Устройство для моделирования генератора постоянного тока на возобновляемых источниках энергии Советский патент 1992 года по МПК G06G7/62 

Изобретение относится к энергетике, а именно к исследованию процессов, протекающих в энергосистемах малой мощности, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии постоянного тока (фотоэлектрические генераторы различных типов; ветроэлектрические устройства с генераторами постоянного тока; электроустановки, использующие механическую энергию малых рек с генераторами постоянного тока и др).

Рассматриваемые энергосистемы могут применяться для автономного, либо комбинированного с сетью электроснабжения маломощных потребителей в сельском хозяйстве, промышленности, жилищно-бы- товом секторе и т.п.

Известен ряд схем и методов исследований энергосистем с нетрадиционными возобновляемыми источниками энергии, использующих непосредственно исследуемые источники энергии. Для приведения их хаю о

ы

рактеристмк к интересующим чаще всего стандартным внешним воздействиям используют либо коэффициенты пересчета, либо имитаторы внешних воздействий.

Данные решения вызывают необходи- мость использования дорогостоящих источников энергии и имитаторов внешних воздействий, что не всегда целесообразно, особенно при исследовании комбинированных энергосистем в лабораторных условиях.

Наиболее близким к предлагаемому является моделирующее устройство, которое моделирует вольт-амперную характеристику (ВАХ) электрогенератора методом кусочно-линейной аппроксимации при ра- боте с электрической нагрузкой. Это устройство содержит четыре цепи источника напряжения, три из которых используются непосредственно для формирования аппроксимирующих прямых, а один через дели- тели используется для формирования стандартных напряжений переключения работы схемы с одной аппроксимирующей прямой на другую. Для моделирования ВАХ электрогенератора вблизи точки короткого замыкания аппроксимирующей прямой I Hconst при О U Умакс используется цепь источника постоянного тока (ИПТ). Данное устройство также содержит постоянные формирующие сопротивления, использую- щие для формирования необходимого наклона прямых ВАХ, три коммутационных устройства, подключающих электрическую нагрузку к соответствующему источнику напряжения, три компаратора, управляющих работой коммутационных устройств в зависимости от разности стандартного напряжения и напряжения в цепи электрической нагрузки.

В силу использования постоянных ис- точников напряжения и постоянных сопротивлений в цепях, формирующих аппроксимирующие прямые ВАХ электрогенератора, известное устройство позволяет моделировать только определенные электрогенераторы при определенных внешних воздействиях, а именно панель солнечной батареи S-247A производства фирмы Шарп при стандартных значениях инсоляции и температуры. Достаточно час- то при исследованиях, особенно в условиях лаборатории, процессов, протекающих в энергосистемах с электрогенераторами различныхтипов, при проведении натурных экспериментов (при реальных внешних ус- ловиях) с использованием модели возникает необходимость моделировать различные ВАХ электрогенераторов, что описанная схема не позволяет сделать Различия ВАХ электрогенераторов при проведении описываемых экспериментов обуславливается зависимостью функции ВАХ от параметров электрогенератора и внешних условий. Так, ВАХ солнечной батареи зависит от величины фототока, тока насыщения, последовательного и параллельного сопротивления солнечных элементов, количества и расположения их в модуле солнечной батареи, температуры окружающей среды, солнечной радиации на поверхность солнечной батареи. ВАХ ветроэлектрического агрегата (ВЭА) зависит от диаметра и формы ветро- колеса, типа генератора, величин скорости ветра и плотности воздуха.

Целью изобретения является создание моделирующего устройства, которое позволяет модеяировать невозрастающие ВАХ различных типов электрогенераторов постоянного тока (фотоэлектрических генераторов, ВЭА и др.) при различных внешних воздействиях методом кусочно-линейной аппроксимации. Реализация данной цепи позволяет расширить возможности исследования энергосистем с применением моделируемых электрогенераторов.

Для достижения поставленной цепи в моделирующее устройство дополнительно вводятся три источника тока (ИТ), регулируемый источник тока (РИТ), три вычитателя, блок масшатибирования, три ограничительных резистора, три ключевых элемента, два преобразователя тока в напряжение. При этом общая схема устройства следующая. Инвертирующие входы усилителей первого, второго и третьего ИТ являются первым, вторым и третьим входами задания спорных напряжений устройства соответственно. Неинвертирующий вход первого ИТ подключен к шине нулевого потенциала. Выход первого ИТ подключен к размыкающему контакту третьего реле, первому входу первого вычитателя и неинвертирующему входу второго ИТ. Его выход через первый преобразователь тока в напряжение подключен к замыкающему контакту третьего реле, второму входу первого вычитателя, первому входу второго вычитателя и неинвертирующему входу третьего ИТ, Его выход через второй греобразователь тока в напряжение подключен к замыкающему контакту третьего реле, к второму входу первого вычитателя, первому входу второго вычитателя и неинвертирующему входу третьего ИТ. Его выход через второй преобразователь тока в напряжение подключен к замыкающему контакту второго реле, второму входу второго вычитателя и первому входу третьего вычитателя. Его второй вход соединен с неинвертирующим выходом РИТ, а вход управления РИТ является четвертым входом

задания опорного напряжения устройства и подключен к входу блока масштабирования. Выходы первого и второго вычитателей соединены с вторыми входами первого и второго компараторов соответственно. Выход первого компаратора через первый ограничительный резистор соединен с входом первого ключевого элемента, выход которого соединен с обмоткой третьего реле. Выход второго компаратора через второй ограни- читальный резистор соединен с входом второго ключевого элемента, выход которого подключен к обмотке второго реле. Выходы блока масштабирования и третьего вычита- теля соединены с вторым и третьим входами третьего компаратора соответственно. Инвертирующий выход РИТ соединен с вторым замыкающим контактом первого реле и четвертым входом третьего компаратора. Его выход через третий ограничительный резистор подключен к входу третьего ключевого элемента, выход которого соединен с обмоткой первого реле, второй размыкающий контакт которого соединен с первым выводом делителя напряжения. Выводы первого и второго подвижных контактов первого реле являются выходами к нагрузке устройства.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для моделирования генератора постоянного тока; на фиг. 2 - пример аппроксимации устройства вольт-амперной характеристики произвольного электрогенератора при произвольных внешних воздействиях.

Устройство для моделирования генера- тора постоянного тока на возобновляемых источниках энергии содержит подключенные к выходному регистру 1 УВК 2 через цифроаналоговые преобразователи 3-6 источники 7-9 тока, управляемые черезусили- тели постоянного тока, и состоящий из операционного усилителя 11, транзистора 12, постоянного сопротивления 13, включенного между эмиттером транзистора и землей. РИТ 10, поддерживающий постоян- ную величину тока на выходе в определенном диапазоне изменения нагрузки. Выходы ИТ 8 и 9 соответственно через преобразователи 14 и 15 тока в напряжение, формирующие наклон ВАХ устройства, свя- заны с переключающими контактами релеч 16 и 17. Выход ИТ 7 непосредственно связан с переключающими контактами реле 16. Функции постоянного формирующего сопротивления данной цепи выполняет рези- стор 18. подключенный в цепь нагрузки между переключающими контактами реле 19 и землей. К вышеупомянутым контактам подключены также источник 20 напряжения, коллектор транзистора 12 цепи РИТ и

переключающий контакт репе 17. Кроме того, переключающие контакты реле 19 служат выходом устройства на нагрузку. Прямые входы ИТ подключены следующим образом: прямой вход ИТ 9 подключен к выходу ИТ 8, прямой вход которого подключен к выходу усилителя 7, прямой вход которого подключен к земле. Представленная на фиг. 1 схема коммутации позволяет подключать выход ИТ 7 к выходу устройства на нагрузку при верхнем положении переключающего контакта реле 16 и (17) и нижнем положении переключающих контактов 19, выход ИТ 8 - к выходу устройства на нагрузку при верхнем положении переключающего контакта рег.а 17 и нижнем положении переключающих контактов реле 16 и 19, выход ИТ 9 - к выходу устройства на нагрузку при нижнем положении переключающих контактов всех реле. Кроме того, при верхнем положении переключающих контактов реле 19 в цепь нагрузки подключается РИТ 10.

Управление реле осуществляется через ключевые элементы 21-23 компараторами 24-26, выходы которых через ограничительные резисторы 27-29 соединены с базами соответствующих эл.ектронных ключей. Компараторы сравнивают напряжения в цепи нагрузки, а именно значения напряжения на резисторе 18, коллекторе транзистора 12 и опорные значения напряжений переключения, формируемые соответствующими вычитателями 30-32, и в случае соответствующего неравенства входных напряжений управляют ключами 21-23. При закрытых ключах в йсхо дном состоянии (нагрузка отключена) переключатели реле 16 и 17 находятся в верхнем положении, а пе- реключатели реле 19 - в нижнем положе- .нии. Взаимосвязь описываемых элементов можно рассмотреть на следующем примере. В случае превышения напряжения, падающего на резисторе 18, аналогичной величины на выходе вычитателя 32 компаратор (25) открываеттранзисторный ключ 22. При этом переключатель реле 17 устанавливается в нижнее положение.

Входы вычитателей 32-33 подключены соответственно к выходу ИТ 9 и выходу ИТ 8. Входы вычитателя 30 подключены к выходу ИТ 9 и эмиттеру транзистора 12. Вход блока 31 масштабирования подключен к выходу ЦАП 6.

В общем случае количество цепей источников тока, задающих число аппроксимирующих прямых, а соответственно и количество компараторов, вычитателей. реле и других известных элементов, не ограничивается и выбирается в соответствии с

желаемой точностью устройства. В описываемом примере количество таких цепей равно трем. По их сравнительным экспериментам при аппроксимации конкретной кривой ВАХ солнечной батареи производства фирмы Шарп при стандартных внешних воздействиях характеристики напряжения и силы тока практически совпадают, однако разница в величине максимальной мощности составляет около 4,6%. Целью изобретения не является увеличение точности модели, поэтому рассматривают аппроксимацию ВАХ электрогенератора четырьмя отрезками, один из которых формируется цепью РИТ, а три других - тремя цепями источников тока с постоянными формирующими сопротивлениями соответственно.

Предлагаемая схема устройства для моделирования генератора постоянного тока позволяет аппроксимировать произвольную невозрастающую функцию ВАХ электрогенератора четырьмя отрезками прямых (фиг. 2). Положение наклонных аппроксимирующих прямых а, Ь, с задается значением ЭДС источников Е 1-Ез и последовательного сопротивления п-гз соответствующей цепи. Положение горизонтальной аппроксимирующей прямой d задается значением тока РИТ в диапазоне напряжений 0 U S

п 1И-Т ьи максФормирование аппроксимирующих прямых схемой устройства происходит D следующем порядке.

Аппроксимирующая прямая а формируется ИТ 7 и последовательно включенным с нагрузкой сопротивлением 18-Ri. Очевидно, что при этом на выходе источника значение напряжения равно EL величина сопротивления RI равна значению п (фиг. 2).

Аппроксимирующая прямая b формируется последовательно включенными ИТ 7 и 8 и последовательно включенными с нагрузкой и друг с другом сопротивлениями 18 - Ri и 14 - R2. На выходе источника 18 значение напряжения 1)Вых2 равно Е2, при этом соответствующий усилитель усиливает значение входного напряжения (напряжения на прямом входе) на величину E2-Ei, a величина сопротивления R2 равна значению .

Аппроксимирующая прямая с формируется последовательно включенными ИТ 7-9 и последовательно включенными с нагрузкой и друг с другом сопротивлениями 18 - RI и 15 - Ra. Очевидно, что при этом усилитель ИТ 9 усиливает входное напряжение (напряжение на прямом входе) на величину

, значение напряжения на его выходе ивыхЗ составляет величину Ез, величина сопротивления Яз равна значению гз-п.

Аппроксимирующая прямая d формируется РИТ 10,

В соответствии с вышеизложенным для Функциональной схемы устройства справедливы следующие соотношения:

UBb,xi Ei:(1)

иВых2-Е2;(2)

Увыхз Ез;(3)

Ri п(4)

R2 r2-n;(5)

.(6)

Так как значения тока в описанных цепях ИТ являются величинами переменными, задаваемыми извне в определенной возможностями схемы ограничивающей области, а значения сопротивлений в этих цепях

являются величинами постоянными, определяемыми номиналами резисторов 14, 15 и 18, то описываемое устройство может осуществлять параллельный перенос аппроксимирующих прямых в ограничивающей

области.

Слежение за положением рабочей точки на ВАХ модели для формирования необходимой аппроксимирующей прямой осуществляется схемно, при помощи вычитаталей,

блока масштабирования и компараторов. Так как аппроксимируемые прямые ВАХ электрогенераторов являются выпуклыми, то последовательность аппроксимирования этих кривых отрезками прямых линий по

мере движения рабочей точки от положения холостого хода до положения короткого замыкания или наоборот строго определена. Так, при уменьшении сопротивления нагрузки от со до О ВАХ электрогенератора

моделируется последовательно отрезками прямых а, Ь, с, d; при увеличении сопротивления нагрузки эта последовательность обратная. Точки переключения, определяемые пересечением аппроксимирующих прямых

обозначим буквами В, С, D. Следовательно, при увеличении нагрузки в точке В необходимо производить переключение с аппроксимирующей прямой а на прямую Ь, в точке С - переключение с аппроксимирующей прямой Ь на прямую с, е точке D - переключение с аппроксимирующей прямой с на прямую d.

Функции, реализуемые вычитателями 30, 32 и 33 и масштабным блоком 31,

полученные по значениям координат точек переключения В, С, D, представляют собой для вычитателя 33, задающего точку переключения В, выходное напряжение

UB

Ei

R2

(ивых2-ивых1);

для вычитателя 32, задающего точку переключения С, выходное напряжение

Uc р R1P (ивых3-ивых2);(8)

Кз - К2

для масштабного блока 31, задающего точку переключения D при переключении работы устройства с прямой d на прямую с, выходное напряжение

0)

где К - коэффициент преобразования регулируемого источника тока; для вычитателя 30. задающего точку D при переключении работы устройства с прямой с на прямую d, выходное напряжение

URHT(10)

U1D {Rill6U3n,

Ел-Квыхз + -/3

RUT

где Е4 - напряжение источника 20 напряжения, формирующееся непосредственно в вычитателе 30;

Рит - значение сопротивления резистора 13;

URHT - падение напряжения на резисторе 13.

Устройство, моделирующее генератор постоянного тока, работает следующим образом.

По заданию пользователя, либо по сигналам датчиков внешних метеорологических воздействий (в случае проведения натурных экспериментов) УВК 1 по заданному типу моделируемого электрогенератора рассчитывает оптимальное положение аппроксимирующих прямых, обеспечивающих минимальную ошибку аппроксимации моделируемой кривой. На своем выходном регистре УВК выставляет цифровой код в соответствии с рассчитанными значениями EL (E2-Ei), (Ез-Е2). Id- Цап 3-6 преобразуют цифровой код в аналоговый сигнал, поступающий на входы ИТ 7-9 и ИПТ 10. На выходе ИТ 7 образуется напряжение EI, на выходе ИТ 8 - напряжение Е2. на выходе ИТ 9 - напряжение Ез, на базе транзистора 12 - напряжение, задающее ток Id РИТ 10. На выходах арифметических устройств 30-33 образуются опорные напряжения в соответствии с выражениями (7), (8), (9) и (10). При отключенной нагрузке (RH) °° переключатели реле 16 и 17 находятся в верхнем положении, переключатель реле 19 - в нижнем положении, модель работает в точке А ВАХ. Рассмотрим действие модели при уменьшении сопротивления нагрузки. От состояния холостого хода (положение в точке А) ток и напряжение на нагрузке меняются в соответствии с прямой а ВАХ. При достижении

точки В происходят превышение падения напряжения на резисторе 18 опорного напряжения на выходе вычитателя 33 и появление напряжения на выходе компаратора

5 26, переключающий контакт реле 16 приводится в нижнее положение, Далее зависимость между током и напряжением на нагрузке осуществляется по прямой Ь. При достижении точки С происходит превыше10 ние значения падения напряжения на резисторе 18 в цепи нагрузки опорного напряжения на выходе вычитателя 32. На выходе компаратора 25 появляется напряжение, открывающее транзисторный ключ

15 22, переключающий контакт реле 17 приводится в нижнее положение.

Далее зависимость между током и напряжением на нагрузке осуществляется по прямой с. При достижении точки D происхо20 дит превышение значения падения напряжения на резисторе 18 в цепи нагрузки опорного напряжения на выходе блока масштабирования 31. На выходе компаратора 24 появляется напряжение, открывающее

25 транзисторный ключ 21, переключающий контакт реле 19 приводится в верхнее положение. Далее зависимость между током и напряжением на нагрузке до точки Е (короткое замыкание)осуществляется по пря30 мой d.

При уменьшении нагрузки в точке D происходит превышение напряжения на коллекторе транзистора 12 опорного напряжения на выходе вычитателя 30, транзи35 сторный ключ 21 по сигналу от компаратора 24 закрывается, переключающий контакт реле 19 переводится в нижнее положение. Переключение реле в точках С и В происходит в обратном порядке.

40 Технико-экономическая эффективность модели электрогенератора обеспечивается за счет ее универсальности. По сравнению с прототипом стоимость предлагаемого устройства выше. Но если устройство прототипа

45 позволяет моделировать единственную ВАХ выбранного электрогенератора, то предлагаемое устройство позволяет моделировать задаваемый ряд ВАХ различных электрогенераторов. Так, при проведении исследова50 ний произвольных энергосистем с моделированием различных электрогенераторов, либо проведении натурных экспериментов при реальных внешних воздействиях, где требуется моделирова55 ние множества ВАХ, в случае применения модели прототипа, потребуется соответственно такое же множество моделирующих устройств, что сделает систему очень дорогой. В случае применения изобретения потребуется только одно моделирующее

устройство, что является соответственно более дешевым вариантом

Формула изобретения Устройство для моделирования генератора постоянного тока на возобновляемых источниках энергии, содержащее три компаратора, три реле, делитель напряжения, источник постоянного напряжения, отрицательный вывод которого подключен к шине нулевого потенциала, а положительный вывод- к первому замыкающему контакту первого реле, первый размыкающий контакт которого соединен с подвижнымГконтактом второго реле, размыкающий контакт которого соединен с подвижным контактом третьего реле, первые входы первого, второго и третьего компараторов объединены и подключены к первому выводу делителя напряжения, второй вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет воспроизведения невозрастающих вольт-амперных характеристик генераторов, в него введены три источника тока, регулируемый источник тока, три вычитателя, блок масштабирования, три ограничительных резистора, три ключевых элемента, два преобразователя тока в напряжение, причем инвертирующие входы первого, второго и третьего источников тбка являются первым, вторым и третьим входами задания опорных напряжений устройства соответственно, неинвертирующий вход первого источника тока подключен к шине нулевого потенциала, выход первого источника тока подключен к размыкающему контакту третьего реле, первому вкоду первого вычитателя и неинвертирующему входу второго источника тока, выход которого через первый преобразователь тока в напряжение

подключен к замыкающему контакту третьего реле, второму входу первого вычитателя, первому входу второго вычитателя и неинвертирующему входу третьего источника тока, выход которого через второй преобразователь тока в напряжение подключен к замыкающему контакту второго реле, второму входу второго вычитателя и первому входу третьего вычитателя, второй

вход которого соединен с неинвертирующим выходом регулируемого источника тока, вход управления регулируемого источника тока является четвертым входом задания опорного напряжения устройства и

подключен к входу блока масштабирования, выходы первого и второго вычитателей соединены с вторыми входами первого и второго компараторов соответственно, выход первого компаратора через первый ограничительный резистор соединен с входом первого ключевого элемента, выход которого соединен с обмоткой третьего реле, выход второго компаратора через второй ограничительный резистор соединен с входом второго ключевого элемента, выход которого подключен к обмотке второго реле, выходы блока масштабирования и третьего вычитателя соединены с вторым и третьим входами третьего компаратора соответственно, инвертирующий выход регулируемого источника тока соединен с вторым замыкающим контактом первого реле и четвертым входом третьего компаратора, выход которого через третий ограничительный резистор подключен к входу третьего ключевого элемента, выход которого соединен с обмоткой первого реле, второй размыкающий контакт которого соединен с первым выводом делителя напряжения, выводы первого и второго подвижных контактов первого реле являются выходами нагрузки устройства.

-3 /J

Редактор А. Лежнина

Фив. 2.

Составитель И. Зайцев

Техред М.МоргенталКорректор О. Кравцова

-3 /J

Изобретение относится к энергетике, а именно к исследованию процессов, протекающих в энергосистемах малой мощности, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии постоянного тока. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет воспроизведения невозрастающих вольт-амперных характеристик генераторов. Для достижения поставленной цели в устройство введены три источника тока, регулируемый источник тока, три вычитателя, блок масштабирования, три ограничительных резистора, три ключевых элемента, два преобразователя тока в напряжение. 2 ил. сл