АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H02J7/34 H02J7/35 

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

Известна параллельная структура автономной системы электроснабжения, содержащая произвольное количество АБ и секций СБ (фиг.1) [1].

На фиг. 1 обозначено:
1_1,,,1_m - секции солнечной батареи;
2_1,,,2_m - диоды;
3 - блок управления стабилизатора напряжения;
4 - стабилизатор напряжения (СН);
5_1,,,5_n - зарядные устройства (ЗУ);
6_1,,,6_n - разрядные устройства (РУ);
7_1,,,7_n - аккумуляторные батареи.

В данной системе блок управления и стабилизатор напряжения обеспечивают стабилизацию напряжения на выходной шине при избытке мощности СБ путем шунтирования избыточной части мощности СБ. При недостатке мощности СБ недостающая энергия поступает в нагрузку из аккумуляторных батарей. В этом случае напряжение на выходной шине СЭС стабилизируется зарядно-разрядными устройствами.

Достоинством такой системы является достаточно высокий коэффициент передачи энергии от панелей СБ в нагрузку. В этом режиме основные потери энергии происходят в разделительных диодах. Однако система имеет и ряд существенных недостатков.

Во-первых, шунтовой стабилизатор напряжения должен обеспечивать сброс избыточной мощности СБ. При условии традиционного требования - функционирование СЭС в режиме холостого хода - установленное значение мощности шунтового стабилизатора 4 практически равно полной мощности недеградировавшей СБ. Масса шунтового стабилизатора значительна и определяется мощностью СБ.

Во-вторых, соединение шин СБ и нагрузки исключает возможность стабилизации 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 того, соединение силовых шин нагрузки и секций СБ не позволяет проектировать солнечные батареи с рабочим напряжением, большим, чем напряжение нагрузки, что дало бы возможность уменьшить ток, а следовательно, и массу кабелей СБ.

Наиболее близкой к предлагаемой системе по технической сущности является система электроснабжения, структурная схема которой приведена на фиг. 2 [2]. Система электроснабжения содержит m секций СБ (1₁)...1_m, объединенных через диоды 2₁. . .2_m на общую шину, n аккумуляторных батарей 7₁...7_n с индивидуальными зарядными 5₁...5_n и разрядными устройствами 6₁...6_n. Силовые входы всех зарядных устройств подключены к общей шине, а силовые выходы - к своим аккумуляторным батареям, к которым подключены также силовые входы индивидуальных разрядных устройств. Стабилизатор напряжения 4 включен последовательно между солнечной батареей и нагрузкой, то есть его силовой вход подключен к общей шине, а силовой выход - к выходу системы, к которому подключены также силовые выходы всех разрядных устройств.

Управляющие входы стабилизатора напряжения и разрядных устройств через соответствующие блоки управления 3, 9₁...9_n соединены с выходом системы, а управляющие входы зарядных устройств через блоки управления 8₁...8_n соединены с общей шиной.

Система работает следующим образом.

При отсутствии мощности СБ (полное затенение) или ее нехватке для питания нагрузки напряжение на выходе СЭС стабилизируется разрядными устройствами 6₁. ..6_n. Уровень стабилизируемого напряжения задается блоками управления РУ 9₁...9_n. Питание нагрузки осуществляется за счет разряда АБ.

Когда мощности, генерируемой секциями СБ, достаточно для питания нагрузки, выходное напряжение стабилизирует последовательный стабилизатор напряжения 4. Уровень стабилизируемого напряжения задается блоком управления СН 3.

При включенных зарядных устройствах они стабилизируют напряжение на общей шине с помощью своих блоков управления 8₁...8_n.

В такой системе реализованы индивидуальный заряд-разряд АБ, экстремальное регулирование мощности СБ, обеспечена защита силовых преобразующих устройств от перегрузок по току, а буферных источников энергии - от переразряда и перезаряда. Такая структура наиболее универсальна. Ее использование целесообразно на объектах с изменяющимися условиями эксплуатации панелей СБ и резкопеременными графиками нагрузок.

Достоинства и преимущества структуры объясняются разделением всех силовых шин СЭС - СБ, АБ и нагрузки. 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 требуемая энергия. 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 непрерывной стабилизации 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 от 3-х до 5 лет.

По мере ужесточения традиционных технических требований к бортовым системам (увеличение ресурса СЭС до 10-15 лет при одновременном повышении надежности, улучшение энергетических и массогабаритных характеристик) стали проявляться слабости и недостатки этих систем.

Система выполненная по структурной схеме фиг. 2, имеет повышенные потери мощности и пульсации выходного напряжения при питании нагрузки через СН.

СН чаще всего представляет собой импульсный преобразователь постоянного напряжения, в котором регулирующими элементами являются силовые транзисторы. Наибольшие потери мощности в импульсных преобразователях происходят в силовых транзисторах и силовых диодах ΔP_тр и ΔP_д, которые складываются из статических потерь и динамических потерь на переключение. Они зависят от внутренних параметров транзисторов и диодов, а также от токов, протекающих через преобразователь:


где I_ср, I_д - средние и действующие токи;
ΔU₀,R_д - пороговое напряжение и динамическое сопротивление диода;
U_{вкл(выкл)}, I_{вкл(выкл)}, t_{вкл(выкл)} - напряжение, ток и время переключения;
τ_д - эффективное время жизни неосновных носителей в области базы диода;
f - частота переключения;
ΔU_нас - напряжение насыщения коллектор-эмиттер транзистора.

СН в известной системе электроснабжения преобразует всю мощность нагрузки и, соответственно, имеет статическую и динамическую составляющие потерь мощности, определяемые всей мощностью нагрузки.

Пульсации напряжения на выходе системы возникают вследствие работы силовых ключей импульсного преобразователя в режиме переключений. Поскольку в известной системе в режиме ШИМ работает весь СН, пульсации выходного напряжения определяются импульсным преобразованием всей мощности СБ.

Учитывая, что в основном питание нагрузки КА осуществляется от СБ, электрические параметры и надежность СН главным образом определяют КПД системы. В случае его отказа энергия для питания нагрузки передается последовательно через два преобразующих устройства - ЗУ и РУ, что приводит к резкому снижению КПД. Для повышения надежности СН, как правило, используется его канальное построение с введением одного или нескольких резервных каналов. Это требует увеличения габаритов и массы СН и, кроме того, отказ резервных каналов приводит к повышению загрузки оставшихся исправных каналов, что снижает ресурс системы.

Недостатком системы является также недостаточная надежность вследствие возможности перенапряжений на шинах СБ. Напряжение холостого хода СБ существенно превышает рабочее напряжение (примерно в 1,4 раза). Кроме того, напряжение СБ зависит от температуры, при которой она работает. При эксплуатации в космических условиях температура может меняться в очень широком диапазоне - от минус 160^oC при работе космического аппарата в тени Земли и сразу после выхода из тени до 80^oC при работе на освещенных участках орбиты после прогрева конструкции СБ. Воздействие внешних факторов космического пространства на солнечные батареи приводит к деградации их характеристик. Для систем электроснабжения длительного функционирования (ресурс 10-15 лет) существенно увеличиваются проектные запасы по напряжению СБ для компенсации деградации.

Таким образом, напряжение СБ в случае работы системы электроснабжения на холостом ходу сразу после выхода ее из тени в начале эксплуатации может превышать рабочее напряжение в 2-3 раза. Дополнительные трудности возникают при использовании такой системы в составе КА с высоковольтными шинами нагрузки, так как при напряжении на выходе СЭС 100 В напряжение на шинах СБ может достигать значения 250-300 В. Наличие таких напряжений приводит к необходимости увеличения номинального напряжения элементов входных цепей СЭС, увеличению их габаритов и массы, снижению надежности. Кроме того, возникают серьезные проблемы при проектировании кабельных сетей СБ.

Целью изобретения является повышение надежности системы, снижение пульсаций выходного напряжения и потерь мощности, в том числе при отказах.

Поставленная цель достигается разделением СН на несколько каналов (по числу секций СБ), причем каждая секция СБ через дополнительно введенный разделительный диод соединена с соответствующим каналом СН, организацией в блоке управления СН m отдельных выходов, каждый из которых связан с управляющим входом соответствующего канала СН, и m входов, соединенных с m выходами дополнительно введенного источника напряжения смещения диапазонов регулирования каналов СН. Кроме того, параллельно каждой секции СБ устанавливается дополнительно введенное устройство ограничения напряжения.

На фиг. 3 приведена предлагаемая автономная система электроснабжения.

Она имеет m секций солнечной батареи 1_1...1_m, объединенных через диоды 2₁. . . 2_m на общую шину, n аккумуляторных батарей 7₁...7_n с индивидуальными зарядными 5₁. . . 5_n и разрядными устройствами 6₁...6_n. Силовые входы всех зарядных устройств подключены к общей шине, к каждой аккумуляторной батарее подключен силовой выход своего зарядного устройства, и силовой вход своего разрядного устройства, а силовые выходы последних подключены к выходу системы. Стабилизатор напряжения выполнен из m каналов 4₁...4_m (по числу секций СБ), причем каждая секция СБ соединена через дополнительно введенные диоды 10₁. . .10_m с силовым входом своего канала стабилизатора напряжения. Силовые выходы всех каналов стабилизатора напряжения соединены с выходом системы. Управляющие входы зарядных устройств через индивидуальные блоки управления 8₁...8_n связаны с общей шиной, а управляющие входы разрядных устройств через индивидуальные блоки управления 9₁. ..9_n и управляющие входы всех каналов стабилизатора напряжения через блок управления 3 связаны с выходом системы. В блоке управления стабилизатором 3 организовано m выходов, связанных с управляющими входами соответствующих каналов СН, и m дополнительных входов, каждый из которых соединен с m выходов устройства смещения диапазонов регулирования каналов СН 11. Параллельно секциям СБ установлено m устройств ограничения напряжения (УОН) 12₁...12_m, управляющие входы которых соединены с общей шиной.

Принцип действия СЭС проиллюстрирован на фиг. 4 и 5. На фиг. 4 приведены вольт-амперные и вольт-ваттные характеристики СБ при штатной работе I_СБ(U_СБ), P_СБ(U_СБ), а также для случая работы СБ при пониженной температуре в начале эксплуатации I_СБ ^*(U_СБ), P_СБ ^*(U_СБ).

Система электроснабжения функционирует следующим образом.

При отсутствии мощности СБ (полное затенение) или ее нехватки для питания нагрузки напряжение на выходе СЭС стабилизируется разрядными устройствами 6₁...6_n. Уровень стабилизируемого напряжения задается блоками управления РУ 9₁...9_n. Питание нагрузки осуществляется за счет разряда АБ.

Когда мощности, генерируемой секциями СБ, достаточно для питания нагрузки, выходное напряжение стабилизирует последовательный стабилизатор напряжения, состоящий из m каналов 4₁...4_m. Установленная мощность каждого канала СП соответствует мощности соответствующей секции СБ. Уровень стабилизируемого напряжения задается блоком управления СН 3.

При выключенных зарядных устройствах 5₁...5_n рабочее напряжение секций ОБ превышает оптимальное значение, соответствующее точке максимума мощности СБ (U_СБА > U_СБопт), и определяется текущим балансом мощности в системе (P_н= P_СБА; точка A на ВВХ СБ). Избыток мощности не нужен и он не используется.

При включении зарядных устройств они стабилизируют напряжение на общей шине, объединяющей их входы, на уровне U_СБопт, задаваемом блоками управления 8₁...8_n. Мощность СБ расходуется на питание нагрузки и заряд АБ.

Источник напряжения смещения (ИНС) вырабатывает на своих m выходах напряжения различной величины. Это напряжение с m-го выхода ИНС поступает на соответствующий вход блока управления и смещает диапазон регулирования выходного напряжения соответствующим каналом СН. Номинальные значения напряжений смещения выбраны таким образом, чтобы обеспечить последовательную работу каналов СН (фиг. 5а).

Блок управления СН 3 обеспечивает работу силовых ключей каналов СН в режиме широтно-импульсной модуляции. Управление каналами производится в зависимости от выходного напряжения СЭС, поэтому при каждом значении выходного напряжения U_вых только один канал СН находится в режиме широтно-импульсной модуляции, а все остальные в одном из двух состояний - полностью открытые (1) или полностью закрытые (0) силовые ключи (фиг. 5б).

В каналах СН с полностью открытыми силовыми ключами динамические потери в транзисторах и диодах равны нулю. В этих каналах есть только статические потери мощности от протекания тока нагрузки. Только в одном канале СН, работающем в режиме ШИМ, присутствует динамическая составляющая потерь мощности. Таким образом, суммарные потери мощности в СЭС в режиме питания нагрузки от СБ через СН существенно снижаются.

Поскольку в режиме ШИМ работает только один канал СН, через который протекает ток только одной из m секций СБ, а через полностью открытые каналы СН мощность секций СБ передается без пульсаций, общий уровень пульсаций выходного напряжения СЭС при работе СН существенно снижается. Это позволяет при необходимости уменьшить габариты и массу выходных фильтров СН.

При отказе одного из каналов СН питание нагрузки на освещенном участке орбиты осуществляется от секций СБ через исправные каналы. Загрузка исправных каналов СН остается номинальной.

Напряжение секции СБ, связанной с отказавшим каналом СН, повышается. Соответственно увеличивается напряжение на входной шине ЗУ. Когда его величина превысит значение U_СБопт, в работу включаются зарядные устройства.

В случае, если мощности, поступающей через исправные каналы СН, достаточно для питания нагрузки, происходит приоритетное использование для заряда АБ мощности секции СБ с отказавшим СН (если батареи не полностью заряжены).

В случае, если мощности недостаточно, происходит питание нагрузки через СН и РУ. Энергия передается от секций СБ, подключаемых к исправным каналам СН, в нагрузку через СН, а от секции с неисправным каналом - через ЗУ и РУ. Таким образом, с увеличенными потерями мощности через ЗУ и РУ передается только 1/m часть мощности СБ и исправные каналы СН не подвергаются перегрузке.

УОН представляет собой силовой ключ, который осуществляет замыкание накоротко секций СБ при достижении напряжением на общей шине некоторого значения U_УОН, задаваемого блоком управления УОН. Причем для каждой секции СБ выбрано свое значение U_УОНm, которое находится в некотором диапазоне U_УОНmin - U_УОНmax.

При штатной работе СЭС напряжение на общей шине ниже U_УОНmin, силовые ключи УОН разомкнуты, мощность секций СБ полезно используется для питания нагрузки или заряда АБ. При сочетании нескольких из нижеперечисленных факторов: работа СЭС при очень малой нагрузке или на холостом ходу; отключение по внешним командам ЗУ; работа СБ при пониженной температуре (сразу после выхода из тени); в начале срока эксплуатации космического аппарата напряжение секций СБ может превысить допустимое значение. В этом случае напряжение СБ близко к напряжению холостого хода, а вольтамперные характеристики недеградировавших секций СБ вследствие низкой температуры "вытянуты" вдоль оси напряжения (фиг. 4).

При повышении напряжения секций СБ повышается напряжение на общей шине. По достижении последним значения U_УОНmin соответствующая секция СБ с помощью силового ключа УОН замыкается накоротко, тем самым исключаясь из полезной работы в СЭС. Суммарная мощность, генерируемая всеми секциями СБ, уменьшается. Мощность нагрузки перераспределяется между работающими секциями СБ, напряжение на них понижается.

Происходит отключение такого количества секций СБ, чтобы напряжение на входной шине ЗУ, то есть максимальное напряжение секций СБ, находилось в допустимых пределах. Защита от "дребезга" при переключении секций СБ обеспечивается гистерезисом схемы управления УОН.

Таким образом, исключается перенапряжение во входных цепях СЭС, что повышает надежность ее работы и позволяет снизить габариты и массу элементов входных цепей.

Литература
1. Мощные системы преобразования энергии космических аппаратов. Капель А., Салливен Д.О., Марпинар Ж.К. ТИИЭР т.76, N4, 1998, С.98-116.

2. Зонный принцип управления режимами комплексов автоматики и стабилизации систем электроснабжения / С.А. Поляков, Л.Н. Ракова, А.И. Чернышев, В. О. Эльман//Системы автономного электроснабжения и электромеханические устройства. Т. 1. Аппаратура управления и преобразования энергии. - Сб. научных трудов НПО "Полюс". Томск. 1992. С. 65-70.

Система может быть использована для электроснабжения бортовых потребителей автономных объектов. Система электроснабжения (СЭС) содержит солнечную батарею (СБ), состоящую из m секций, п аккумуляторных батарей с индивидуальными зарядно-разрядными устройствами, последовательный стабилизатор напряжения (СН) для питания нагрузки от СБ, выполненный из m каналов, причем каждая секция СБ через разделительный диод соединена с соответствующим каналом СН, а через другие диоды все секции СБ соединены с общей шиной, к которой подключены силовые входы всех зарядных устройств. Разделение СН на несколько каналов (по числу секций СБ), индивидуальное управление ими от блока управления с источником смещения диапазонов регулирования каналов СН, установка параллельно каждой секции СБ устройства ограничения напряжения позволяют повысить надежность системы, снизить пульсации выходного напряжения и потери мощности, в том числе при отказах в СЭС, исключить перенапряжения во входных цепях, что является техническим результатом. 5 ил.

Автономная система электроснабжения, содержащая солнечную батарею, состоящую из m секций, объединенных через диоды на общую шину, n аккумуляторных батарей с индивидуальными зарядными и разрядными устройствами, причем силовые входы всех зарядных устройств объединены и подключены к общей шине, к каждой аккумуляторной батарее подключен силовой выход своего зарядного и силовой вход своего разрядного устройств, а силовые выходы последних, а также силовой выход стабилизатора напряжения соединены с выходом системы, управляющие входы зарядных устройств через индивидуальные блоки управления связаны с общей шиной, а управляющие входы разрядных устройств через индивидуальные блоки управления и управляющий вход стабилизатора напряжения через свой блок управления связаны с выходом системы, отличающаяся тем, что стабилизатор напряжения выполнен из m каналов (по числу секций солнечной батареи), в систему дополнительно введено m разделительных диодов, через которые каждая секция солнечной батареи соединена с силовым входом своего канала стабилизатора напряжения, и m устройств ограничения напряжения, силовыми цепями подключенных параллельно секциям солнечной батареи, а управляющими входами соединенных с общей шиной, в блоке управления стабилизатора напряжения организовано m выходов, связанных с управляющими входами соответствующих каналов стабилизатора напряжения, и m входов, каждый из которых соединен с одним из m выходов дополнительно введенного устройства смещения диапазонов регулирования каналов стабилизатора напряжения.