Способ управления ключами стабилизированного источника тока в электронном имитаторе солнечной батареи Российский патент 2022 года по МПК G05F1/67 H02S50/10 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в безынерционных электрических имитаторах солнечных батарей (ИБС) на основе источника постоянного напряжения, соответствующего напряжению холостого хода солнечной батареи (БС), источника напряжения вольтодобавки и источника тока короткого замыкания БС с эквивалентной схемой понижающего преобразователя (ПН) для управления ключами основного и обводного контуров, нулевым контуром, обеспечивающим корректирующую стабилизацию тока в дросселе ПН при сбросах тока нагрузки имитатора БС.

Из описания работы имитатора солнечной батареи по патенту на полезную модель № 77695 можно сделать вывод, что способ управления основным и обводным ключами источника тока в имитаторе БС на основе источника постоянного напряжения, соответствующего напряжению холостого хода БС, источника напряжения вольтодобавки и источника тока короткого замыкания БС, заключается в том, что при сбросе нагрузки ИБС с целью ограничения сброса тока от дросселя в источник постоянного напряжения, контролируют этот ток, и при достижении заданного порога открывают обводной ключ.

Недостатком такого способа является необходимость контролировать пороговое значение тока при малых его значениях в условиях при неблагоприятном отношении сигнал-шум, а также одностороння коррекция темпа спада тока.

Из описания работы имитатора солнечной батареи по патенту на полезную модель № 97007 способ управления основным и дополнительным обводным ключами источника тока в имитаторе БС на основе источника постоянного напряжения, соответствующего напряжению холостого хода БС и источника тока короткого замыкания БС, заключается в том, что относительную длительность γ_осн. включенного состояния основного ключа с целью стабилизации тока короткого замыкания ИБС в дросселе ПН регулируют в замкнутом контуре по закону ШИМ с использованием в качестве обратной связи тока I_кз дросселя, а относительную длительность включенного состояния обводного ключа γ_обв. регулируют по закону ШИМ на интервале паузы основного ключа в функции отношения величины тока нагрузки I_н к току стабилизации I_кз: γ_обв. = 1- (I_н/I_кз).

Недостаток данного способа заключается в усложненной реализации, связанной с применением дополнительного датчика тока и вычислений, повышающих проблемность достижения требуемой точности стабилизации тока.

Известен также способ управления основным и обводным ключами источника тока в имитаторе БС на основе источника постоянного напряжения, соответствующего напряжению холостого хода БС, источника напряжения вольтодобавки и источника тока короткого замыкания БС, понятный из описания к патенту на полезную модель № 144248 и заключающийся в том, что во время изменения нагрузки ИБС от короткого замыкания до точки максимального отбора мощности вольт-амперной характеристики (ВАХ) ИБС относительную длительность γ_осн. включенного состояния основного ключа регулируют от 0 до 1 при γ_обв. = 0, а при изменении нагрузки от точки максимального отбора мощности ВАХ ИБС до холостого хода регулируют относительную длительность включенного состояния обводного ключа γ_обв. от 0 до 1 при γ_осн. = 1.

Недостатком такого способа является невозможность мгновенного реагирования на резкое изменение нагрузки, связанная с задержками, обусловленными периодом ШИМ-преобразования и применением интегрируюших цепей в усилителе ошибки, необходимых для обеспечения устойчивости при возмущающих воздействиях нагрузки, все это в конечном итоге в динамике приводит к отклонению движения рабочей точки от заданной ВАХ ИБС, а, следовательно, к неполному соответствию имитатора имитируемой солнечной батарее.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ управления источником тока в имитаторе солнечной батареи по патенту РФ № 2742379. В данном способе управления источником тока в имитаторе солнечной батареи, содержащем источник постоянного напряжения, соответствующего напряжению холостого хода, источник напряжения вольтодобавки и источник тока короткого замыкания в виде стабилизатора тока короткого замыкания имитатора с дросселем, датчиком тока и с ключами основного и обводного контуров регулирования, заключающемся в том, что коммутацию ключей основного и обводного контуров производят в зоне допуска на отклонение тока от заданного, определяемой заданными допустимыми пульсациями тока, во время изменения нагрузки имитатора от короткого замыкания до точки максимального отбора мощности ВАХ, причем, относительную длительность открытого состояния основного ключа γ_осн. источника тока регулируют от 0 до 1 при относительной длительности открытого состояния обводного ключа γ_обв. = 0, а при изменении нагрузки от точки максимальной мощности до холостого хода ВАХ регулируют γ_обв. от 0 до 1 при γ_осн. =1, а при резких сбросах-набросах нагрузки имитатора БС производят коммутацию основного и обводного ключей во второй расширенной зоне допуска, причем, при сбросе нагрузки и уменьшении величины тока ниже нижнего уровня (НУ) первой зоны допуска открывают оба упомянутых ключа, а при набросе нагрузки и увеличении величины тока выше верхнего уровня (ВУ) первой зоны запирают оба ключа.

Преимущество данного способа управления источником тока при формирования ВАХ имитатором солнечной солнечной батареи заключается в уменьшении уровня пульсаций тока короткого замыкания источника тока ИБС при резких сбросах/набросах нагрузки ИБС, в качестве которой, например, может быть использован шунтовый стабилизатор системы электропитания космического аппарата.

Однако, данный способ имеет недостатки, заключающиеся в ненадежной работе в условиях значительных помех. При работе в условиях значительных помех, когда соотношение величины сигнал/шум невелико для сигналов ОС(I_кз) и Уст.(I_кз), возможно возникновение условий провоцирующих неадекватную работу устройства, когда выполнение каждого из условий работы для нижнего и верхнего уровней величины тока становится возможным, как при переходе рабочей точки из положения, соответствующего большей величине сопротивления нагрузки в положение, соответствующее меньшей величине сопротивления нагрузки, так и наоборот. Неадекватная работа приводит к провалам и скачкам тока при несвоевременном срабатывании условий для ВУ и НУ, что выражается в увеличении пульсаций. Наглядным примером неадекватной работы для упомянутых условий может служить взаимный переход рабочей точки ВАХ из положения, соответствующего режиму работы КЗ в положение, соответствующее режиму работы ХХ. Когда ИБС работает в точке соответствующей режиму КЗ, регулятор может начать несвоевременно работать по сигналу НУ, а когда рабочая точка переходит в положение, соответствующее режиму ХХ, регулятор может начать несвоевременно работать по сигналу ВУ. Таким образом, когда коэффициент ШИМ ключа VT2 при работе в режиме КЗ должен быть минимальным, регулятор принудительно открывает ключи, что приводит к скачкам тока на этом участке. Аналогично, когда ИБС работает в точке соответствующей режиму ХХ, ключ VT2 должен быть открыт, а ключ VT1 находиться в режиме ШИМ с некоторым коэффициентом, в этот момент оба ключа принудительно запираются, и происходит провал в токе I_кз.

Задачей изобретения является устранение или уменьшение влияния помех на работу устройства управления модулем стабилизатора тока имитатора солнечной батареи для исключения несвоевременных замыканий/размыканий ключей.

Поставленная задача решается тем, что в способе управления источником тока в имитаторе солнечной батареи, содержащем источник постоянного напряжения, соответствующего напряжению холостого хода, источник напряжения вольтодобавки и источник тока короткого замыкания в виде стабилизатора тока короткого замыкания имитатора с дросселем, датчиком тока и с ключами основного и обводного контуров регулирования, заключающийся в том, что коммутацию ключей основного и обводного контуров производят в зоне допуска на отклонение тока от заданного, определяемой заданными допустимыми пульсациями тока, при резких сбросах-набросах нагрузки имитатора ВАХ производят коммутацию основного и обводного ключей во второй расширенной зоне допуска, причем при сбросе нагрузки и уменьшении величины тока ниже нижнего уровня (НУ) первой зоны допуска открывают оба упомянутых ключа, а при набросе нагрузки и увеличении величины тока выше верхнего уровня (ВУ) первой зоны запирают оба ключа, дополнительно задают диапазоны сигнала ошибки регулирования для верхнего и нижнего уровней (ΔВУ и ΔНУ) и при величине текущего сигнала ошибки, входящего в диапазон ΔНУ, блокируют возможный сигнал НУ на открытие обоих ключей (VT_обв. и VT_осн.), и пропускают возможный сигнал ВУ на закрытие упомянутых ключей, а при величине сигнала ошибки, входящего в диапазон ΔВУ блокируют возможный сигнал ВУ на запирание упомянутых ключей и пропускают возможный сигнал НУ на открытие упомянутых ключей.

Далее сущность изобретения поясняется с помощью рисунков, на которых показано: на фиг.1 - функциональная схема имитатора солнечной батареи, на фиг.2 показана структурная схема устройства управления ключами стабилизированного источника тока в указанном имитаторе в соответствии с заявляемым изобретением, на Фиг. 3 представлены временные диаграммы, поясняющие суть способа, на Фиг.4 - эпюры сигналов, демонстрирующие работу регулятора в зависимости от положения рабочей точки на участках вольт-амперной характеристики с учетом нерабочих зон.

Имитатор вольт-амперной характеристики солнечной батареи содержит источник напряжения постоянного тока 1, модуль вольтодобавки 2 со стабильным добавочным напряжением, источник постоянного тока в виде стабилизатора тока 3, состоящего из ключей 6 и 7, первого и второго диодов 12 и 13, дросселя 4, а также включающего в себя устройство управления 8 ключами 6 и 7, датчик тока 9, отсекающий диод 14, последовательно включенный управляемый резистор 10 задающий наклон ВАХ на участке напряжения, шунтирующий управляемый резистор 11, задающий наклон характеристики на участке тока.

Устройство управления 8 ключами 6 и 7, реализующее предложенный способ, содержит усилитель ошибки 15, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 16, задающий генератор (ЗГ) 17, первым выходом соединенный со входами тактовой частоты двух счетчиков импульсов (СИ) 18 и 19, а вторым и третьим выходами подключен для синхронизации, соответственно, ко входам сброса счетчиков импульсов (СИ) 18 и 19, формирующих сдвинутые на 180 электрических градусов пилообразные коды. Выходы указанных счетчиков импульсов 18 и 19 подключены к первым входам соответствующих первой и второй цифровых схем сравнения (ЦСС) 20 и 21, вторые входы которых соединены с выходом АЦП 16. Выход ЦСС 20 подключен к первым входам схем «И» 22 и «ИЛИ» 23, а выход ЦСС 21 соединен со вторыми входами схем «И» 22 и «ИЛИ» 23, выходы которых подключены, соответственно, к первым входам схем «И-НЕ» 24 и 25 ограничения высокого уровня тока выходами соединенных, соответственно, с первыми входами схем «И-НЕ» 26 и 27 управления ключами стабилизатора. Инверсный вход компаратора 28 и неинверсный вход компаратора 29 соединены с неинверсным входом усилителя ошибки 15, а также выведены для подключения сигнала уставки тока I_кз. Неинверсный вход компаратора 28 и инверсный вход компаратора 29 соединены с инверсным входом усилителя ошибки 15, и выведены для подключения сигнала датчика тока 9 I_кз. Выходы задатчика диапазонов низкого и высокого уровней 30 соединены с входами третьей и четвертой цифровых схем сравнения 31 и 32, вторые входы которых соединены с выходом АЦП 16. Выходы третьей и четвертой цифровых схем сравнения 31 и 32 соединены с первыми входами второй 33 и третьей 34 схем «ИЛИ», соответственно, второй вход схемы «ИЛИ» 33 соединен с выходом первого компаратора с гистерезисом 28, второй выход схемы «ИЛИ» 34 соединен с выходом второго компаратора 29. Выход второй схемы «ИЛИ» 33 соединен с первыми входами двух схем «И-НЕ» 24 и 25 ограничения высокого уровня тока, выходы которых соединены с первыми входами двух схем «И-НЕ» 26 и 27 управления ключами стабилизатора тока. Выход третьей схемы «ИЛИ» 34 соединен со вторыми входами двух схем «И-НЕ» 26 и 27, выход схемы «И-НЕ» 26 является выходом для управления ключом 6 обводного контура, а выход схемы «И-НЕ» 27 - выходом для управления ключом 7 основного контура источника тока 3.

Устройство реализации способа управления ключами 6 и 7 источника тока в имитаторе солнечной батареи работает следующим образом:

Счетчики импульсов 18 и 19 при наличии тактовой частоты и соответствующих импульсов сброса 35 и 36 (фиг.4) от ЗГ 17 формируют на первых входах ЦСС 20 и 21, соответственно, линейно нарастающие пилообразные коды, сдвинутые по фазе на 180 электрических градусов (37, 38 на Фиг.3а). АЦП 16 преобразует сигнал усилителя ошибки 15 в код (39 на Фиг.3а), поступающий на вторые входы ЦСС 20 и 21 для сравнения с соответствующим пилообразным кодом. Т.о. образованы два контура ШИМ. Схемы «И» 22 и «ИЛИ» 23 выполняют функцию распределения импульсов управления для основного 7 (VT_осн.) и обводного 6 ключей (VT_обв.) источника тока 3.

При резком изменении нагрузки ИБС от короткого замыкания до холостого хода схема управления (регулятор) 8 какое-то время продолжает работать с малой длительностью γ_осн.. включенного состояния основного ключа 7. Обводной ключ 6 заперт, и к дросселю 4 не прикладывается напряжение из-за разрыва цепи нагрузки. Ток I_кз в дросселе 4 начинает падать. Вышеуказанный провал (40 на Фиг.3а) ограничивается снизу от уставки тока Iкз на уровне порога низкого уровня НУ = (I_кз - ΔI) второй зоны допуска одновременным отпиранием ключей 6 (VT_обв.) и 7 (VT_осн.) по команде компаратора 29 через схемы «И-НЕ» 26 и 27, проходя без блокировки через схему «ИЛИ» 34. При достижении сигналом I_кз нижней границы гистерезиса НУ (41 на фиг.3а), ток I_кз в дросселе 4 источника тока нарастает с темпом U_вд/L, уходя от провала, где U_вд - напряжение источника вольтодобавки. При достижении верхней границы НУ ключи возвращаются в алгоритм ШИМ, т.е. ключ 6 (VТ_обв.) - заперт, а γ_осн. ключа 7 (VT_ocн) - увеличивается. Но ток продолжает падать. Так циклически управление передается от ограничительного регулятора релейного типа к ШИМ регулятору и через некоторое время ключ 7 (VT_осн.) - полностью откроется, γ_обв. ключа 6 (VT_обв.) будет увеличиваться_. Полностью управление к ШИМ регулятору перейдет при достижении напряжением усилителя 15 такого уровня, а значит, и кодом АЦП 16, такого значения (39 на Фиг. 3а), при котором γ_обв. ключа 6 (VT_обв.) будет достаточным для образования контура ШИМ регулирования и стабилизации тока I_кз, удерживающего величину тока внутри первой зоны допусков без вмешательства ограничения.

На ЦСС 31 и 32 организованы схемы сравнения величины ошибки усилителя 15, преобразованной АЦП 16 в код, с величинами заданных порогов для низкого и высокого уровней, задаваемых задатчиком диапазонов ошибки 30 (ΔВУ и ΔНУ). В случае изменения нагрузки ИБС от короткого замыкания до холостого хода, необходимо предотвратить влияние сигнала от компаратора 28 на закрытие ключей, обусловленного помехами. Для этого выполняется следующее: если величина ошибки, поступающая с АЦП 16, превышает величину порога ΔВУ с задатчика 30, сигнал логической единицы с выхода ЦСС 31 через схему «ИЛИ» 33 блокирует активный уровень логического нуля от компаратора 28, приходящего на второй вход логического элемента 33. Если ошибка, поступающая с АЦП, 16 не превышает величину порога ΔВУ, то активный сигнал (логического нуля) с компаратора 28 беспрепятственно проходит до схем «И» 24 и 25.

При набросе нагрузки от холостого хода к короткому замыканию в первый момент выход регулятора 8 (сигнал ошибки, преобразованный в код (42 на Фиг.3б)) находится в зоне ШИМ ключа 6 (VT_обв.), а ключ 7 (VT_осн.) - замкнут. Ток нарастает (43 на Фиг.3б) с темпом U_o/L до верхней границы гистерезиса верхнего уровня ВУ I_кз второй зоны допусков (44 на Фиг.3б), где U_о - напряжение источника постоянного напряжения, соответствующего напряжению холостого хода БС. После срабатывания компаратора ВУ 28 через схемы «И-НЕ» 24 и 25 к ключам 6 (VT_обв.) и 7 (VT_осн.) уходит команда на запирание, и ток падает до нижней границы ВУ (44 на Фиг.3б). Компаратор 28 отключается, ключи возвращаются в алгоритм ШИМ, далее ток снова нарастает, и цикл повторяется. Через некоторое время ключ 6 (VT_обв.) закроется, γ_осн. ключа 7 (VT_осн.) будет уменьшаться. Полностью управление к ШИМ регулятору перейдет при достижения напряжением усилителя 15 уровня, а значит и кодом АЦП 16 значения, при котором величина γ_осн. будет такой, чтобы уровень тока I_кз находился внутри первой зоны допусков без вмешательства ограничения.

В случае, если величина ошибки, поступающая с АЦП 16, меньше или равна величине порога ΔНУ, сигнал логической единицы с выхода ЦСС 32 через логический элемент 34 блокирует активный уровень логического нуля от компаратора 29, приходящего на второй вход логического элемента «ИЛИ» 34. Таким образом, когда положение рабочей точки ВАХ пропорционально диапазону ошибки ΔНУ, ложные срабатывания компаратора 29 не приводят к открытию ключей. Если величина ошибки выше порога ΔНУ, то сигнал от компаратора 29 не блокируется.

На фиг.4 представлены эпюры сигналов, демонстрирующие работу устройства управления в зависимости от положения рабочей точки на участке вольт-амперной характеристики для конкретных примеров диапазонов ошибки, в которых ШИМ регулятор не реагирует на сигналы компараторов соответствующих уровней, определенных опытным путем, исходя из конкретной помеховой обстановки: для нижнего уровня 0 ÷ 900 и для верхнего уровня 2500 ÷ 4092 единиц.

На участке тока величина ошибки E_d(I_кз) (45 на фиг.4) в пересчете в цифровую форму не превышает значения ΔНУ (900), поэтому сигнал НУ (46 на фиг.4) на протяжении представленного отрезка игнорируется формирователем ШИМ. Приоритетным является сигнал ВУ (47 на фиг.4), по команде которого закрываются ключи 6 и 7. На такте 1 рабочая точка находится на участке тока, сигнал ОС(I_кз) (48 на фиг.4) значительно превышает сигнал Уст(I_кз) (49 на фиг.4) (такты 1-5), сигналом ВУ (47 на фиг.4) подается команда на запирание обоих ключей. Штриховыми линиями выделены сигналы ШИМ (50 на фиг.4), которые могли быть сформированы устройством управления, но, с учетом приоритета сигнала ВУ, становятся неактивными. Сплошной линией показаны фактические сигналы ШИМ (51). Во время работы на тактах 5-6 сигнал ОС(I_кз) уже не столь значительно превышает сигнал Уст(I_кз), поэтому сигналы компаратора ВУ 28 на этих участках кратковременны, тем не менее, еще присутствует корректировка коэффициента заполнения ШИМ. На тактах работы 7-8 величина тока I_кз становится сравнимой с заданной величиной, поэтому ограничительный регулятор релейного типа не включается в работу, и стабилизация тока I_кз зависит от работы ШИМ регулятора тока.

На участке напряжения игнорируется сигнал ВУ, так как величина ошибки E_d(I_кз) (45) в пересчете в цифровую форму превышает значение ΔВУ (2500) и приоритетным становится сигнал НУ, по команде которого происходит корректировка коэффициента заполнения. На тактах 9-12 без влияния сигналов НУ коэффициент заполнения ключа 7 (VT_осн.) (отмечен штриховой линией) был бы много меньше. На протяжении работы тактов 13-16 стабилизация тока I_кз осуществляется ШИМ регулятором тока.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в безынерционных электрических имитаторах солнечных батарей (ИБС) на основе источника постоянного напряжения. В предложенном способе управления источником тока в имитаторе солнечной батареи, содержащем источник постоянного напряжения, соответствующего напряжению холостого хода, источник напряжения вольтодобавки и источник тока короткого замыкания в виде стабилизатора тока короткого замыкания имитатора с дросселем, датчиком тока и с ключами основного и обводного контуров регулирования, заключается в том, что коммутацию ключей основного и обводного контуров производят в зоне допуска на отклонение тока от заданного, определяемой заданными допустимыми пульсациями тока, при резких сбросах-набросах нагрузки имитатора ВАХ производят коммутацию основного и обводного ключей во второй расширенной зоне допуска, причем при сбросе нагрузки и уменьшении величины тока ниже нижнего уровня (НУ) первой зоны допуска открывают оба упомянутых ключа, а при набросе нагрузки и увеличении величины тока выше верхнего уровня (ВУ) первой зоны запирают оба ключа, дополнительно задают диапазоны сигнала ошибки регулирования для верхнего и нижнего уровней (ΔВУ и ΔНУ) и при величине текущего сигнала ошибки, входящего в диапазон ΔНУ, блокируют возможный сигнал НУ на открытие обоих ключей (VT_обв. и VT_осн.) и пропускают возможный сигнал ВУ на закрытие упомянутых ключей, а при величине сигнала ошибки, входящего в диапазон ΔВУ, блокируют возможный сигнал ВУ на запирание упомянутых ключей и пропускают возможный сигнал НУ на открытие упомянутых ключей. Изобретение обеспечивает устранение или уменьшение влияния помех на работу устройства управления модулем стабилизатора тока имитатора солнечной батареи для исключения несвоевременных замыканий/размыканий ключей. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ управления источником тока в имитаторе солнечной батареи, содержащем источник постоянного напряжения, соответствующего напряжению холостого хода, источник напряжения вольтодобавки и источник тока короткого замыкания в виде стабилизатора тока короткого замыкания имитатора с дросселем, датчиком тока и с ключами основного и обводного контуров регулирования, заключающийся в том, что коммутацию ключей основного и обводного контуров производят в зоне допуска на отклонение тока от заданного, определяемой заданными допустимыми пульсациями тока, при резких сбросах-набросах нагрузки имитатора ВАХ производят коммутацию основного и обводного ключей во второй расширенной зоне допуска, причем при сбросе нагрузки и уменьшении величины тока ниже нижнего уровня первой зоны допуска открывают оба упомянутых ключа, а при набросе нагрузки и увеличении величины тока выше верхнего уровня первой зоны запирают оба ключа, отличающийся тем, что дополнительно задают диапазоны сигнала ошибки регулирования для верхнего и нижнего уровней (ΔВУ и ΔНУ) и при величине текущего сигнала ошибки, входящего в диапазон ΔНУ, блокируют возможный сигнал НУ на открытие обоих ключей (VT_обв. и VT_осн.) и пропускают возможный сигнал ВУ на закрытие упомянутых ключей, а при величине сигнала ошибки, входящего в диапазон ΔВУ блокируют возможный сигнал ВУ на запирание упомянутых ключей и пропускают возможный сигнал НУ на открытие упомянутых ключей.

2. Способ управления по п. 1, отличающийся тем, что нижняя и верхняя границы второй зоны допуска имеют два уровня, обусловленные гистерезисом, позволяющие при динамическом перерегулировании по закону первой зоны ограничить величину тока в рамках заданного гистерезиса второй зоны.