Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ИЗБЫТОЧНОЙ МОЩНОСТИ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ

Изобретение относится к вторичным источникам электропитания и может быть использовано для питания радиоэлектронной аппаратуры, а также в качестве первичного источника солнечной батареи (СБ).

Известно устройство [1] для регулирования избыточной мощности солнечной батареи путем ее закорачивания на транзисторный ключ, выполненный на параллельно включенных через предохранители транзисторах.

Это устройство, принятое в качестве прототипа, состоящее из параллельно включенных по входу и выходу силовых модулей, содержит в каждом из силовых модулей разделительный диод, катод которого соединен с выходными шинами для подключения емкостного фильтра и нагрузки, силовые транзисторы, коллекторы которых через предохранители соединены с анодом разделительного диода и с клеммой для подключения положительного вывода солнечной батареи, а их эмиттеры связаны с клеммой для подключения отрицательного вывода солнечной батареи и с общей выходной минусовой шиной для подключения нагрузки, конденсатор, включенный параллельно выходным шинам для подключения нагрузки, и общую для всех силовых модулей схему управления транзисторами, включающую усилитель рассогласования, предназначенный для сравнения выходного напряжения нагрузки с опорным напряжением упомянутого усилителя рассогласования, сигнал с выхода которого поступает на широтно-импульсный регулятор, содержащий генератор импульсов, генератор пилообразного напряжения и компаратор, при этом выход генератора импульсов подключен ко входу генератора пилообразного напряжения, выход которого соединен с инвертирующим входом компаратора, неинвертирующий вход которого соединен с выходом усилителя рассогласования, а выход компаратора через предварительный усилитель, предназначенный для принудительного управления силовыми транзисторами, соединен с базами силовых транзисторов.

Указанное устройство, в дальнейшем регулятор тока (РТ), регулирует избыточную мощность СБ путем ее закорачивания на транзисторные ключи в функции выходного напряжения с использованием широтно-импульсной модуляции, т.е. режим 1 (в дальнейшем ШИМ РТ).

Кроме этого, схема управления формирует еще два режима работы ключей:
2-й режим возникает при избытке мощности СБ и ключи открыты (режим КЗ),
3-й режим возникает при недостатке мощности СБ и ключи закрыты (режим трансляции).

На фиг.1 представлена ВАХ устройства при различных режимах работы.

Данные режимы работы необходимы при работе РТ в резервированной централизованной системе электроснабжения (СЭС) со стабилизированной шиной, в которой используются n СБ, РТ, зарядно-разрядных устройств и АБ. При этом рабочая точка СБ всегда жестко фиксирована и находится в точке А (фиг.1 кривая 1), что соответствует экстремальному значению мощности СБ (Р_A), которая выбирается исходя из уровня выходного напряжения СЭС (U_н), падения напряжения в силовых кабелях, падения напряжения в РТ, а также из запаса на деградацию ВАХ СБ в процессе эксплуатации, как по току, так и по напряжению.

Последняя составляющая запаса (по напряжению) может быть исключена при использовании экстремальных регуляторов, поддерживающих рабочую точку СБ в точке экстремума, которая в процессе эксплуатации деградирует (кривая 2 с точкой экстремума Б на фиг.1).

На фиг.2 представлена схема силового модуля прототипа с резервированными транзисторами, которая с помощью схемы управления реализует три, указанные выше, режима работы:
1-й режим - ШИМ-РТ,
2-й режим - режим короткого замыкания,
3-й режим - режим трансляции напряжения СБ.

При этом рабочая точка СБ всегда находится в точке А на фиг.1, кривая 1, а мощность будет соответствовать Р_A=P_opt.

При деградации СБ экстремум мощности будет находиться в точке Б на фиг. 1, кривая 2 (Р_Б=Р_opt.).

При этом в СЭС со стабильной силовой шиной рабочая точка деградированной СБ будет соответствовать точке В на фиг.1, кривая 2, а мощность, отдаваемая СБ, будет определять текущий баланс мощности потребления системой СЭС (Р_н), которая будет соответствовать точке В и равна Р_н=Р_В, но т.к. Р_В<Р_Б, то потери мощности от недоиспользования СБ составят ΔP = P_Б-P_В.
К недостаткам прототипа следует отнести необходимость использования экстрематоров в каждом силовом модуле устройства, которое входит в состав резервированной СЭС, что приводит к увеличению габаритов и веса СЭС, снижению ее надежности и дополнительным финансовым затратам на изготовление экстрематоров.

Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемого устройства, является расширение функциональных возможностей устройства за счет применения организации отбора максимальной мощности от СБ без экстрематора путем включения между СБ и шинами нагрузки вольтодобавочного устройства, получающего энергию от самой СБ и регулирующего напряжение вольтодобавки дискретно.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для регулирования избыточной мощности СБ, содержащее разделительный диод, катод которого соединен с первым выводом конденсатора, а анод соединен с первым выводом предохранителя и с клеммой для подключения положительного вывода солнечной батареи, силовые транзисторы, эмиттеры которых соединены с клеммой для подключения отрицательного вывода солнечной батареи и с общей выходной минусовой шиной для подключения нагрузки, к которой подключен второй вывод указанного конденсатора, а также положительную выходную шину для подключения нагрузки, схему управления транзисторами, включающую первый усилитель рассогласования, предназначенный для сравнения выходного напряжения нагрузки с опорным напряжением упомянутого усилителя рассогласования, широтно-импульсный регулятор, содержащий генератор импульсов, генератор пилообразного напряжения и первый компаратор, при этом выход генератора импульсов подключен ко входу генератора пилообразного напряжения, выход которого соединен с инвертирующим входом первого компаратора, неинвертирующий вход которого соединен с выходом первого усилителя рассогласования, а также первый предварительный усилитель, предназначенный для принудительного управления силовыми транзисторами, дополнительно введены силовой трансформатор, первый и второй выпрямительные диоды, дроссель, вольтодобавочный конденсатор, первый и второй резистивные делители, а в схему управления введены датчик напряжения, формирователь опорных напряжений, второй компаратор, фазорасщепитель, состоящий из счетного триггера, первого и второго трехвходовых элементов И-НЕ, третий и четвертый двухвходовые элементы И-НЕ и второй предварительный усилитель, при этом конец первой и начало второй первичных обмоток силового трансформатора соединены между собой и со вторым выводом предохранителя, а начало первой и конец второй первичной обмотки указанного трансформатора соединены с коллекторами первого и второго силовых транзисторов соответственно, конец первой и начало второй вторичных обмоток силового трансформатора соединены между собой и подключены к катоду разделительного диода и первому выводу конденсатора, а также соединены с первыми выводами вольтодобавочного конденсатора и первого резистивного делителя, второй вывод которого соединен с общей минусовой шиной для подключения нагрузки, начало первой и конец второй вторичных обмоток силового трансформатора соединены с анодами первого и второго выпрямительных диодов соответственно, а катоды указанных диодов соединены между собой и подключены к первому выводу дросселя, второй вывод которого соединен с положительной выходной шиной для подключения нагрузки, к которой подключен второй вывод вольтодобавочного конденсатора и первый вывод второго резистивного делителя, второй вывод которого соединен с общей минусовой шиной для подключения нагрузки, при этом средние точки первого и второго резистивных делителей подключены ко входу датчика напряжения, выход которого соединен с инвертирующим входом второго усилителя рассогласования, неинвертирующий вход которого соединен с выходом формирователя опорных напряжений, вход которого соединен с клеммой для подачи управляющих сигналов "Установка напряжения вольтодобавки", выход второго усилителя рассогласования соединен с неинвертирующим входом второго компаратора, инвертирующий вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения широтно-импульсного регулятора, при этом вход синхронизации счетного триггера фазорасщепителя подключен к выходу генератора импульсов широтно-импульсного регулятора, а первый и второй выходы счетного триггера соединены с третьими входами первого и второго элементов И-НЕ соответственно, вторые входы первого и второго элементов И-НЕ подключены к клемме для подачи управляющего сигнала "Включение вольтодобавки", а первые входы первого и второго элемента И-НЕ соединены с выходом второго компаратора, при этом выходы первого и второго элементов И-НЕ соединены с первыми входами третьего и четвертого элементов И-НЕ соответственно, а вторые входы третьего и четвертого элементов И-НЕ подключены к выходу первого компаратора широтно-импульсного регулятора, при этом сигналы с выходов третьего и четвертого элементов И-НЕ соответственно через первый и второй предварительные усилители, предназначенные для принудительного управления силовыми транзисторами, поступают на базы первого и второго силового транзисторов.

На фиг.3 приведена упрощенная схема предлагаемого устройства, поясняющая принцип его работы в составе СЭС при закрытых транзисторах VT1 и VT2, т.е. при работе РТ в режиме 3 (трансляция), где ВД - введенное в РТ вольтодобавочное устройство, включенное между выходом прототипа на фиг.2 и шинами для подключения нагрузки. Пренебрегая падением напряжения на разделительном диоде ВД, можно записать следующее выражение для U_cб, исходя из того, что напряжение Uн системой СЭС всегда поддерживается стабильным:
U_сб=U_н-U_вд. (1)
Это выражение справедливо для любой СБ как источника тока с ограниченной мощностью и ВАХ, показанной на фиг.1. Из выражения (1) видно, что увеличение напряжения U_вд приводит к снижению напряжения U_сб и позволяет переместить рабочую точку деградированной СБ из точки В в точку Б (фиг.1, кривая 2), что соответствует максимально отдаваемой мощности в систему СЭС, которая возрастет и будет равна Р_н= Р_Б, при этом, теперь уже дополнительная мощность ΔP = P_Б-P_В, полученная в результате применения вольтодобавочного устройства ВД, будет использоваться в СЭС для подзаряда АБ.

Т. о. , можно построить эквивалентную ВАХ СБ, которая будет соответствовать кривой 3 на фиг.1 с рабочей точкой Г, в которой ток будет равен I_Г= P_Б/U_н, a мощность будет равна Р_Г=Р_Б=Р_opt>Р_В.

На фиг. 4 приведена схема силового модуля РТ с вольтодобавочным устройством, из которой видно, что организация вольтодобавочного устройства не требует дополнительного введения силовых транзисторов, поскольку в прототипе для повышения надежности изделия они всегда выполняются резервированными, а энергию для работы вольтодобавочное устройство получает непосредственно от самой СБ и преобразовывает часть мощности СБ в напряжение вольтодобавки U_вд, за счет организации двухтактного режима работы силовых транзисторов VT1 и VT2, подключенных к силовому трансформатору. При этом величину вольтодобавки U_вд можно изменять за счет изменения скважности q при управлении силовыми транзисторами, т.е. реализовать режим ШИМ ВД.

Таким образом, в РТ реализуется четвертый режим работы (режим ВД) и происходит следующее:
1) От деградированной СБ при наличии напряжения вольтодобавки U_вд в режиме ШИМ (при q=1), отбирается ток I_Г, соответствующий оптимальной точке Г на фиг. 1, кривая 3, и напряжение СБ всегда равно U_cб=U_н-U_вд, а Р_Г=Р_Б-Р_вд, где Р_вд - потери в преобразователе вольтодобавки.

2) При закрытых транзисторах VT1 и VT2 (см. фиг.4), в паузе, в режиме ШИМ ВД ток нагрузки I_н=I_сб=I_Б (см. точку Б фиг.1, кривая 2), а напряжение вольтодобавки U_вд поддерживается фильтром L_вд С_вд (см. фиг.5) за счет накопленной энергии.

3) При открытом одном из транзисторов (при 0<q<1, в) от СБ отбирается тот же ток I_сб, соответствующий точке Б на фиг.1, кривая 2, а ток нагрузки I_н уменьшается на величину тока преобразователя вольтодобавки I_вд=I_н•К_тр, (К_тр= W2/W1), так как этот ток используется для заряда С_вд, и равен I_Г на фиг. 1, кривая 2. Следовательно, через диод VD протекает пульсирующий ток, равный ΔI = I_н-I_вд. Эта пульсирующая составляющая тока нагрузки сглаживается конденсатором С (см. фиг.4).

4) При q=0, напряжение вольтодобавки U_вд=0 и при подаче синфазных сигналов в базы силовых транзисторов, регулирование мощности СБ (при ее избытке) будет осуществляться за счет изменения длительности открытого состояния обоих транзисторов и схема РТ становится эквивалентной фиг.2, при этом первичные обмотки трансформатора вольтодобавки будут закорочены транзисторами VT1, VT2 и вольтодобавочное устройство не оказывает влияния на работу РТ.

5) При дискретной установке величины вольтодобавки U_вд и несанкционированном частичном отключении нагрузки возможно увеличение выходного напряжения U_рт>U_н.

Для предотвращения указанного режима в устройстве реализован пятый режим работы ШИМ РТ + ШИМ ВД, т.е. первый и четвертый режим одновременно, при котором в любых нештатных ситуациях U_н будет всегда стабильным на шинах для подключения нагрузки и АБ.

6) С учетом того, что потери на введение ВД не превышают 2% от P_opt=Р_Б в деградированной СБ, то предлагаемый способ отбора мощности от СБ позволяет существенно повысить эффективность использования СБ в СЭС.

На фиг.5 представлена схема устройства регулирования избыточной мощности с вольтодобавочным устройством, на фиг.6 представлены временные диаграммы, поясняющие работу вольтодобавочного устройства в режиме трансляции при деградированной СБ.

На фиг.7 представлены временные диаграммы работы устройства с вольтодобавкой в режиме ШИМ РТ + ШИМ ВД.

Устройство содержит клеммы для подключения солнечной батареи (СБ) 1, отрицательный вывод которой подключен к общей минусовой шине устройства, силовые транзисторы 2 и 6, коллекторы которых соединены с первичными обмотками силового трансформатора 3 и 5 соответственно, а их эммитеры подключены к общей минусовой шине, предохранитель 4, включенный между плюсовой шиной СБ и общей точкой соединения обмоток 3 и 5 силового трансформатора, разделительный диод 7, анод которого подключен к плюсовой шине СБ, а катод - к общей точке соединения вторичных обмоток 11 и 12 силового трансформатора, другие выводы которых соединены с анодами выпрямительных диодов 13 и 14 соответственно, соединенные вместе катоды диодов 13 и 14 подключены к первому выводу дросселя 16, а его второй вывод соединен с плюсовой выходной шиной для подключения нагрузки, вольтодобавочный конденсатор 15, включенный между общей точкой соединения обмоток 11, 12 и плюсовой выходной шиной, конденсатор 8 и первый резистивный делитель из резисторов 9, 10, подключенный между катодом разделительного диода 7 и общей минусовой шиной, второй резистивный делитель из резисторов 17, 18, подключенный между выходными шинами устройства, к которым подключена нагрузка 19.

Схема управления содержит первый усилитель рассогласования 20, подключенный к положительной шине устройства и предназначенный для сравнения выходного, напряжения нагрузки с опорным напряжением упомянутого усилителя рассогласования, широтно-импульсный регулятор 21, в который входят генератор импульсов 22 (ГИ), генератор пилообразного напряжения 23 (ГПН) и первый компаратор 24, на инвертирующий вход которого поступает пилообразное напряжение с ГПН 23, а на неинвертирующий вход поступает напряжение с усилителя рассогласования 20, при этом выход первого компаратора 24 соединен со вторыми входами элементов И-НЕ 31 и 32, входы датчика напряжения (ДН) 25 подключены к средним точкам первого (9, 10) и второго (17, 18) резистивных делителей, а его выход - к инвертирующему входу второго усилителя рассогласования 27, неинвертирующий вход которого подключен к выходу формирователя опорных напряжений 26, на вход которого подается команда "Установка U-ВД". Выход второго усилителя рассогласования 27 соединен с неинвертирующим входом второго компаратора 28, инвертирующий вход которого соединен с выходом ГПН 23. Фазорасщепитель 29 состоит из триггера 30 и элементов И-НЕ 31, 32, при этом на синхровход триггера 30 поступают импульсы с ГИ 22, а выходы триггера 30 соединены с третьими входами элементов И-НЕ 31, 32, первые входы которых соединены с выходом второго компаратора 28, а вторые входы элементов И-НЕ 31, 32 подключены к клемме, через которую в устройство подается команда "Вкл. ВД".

Первые входы элементов И-НЕ 33, 34 соединены с выходами элементов И-НЕ 31, 32 соответственно, а вторые входы соединены с выходом первого компаратора 24. Выходы элементов И-НЕ 33, 34 через предварительные усилители 35 и 36 соединены с базами силовых транзисторов 6 и 2 соответственно.

Устройство работает следующим образом. При недостатке мощности у деградированной СБ РТ работает в режиме 3 (трансляция) и рабочая точка СБ находится в точке В на фиг.1, кривая 2. При этом силовые транзисторы закрыты, т. к. U_н на входе первого усилителя рассогласования 20 будет несколько ниже опорного напряжения указанного усилителя, и на его выходе установится сигнал с положительным уровнем напряжения, превышающим амплитуду пилообразного напряжения, которое вырабатывается генератором пилообразного напряжения (ГПН) 23 (см.фиг.6 в) из импульсной последовательности, которую формирует генератор импульсов (ГИ) 22 (см.фиг.6 б), и на выходе первого компаратора 24 установится сигнал с положительным логическим уровнем "1", который поступит на вторые выходы элементов И-НЕ 33, 34, тем самым разрешая прохождение сигналов управления на силовые транзисторы с ШИМ ВД, которое осуществляется командой вольтодобавочного устройства. Включение устройства в режим ШИМ ВД осуществляется командой Вкл. ВД с логическим уровнем "1" (см.фиг.6 а), которая поступает на вторые входы элементов И-НЕ 31, 32 фазорасщепителя 29, при этом на третьих входах указанных элементов 31, 32 всегда присутствуют импульсы, сдвинутые по фазе и поступающие с выхода триггера 30 фазорасщепителя 29 (см. фиг.6 г, д), которые формируются из импульсов ГИ 22 (см.фиг.6 б).

В исходном состоянии, когда команда Вкл. ВД установлена, а на входе формирователя опорных напряжений (ФОН) 26 отсутствует команда "Установка U-ВД", на выходе второго компаратора 28 присутствует напряжение с уровнем логического нуля "0", который через первые входы элементов И-НЕ 31, 32 установит на первых входах элементов И-НЕ 33, 34 сигнал с уровнем логической "1", и, в связи с тем, что на вторых входах И-НЕ 33, 34 установлено напряжение, равное "1", с первого компаратора 24, сигнал с уровнем логического нуля "0" с выходов И-НЕ 33, 34 через предварительные усилители 35, 36 поступит на базы силовых транзисторов 6 и 2, удерживая их в закрытом состоянии.

При появлении импульса управления "Установка U-ВД" на входе ФОН 26, на его выходе сформируется опорное напряжение, соответствующее установке 1-го уровня напряжения U-ВД, которое, совместно с напряжением ГПН (см.фиг.6 в) сформирует на выходе второго компаратора 28 импульсы ШИМ ВД (фиг.6 ж), эти импульсы с помощью фазорасщепителя 29 через элементы И-НЕ 33, 34 и предварительные усилители 35, 36 поступят на базы силовых транзисторов 6 и 2, которые начнут работать в двухтактном режиме (см. фиг.6 и к, л, м), вследствие чего на вторичных обмотках 11, 12 силового трансформатора появится напряжение, которое через выпрямительные диоды 13, 14 и дроссель 16 зарядит вольтодобавочный конденсатор 15.

Напряжение со средних точек первого 9, 10 и второго 17, 18 резистивных делителей, представляющих собой напряжение обратной связи, через датчик напряжения 25 поступает на инвертирующий вход второго усилителя рассогласования 27 и, тем самым, поддерживает напряжение Uвд стабильным.

Т. о. , с приходом очередного импульса команды "Установка U-ВД" можно, увеличивая напряжение вольтодобавки, смещать рабочую точку СБ из точки В (см. фиг.1, кривая 2) в точку Б, в которой мощность СБ будет иметь экстремальное значение.

При превышении выходного напряжения РТ выше значения Uн одновременно с режимом ШИМ РТ реализуется режим ШИМ ВД, так как начинает работать широтно-импульсный регулятор 21, напряжение на инвертирующем входе первого усилителя рассогласования 20 U_н станет несколько выше опорного напряжения указанного усилителя, за счет чего на выходе первого компаратора 24 появляются импульсы (см. фиг.7 в, е), длительность которых, изменяясь в функции выходного напряжения РТ, стабилизирует его с использованием широтно-импульсной модуляции.

Т. о., реализуется 1-й режим работы РТ (ШИМ РТ), при котором на базы силовых транзисторов поступают синфазные сигналы управления U_бэ1 и U_бэ2 (см. фиг. 7 и, к), в результате чего происходит регулирование избыточной мощности СБ путем ее закорачивания на силовые транзисторные ключи 2, 6.

Указанные режимы ШИМ РТ и ШИМ ВД реализуются совместно, но не оказывают влияние друг на друга за счет того, что импульсы управления, поступающие на транзисторы 2 и 6, сдвинуты по фазе на полупериод. Например, когда осуществляется двухтактный режим работы преобразователя вольтодобавки в момент t1 на фиг. 7 и, к, л, м, открыт транзистор 2, а транзистор 6 закрыт, поэтому силовой трансформатор намагничивается, допустим, в прямом направлении.

В следующий полупериод (в момент t2-t4 на фиг.7 и-м) широтно-импульсный регулятор 21 вырабатывает синфазные импульсы управления транзисторами 2 и 6, поэтому они закорачивают СБ. В момент t5-t6 откроется транзистор 6, перемагничивая силовой трансформатор вольтодобавки в обратном направлении. А в течение следующего полупериода в момент t7-t8 широтно-импульсный регулятор 21 вырабатывает синфазные сигналы, открывающие транзисторы 2 и 6, закорачивая СБ. Поскольку ШИМ РТ (синфазное управление транзисторами 2, 6) всегда превалирует над режимом ШИМ ВД, транзисторы работают в двухтактном режиме, и в этом случае выходное напряжение РТ U_н будет всегда оставаться стабильным.

Предлагаемое изобретение позволяет организовать отбор максимальной мощности от деградированной солнечной батареи (СБ) без применения специальных экстрематоров путем введения в устройство для регулирования избыточной мощности СБ вольтодобавочного устройства, которое получает энергию от самой СБ, и за счет дискретного изменения напряжения вольтодобавки, а также позволяет перемещать рабочую точку СБ в область максимально отдаваемой мощности, что существенно повышает эффективность использования солнечной батареи.

Источники информации
1. РТ-50 по ЕИГА.435264.001-03.