СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИМИТАТОРА СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ Российский патент 2025 года по МПК G05F1/62 

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться при разработке оборудования для испытаний устройств, преобразующих электроэнергию солнечных батарей, в частности, входящих в состав бортовых систем электроснабжения космических аппаратов.

Известны способы формирования вольтамперной характеристики (ВАХ) имитатора солнечной батареи, основанные на кусочно-линейной аппроксимации участков тока и напряжения, при которых на участке напряжения, характеризующемся спадающей линейной зависимостью тока нагрузки от напряжения на ней, осуществляется суммирование устанавливаемого фиксированного напряжения источника с добавочным напряжением постоянной величины - см. например, статью Рекутов О.Г., Юдинцев А.Г., Метод формирования вольтамперной характеристики имитатора батареи солнечной для испытания систем электропитания космических аппаратов, Электротехнические системы и комплексы, №2 (47), 2020, а также патенты полезных моделей на устройства, реализующие аналогичные способы, - RU 50014 U1 G05F 1/59, RU 77695 U1 G05F 1/59, RU 144248 H01L 31/00.

Недостатками известных способов являются техническая сложность и, в ряде случаев, неточность и нестабильность перехода с участка тока на участок напряжения, необходимость принятия дополнительных мер для обеспечения монотонности ВАХ в области перехода, недостаточная определенность задания точки максимума выходной мощности имитатора, в особенности, при наличии нелинейного переходного участка между участками тока и напряжения, и возможное снижение динамических характеристик из-за переключения режимов элементов схемы.

Наиболее близким к заявляемому (прототипом) является способ, реализованный в устройстве для имитации секционированной солнечной батареи по патенту полезной модели RU 201749 U1 H01M 14/00 H01M 10/44 H02J 7/04, по которому в канале каждой секции имитатора секционированной солнечной батареи формируют кусочно-линейную ВАХ, состоящую из сопряженных друг с другом участков тока и напряжения (без нелинейного переходного участка), при этом для участка напряжения осуществляется суммирование постоянного напряжения источника и дополнительного напряжения (вольтодобавки) для формирования напряжения холостого хода.

Недостатками данного способа являются существенное отклонение от типичных форм ВАХ реальных солнечных батарей, обусловленное невозможностью регулирования наклона и протяженности участка напряжения, а также снижение динамических характеристик из-за переключения режимов элементов схемы.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, и его техническим результатом является обеспечение возможности формирования кусочно-линейных ВАХ, приближающихся к ВАХ реальных солнечных батарей в различных условиях их эксплуатации с однозначным указанием характерных величин, таких, как напряжение холостого хода, ток короткого замыкания, напряжение точки максимальной мощности, отдаваемой в нагрузку, и величина этой мощности, что позволит с достаточной полнотой и достоверностью проводить испытания преобразующей части системы электроснабжения (СЭС), использующей в качестве первичного источника солнечную батарею, в том числе, при оснащении указанной преобразующей части экстремальным регулятором выходной мощности солнечной батареи, а также исключение ухудшения динамических характеристик из-за переключения режимов элементов схемы.

Указанный технический результат достигается тем. что в известном способе, основанном на кусочно-линейной аппроксимации ВАХ, которая включает участок устанавливаемого фиксированного тока нагрузки и сопряженный с ним участок напряжения, формируемый за счет суммирования устанавливаемого фиксированного напряжения с добавочным напряжением и характеризующийся спадающей линейной зависимостью тока нагрузки от напряжения на ней, дополнительно осуществляют

- формирование добавочного напряжения за счет ответвления части фиксированного тока и линейного пропорционального преобразования ее в напряжение,

- выбор точки сопряжения участка фиксированного тока и участка напряжения из соотношения

U_C≥Um/2,

где U_C - значение напряжения на нагрузке, соответствующее точке сопряжения участка фиксированного тока и участка напряжения;

Um - величина напряжения холостого хода.

На чертеже фиг. 1 для иллюстрации представлены варианты кусочно-линейной аппроксимации ВАХ, близкие по форме к ВАХ реальных солнечных батарей, включающие участок тока (горизонтальный) и сопряженный с ним участок напряжения с отрицательным наклоном зависимости тока нагрузки от напряжения на ней.

При отсутствии горизонтального участка тока линейная зависимость I от U между точками, обозначенными Urn и Um/R, описывается выражением

где (- 1/R) - коэффициент отрицательного наклона прямой, описываемой выражением (1).

В этом случае, т.е. при отсутствии ограничения тока нагрузки I, мощность, отдаваемая в нагрузку:

Производная этой мощности по U:

При dРн/dU=0 имеем точку максимальной мощности U_М=Um/2 и значение этой мощности

При наличии ограничения тока нагрузки I знак производной dРн /dU при возрастании напряжения нагрузки U от 0 до Um меняется, что позволяет определить точки максимальной мощности и ее значения (Рн)max. Это показано в таблице 1.

На чертеже фиг. 2 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Схема включает регулируемый источник постоянного тока 1, регулируемый источник постоянного напряжения 2, резистор Rp, подключенный параллельно выходу источника постоянного тока, резистор Rs, подключенный последовательно между положительным выводом источника постоянного напряжения и клеммами нагрузки 3.

На схеме также обозначено:

Im - величина установленного постоянного тока источника 1;

Iр - величина тока источника 1, ответвляющегося в цепь резистора Rp;

Up - величина падения напряжения на резисторе Rp;

I - величина тока нагрузки;

Uvs - величина установленного постоянного напряжения источника 2;

U - напряжение на нагрузке.

Кроме того, на схеме показаны стрелками направления токов (от «плюса» к «минусу») и напряжений (от «минуса» к «плюсу»).

Работа схемы описывается следующими соотношениями:

где Up представляет собой величину добавочного напряжения, формируемого за счет ответвления части Iр фиксированного тока Im и линейного пропорционального преобразования ее в напряжение с помощью резистора Rp.

С учетом (5)-(7):

отсюда

Таким образом, ток нагрузки и напряжение на ней связаны между собой линейной зависимостью, определяемой параметрами схемы Rp, Rs, Im и Uvs.

Из (8) и (9) получим напряжение холостого хода

и ток короткого замыкания

Вольтамперная характеристика (ВАХ) реальной фотоэлектрической батареи имеет характерные точки, которые в значительной степени определяют ее взаимодействие с преобразовательной частью системы электроснабжения, в которой используется эта батарея. Этими точками являются: точка холостого хода, точка короткого замыкания и точка максимума мощности, выдаваемой в нагрузку.

Кусочно-линейная аппроксимация позволяет достигнуть достаточно высокой степени приближения к ВАХ имитируемой фотоэлектрической батареи и максимально упрощает задание указанных характерных точек. При этом данный вид аппроксимации имеет еще одну специфическую характерную точку, а именно точку сопряжения (точку излома) между участками напряжения и тока, которая при выполнении определенных условий может соответствовать точке максимума мощности, отдаваемой в нагрузку.

Для построения кусочно-линейной аппроксимации ВАХ, включающей участки тока и напряжения и позволяющей задавать характерные точки, потребуем, чтобы при задаваемом напряжении U_C точки сопряжения С между участками тока и напряжения (аналогичной, например, точке А2 на графике фиг. 1) величина тока нагрузки равнялась Im (и, соответственно, выполнялись равенства Iр=0 и Up=0).

Тогда, при U=Uc из (8) получим

Соотношение (12) дает связь между устанавливаемыми параметрами Uvs и Im и значением Rs, являющуюся условием для реализации указанной кусочно-линейной аппроксимации ВАХ.

С учетом (9) выражение для мощности, отдаваемой в нагрузку, можно представить в виде

Отсюда

При U=Uc значение производной dPH/dU составит

В рассматриваемом случае кусочно-линейной ВАХ значение тока нагрузки при U<Uc равно I=Im=const и, следовательно, (dPH/dU)>0.

Потребовав, чтобы при U≥Uc имело место (dPn/dU)<0, получим условие максимума мощности Рн при U=Uc в виде

или, подставляя в (16) значение Uc из (12), в виде

Если из выражения (10) для Um вычесть правую часть выражения (16), представляющую (Uc)min, то с учетом (12) получим

следовательно, (Uc)min=Um/2, и условие (16) максимума мощности Рн при U=Uc принимает вид

что соответствует данным таблицы 1 по анализу вариантов кусочно-линейной ВАХ, показанных на графиках фиг. 1.

Таким образом, условия (16) и (19) для выбора U_C эквивалентны друг другу. Значение максимальной мощности, отдаваемой в нагрузку при U=Uc и выполнении условий (16) или (19), составит

При Uc=Um/2 величина Im с учетом (10) и (11) должна составлять

тогда получим значение мощности, отдаваемой в нагрузку

Анализ графиков фиг. 1 и данных таблицы 1 показывает, что для случая Uc=Um/2 и соответствующей величине Im=(Im)_Um/2 из выражения (21) представленная выражением (22) величина [(Рн)max]_Um/2 является максимально возможной по сравнению с величинами (Рн)max, соответствующими выбору других значений Uc, удовлетворяющих требованиям (16) и (19), поскольку знак производной dPн/dU при U≥Uc=Um/2 отрицательный.

При реализации кусочно-линейной аппроксимации ВАХ имитируемой батареи задаются необходимые параметры, полученные из паспортных данных батареи, предоставленных производителем: ток короткого замыкания Isc, напряжение холостого хода Um и максимальная мощность, отдаваемая в нагрузку, (Рн)max. Применительно к виду кусочно-линейной аппроксимации ВАХ из числа показанных на фиг. 1 (обладающих горизонтальным токовым участком) можно записать Isc=Im.

Отсутствие переключения режимов силовых элементов схемы (источника постоянного тока 1 и источника постоянного напряжения 2) при перемещении рабочей точки по всему диапазону сформированной ВАХ исключает ухудшение динамических характеристик имитатора солнечной батареи из-за переключения режимов элементов схемы.

С целью повышения значений параметров имитатора, характеризующих его энергетические возможности, (тока короткого замыкания, напряжения холостого хода, максимальной мощности, отдаваемой в нагрузку) для формирования ВАХ можно применить агрегатирование силовых элементов схемы: параллельное соединение нескольких идентичных источников постоянного тока и последовательное соединение нескольких идентичных источников постоянного напряжения. Такие соединения в принципе допускаются современными силовыми источниками, серийно выпускающимися промышленностью.

Возможный алгоритм задания параметров кусочно-линейной аппроксимации ВАХ выглядит следующим образом:

1) из (20) по заданным (Рн)max и Im и с учетом Isc=Im находим Uc=(Рн)max/Im;

2) из (16) получаем (Rp+Rs)≤Uc/Im;

3) выбираем приемлемое (с учетом требования перечисления 2) значение (Rp+Rs);

4) выбираем значения Rp и Rs с учетом ранее выбранного значения их суммы, в частном случае, возможно Rp=Rs;

5) из (10) согласно выбранному значению Rp и заданным Um и Im находим требуемое значение Uvs=Um-Im⋅Rp.

Из представленного алгоритма следует, что для повышения технологичности при реализации кусочно-линейной аппроксимации ВАХ целесообразно Rp и Rs выполнить в виде блоков сопротивлений, управляемых соответствующими двоичными кодами, как реализуются, например, резисторные матрицы, используемые в цифро-аналоговых преобразователях (см. У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника, 12-е издание, Москва, 2015, том 2, гл. 18, п. 18.2.1).

Осуществляя управление составными частями устройства, реализующего предлагаемый способ и представленного на схеме фиг. 2, с помощью ПЭВМ по соответствующей программе, предусматривающей установку необходимых параметров согласно вышеприведенному алгоритму, можно достаточно просто реализовать также возможность изменения устанавливаемых параметров во времени, что позволит изменять по заданному временному алгоритму и кусочно-линейную ВАХ в целом, моделируя работу испытываемой преобразовательной части СЭС при изменении условий засветки фотоэлектрической батареи, например (как в случае бортовой СЭС космического аппарата), на различных участках полета, таких, как выход из тени, построение и восстановление пространственной ориентации и т.п.

Таким образом, полученный технический результат подтверждает достижение цели заявляемого изобретения.

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться при разработке оборудования для испытаний устройств, преобразующих электроэнергию солнечных батарей, в частности, входящих в состав бортовых систем электроснабжения космических аппаратов. Способ формирования вольтамперной характеристики имитатора солнечной батареи, основанный на кусочно-линейной аппроксимации, которая включает участок устанавливаемого фиксированного тока нагрузки и сопряженный с ним участок напряжения, формируемый за счет суммирования устанавливаемого фиксированного напряжения с добавочным напряжением и характеризующийся спадающей линейной зависимостью тока нагрузки от напряжения на ней, при этом формирование добавочного напряжения осуществляется за счет ответвления части фиксированного тока и линейного пропорционального преобразования ее в напряжение, а напряжение на нагрузке в точке сопряжения участка фиксированного тока и участка напряжения выбирается не меньшим половины напряжения холостого хода. Технический результат - обеспечение возможности формирования кусочно-линейных ВАХ, приближающихся к ВАХ реальных солнечных батарей в различных условиях их эксплуатации, повышение полноты и достоверности испытаний преобразующей части системы электроснабжения, использующей в качестве первичного источника солнечную батарею, в том числе, при оснащении указанной преобразующей части экстремальным регулятором выходной мощности солнечной батареи, а также исключение ухудшения динамических характеристик из-за переключения режимов элементов схемы. 2 ил.

Способ формирования вольтамперной характеристики имитатора солнечной батареи, основанный на кусочно-линейной аппроксимации, которая включает участок устанавливаемого фиксированного тока нагрузки и сопряженный с ним участок напряжения, формируемый за счет суммирования устанавливаемого фиксированного напряжения с добавочным напряжением и характеризующийся спадающей линейной зависимостью тока нагрузки от напряжения на ней, отличающийся тем, что формирование добавочного напряжения осуществляется за счет ответвления части фиксированного тока и линейного пропорционального преобразования ее в напряжение, а напряжение на нагрузке в точке сопряжения участка фиксированного тока и участка напряжения выбирается не меньшим половины напряжения холостого хода.