При этом уменьшится регулируемое напряжение на панелях СБ, так как поддиапазоны регулирования стабилизаторами 3 несколько ниже поддиапазонов регулирования в режиме заряда (фиг. 3). Изменение поддиапазонов регулирования напряжения панели СБ стабилизатором 3 и зарядным блоком 6 осуществляется синхронно при каждом шаге поиска экстремума мощности.

Таким образом, если мощность нагрузки больше суммарной мощности СБ или необходим заряд АБ в какой-либо энергетической подсистеме, то в системе реализуется наиболее эффективное экстремальное регулирование мощности отдельно каждой панели СБ. Это означает, что предлагаемая система имеет максимально возможную эффективность использования энергии панелей СБ.

Предлагаемая структура позволяет наращивать мощность СЭС путем параллельного соединения идентичных энергетических подсистем. При этом используются идентичные унифицированные блоки аппаратуры регулирования и контроля (стабилизаторы напряжения, зарядно-разрядные блоки и другие), что позволяет сокращать сроки проектирования, изготовления и испытаний СЭС. При разработке каждой новой СЭС на основе идентичных энергетических подсистем требуется только корректировка центрального управляющего прибора введение дополнительных устройств преобразования параметров 14 и корректировка программы функционирования СЭС из-за изменения состава контролируемых параметров. Ввиду реализации возможности независимого функционирования каждой энергетической подсистемы, проведения работ по восстановлению характеристик АБ, а также наличия аварийной схемы функционирования, предлагаемая система имеет большой ресурс (определяется долговечностью составных элементов), высокую надежность и живучесть.

Использование: в автономных системах электроснабжения с солнечными СБ и аккумуляторными батареями АБ. Сущность изобретения: система включает в себя N идентичных энергетических подсистем, включенных параллельно шинам нагрузки, шине аварийного переключения секций СБ и шинам аварийного заряда-разряда АБ и управляющего вычислительного прибора. Мощность системы варьируется подключением требуемого количества энергетических подсистем к шинам нагрузки, аварийного переключения секций солнечных батарей, аварийного заряда-разряда аккумуляторных батарей и изменением программы функционирования управляющего вычислительного прибора. В каждую подсистему введен экстремальный регулятор мощности секции солнечной батареи. 3 ил.

АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ, содержащая секционированную солнечную батарею (СБ) и N аккумуляторных батарей (АБ) с индивидуальными блоками заряда и разряда, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения дискретного наращивания мощности и автономности функционирования, повышения ее ресурса, надежности и энергетической эффективности, в нее введен управляющий вычислительный прибор, состоящий из микропроцессорного вычислительного устройства и N устройств сопряжения, и организовано N идентичных энергетических подсистем, подключаемых параллельно к шинам нагрузки, шине переключения секций СБ и шине аварийного заряда-разряда аккумуляторных батарей, причем в каждую подсистему дополнительно к секции СБ и аккумуляторной батарее с зарядными и разрядными блоками введены датчики тока нагрузки, тока секции СБ и тока заряда-разряда аккумуляторной батареи, устройство распределения мощности, экстремальный регулятор мощности секции СБ, импульсный последовательный стабилизатор напряжения, устройство контроля степени заряженности, соединенное первым каналом связи с аккумуляторной батареей, а вторым с индивидуальным устройством сопряжения, и блок управления и обмена информацией, первыми четырьмя измерительными входами подключенный соответственно к первым измерительным выходам датчика тока заряда-разряда, тока нагрузки, тока секции СБ и устройства контроля степени заряженности, другими управляющими выходами к первым управляющим входам соответственно АБ, устройства распределения мощности, зарядного блока, разрядного блока, экстремального регулятора и стабилизатора напряжения, а также соединенное третьим каналом связи с индивидуальным устройством сопряжения управляющего вычислительного прибора, все устройства которого соединены между собой и с бортовой вычислительной машиной четвертым каналом связи, силовой вход импульсного последовательного стабилизатора напряжения каждой подсистемы соединен с силовым выходом датчика измерения тока секции СБ и силовым входом зарядного блока, а выход с силовым выходом разрядного блока и силовым входом датчика измерения тока нагрузки подсистемы, силовой выход которого соединен с аналогичными выводами датчиков тока нагрузки всех других подсистем и клеммой питания нагрузки, силовой вход датчика измерения тока секции СБ соединен с замыкающими контактами первого и второго дистанционных переключателей тока управления, вторые выводы которых подключены соответственно к секции СБ и общей шине аварийного переключения секций СБ, замыкающий контакт третьего дистанционного переключателя блока управления включен между шиной аварийного переключения секций СБ и точкой соединения первого замыкающего контакта с силовым выводом секции СБ, второй вывод которой подключен к общей шине АБ, СБ и второй клемме нагрузки, первые выводы нормально разомкнутых контактов четвертого и пятого дистанционных переключателей подключены к аккумуляторной батарее, а вторые соответственно к первому силовому выводу датчика тока аккумуляторной батареи и общей шине аварийного заряда-разряда АБ, замыкающий контакт шестого переключателя включен между общей шиной аварийного заряда-разряда системы и первым силовым выводом датчика измерения тока аккумуляторной батареи, второй силовой вывод которого подключен к току соединения силового выхода зарядного блока и силового входа разрядного блока, второй измерительный выход датчика тока секции СБ в каждой подсистеме подключен к второму управляющему входу экстремального регулятора, третий и четвертый управляющие выходы которого подключены соответственно к вторым управляющим входам стабилизатора напряжения и зарядного блока, второй измерительный выход датчика тока заряда-разряда соединен с вторым измерительным входом устройства распределения мощности, третий и четвертый управляющие выходы которого соединены соответственно с входами зарядного и разрядного блоков, а другие N 1 входов-выходов устройства распределения мощности соединены N 1 каналами связи с устройствами распределения мощности других энергетических подсистем.