RU50014U1

RU50014U1 - Устройство имитации вольтамперной характеристики солнечной батареи

Info

Publication number: RU50014U1
Application number: RU2005120575/22U
Authority: RU
Inventors: В.Н. Мишин; Ю.А. Кремзуков
Priority date: 2005-07-01
Filing date: 2005-07-01
Publication date: 2005-12-10

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике, а именно, к устройствам имитации основных технических характеристик солнечной батареи. Может использоваться при проведении автономных и комплексных испытаний энергопреобразующей аппаратуры на базе первичных источников в виде солнечных батарей. Задача полезной модели - создание устройства имитации с более высоким КПД и повышенной точностью воспроизведения ВАХ солнечной батареи. Принцип действия имитатора вольтамперной характеристики солнечной батареи основан на параметрическом формировании ее ВАХ с улучшенными динамическими характеристиками в зоне участка максимального отбора мощности. Устройство имитации вольтамперной характеристики солнечной батареи по данной полезной модели содержит источник постоянного тока и три, параллельно ему подключенных ветви, первая из которых содержит нелинейный блок, образованный параллельно-последовательно включенным диодами с переключателем, управляющим числом диодов в схеме, и переменным резистором; вторая - блок резисторов, включающий переменные резисторы, имитирующие внутреннее сопротивление солнечной батареи; а третья ветвь образована блоком конденсаторов и нагрузкой. Первая из указанных ветвей в устройстве подключена через отсекающий диод. Устройство дополнительно содержит блок дросселей, включенный последовательно на выходе источника постоянного тока, первый блок фильтра, включенный последовательно с диодами нелинейного блока, и второй блок фильтра, включенный параллельно цепи, состоящей из нелинейного блока и первого блока фильтра, а также первые разрядный и зарядный модули и вторые разрядный и зарядный модули, стабилизирующие напряжение на указанных первом и втором блоках фильтров, соответственно, и соединенные с источником постоянного тока, при этом первый блок фильтров соединен с входом диодной цепочки через второй отсекающий диод.

Description

Полезная модель относится к электротехнике, а именно, к устройствам имитации основных технических характеристик солнечной батареи. Может использоваться при проведении автономных и комплексных испытаний энергопреобразующей аппаратуры на базе первичных источников в виде солнечных батарей.

Общей практикой для имитации солнечной батареи является использование источника постоянного тока, и такая практика имеет успех, когда напряжение батареи ограничено эффективной нагрузкой до 0,4 В на одну ячейку. При этих условиях токовый выход может легко программироваться для имитации заданной характеристики батареи. Однако эта процедура не дает адекватного результата, например, на спутниках, использующих регуляторы, работающие в очень широком диапазоне напряжений солнечных батарей. Кроме того, активные системы управления температурой, использующиеся в настоящее время, в частности, требуют более точной имитации вольтамперной характеристики (далее ВАХ) солнечной батареи.

Известны устройства со специальной выходной характеристикой, используемые как имитаторы солнечных батарей (SU 818184, RU 2027217). Эти устройства выполнены на основе преобразовательных ячеек - автономных стабилизаторов тока, соединенных входами с выводами для подключения источника питания, выходы всех ячеек зашунтированы транзисторами и подключены через развязывающие диоды к выводам для подключения нагрузки.

Недостатки указанных устройств обусловлены несовпадением структурной схемы силовой части с эквивалентной схемой реальной солнечной батареи, что приводит к несовпадению статической и динамической ВАХ. Отсутствие участка нелинейного сопряжения тока и напряжения не обеспечивает необходимой точности воспроизведения ВАХ, максимально приближенной к ВАХ реальной солнечной батареи.

Известно также устройство имитации вольтамперной характеристики солнечной батареи по патенту US 3325723, выбранное нами за прототип, как наиболее близкое по схеме построения и достигаемому эффекту. Устройство является эквивалентной схемой одной ячейки солнечной батареи, и состоит из источника постоянного тока, с параллельно подключенными резисторами, имитирующими внутреннее сопротивление солнечной батареи, и переменной емкостью, имитирующей емкость p-n перехода диода. Кроме того, устройство содержит нелинейный блок, подключенный параллельно с указанными резисторами и емкостью, состоящий из параллельно-последовательно включенных диодов и переключателя для управления числом диодов, включенных в цепь. Нелинейный блок в данном устройстве аппроксимирует нелинейный участок ВАХ солнечной батареи. Путем

соответствующего выбора элементов схемы и величин переменных элементов, можно имитировать вольтамперные характеристики с учетом таких факторов как освещенность, температура и ориентация батареи, а также число ячеек в батарее.

Недостатками указанного устройства является большая мощность, рассеиваемая нелинейным блоком (особенно в режиме холостого хода), а также ошибка формирования наклона ВАХ на участке напряжения. Наклон на участке напряжения определяется резистором, имитирующим внутреннее сопротивление солнечной батареи, однако, реально к нему прибавляется дифференциальное сопротивление прямосмещенных диодов нелинейного блока.

Задача полезной модели - создание устройства имитации с более высоким КПД и повышенной точностью воспроизведения ВАХ солнечной батареи.

Техническим результатом полезной модели является учет дифференциального сопротивления прямосмещенных диодов, а также снижение рассеиваемой мощности за счет ее рекуперации и возврата в цепь питания.

Устройство имитации вольтамперной характеристики солнечной батареи по данной полезной модели, так же как и прототип, содержит источник постоянного тока и три, параллельно ему подключенных ветви, первая из которых содержит нелинейный блок, образованный параллельно-последовательно включенными диодами с переключателем, управляющим числом диодов в схеме, и переменным резистором; вторая - блок резисторов, включающий переменные резисторы, имитирующие внутреннее сопротивление солнечной батареи; а третья ветвь образована блоком конденсаторов и нагрузкой. В отличие от прототипа, первая из указанных ветвей подключена через отсекающий диод. Кроме того, устройство дополнительно содержит блок дросселей, включенный последовательно на выходе источника постоянного тока; первый блок фильтра, включенный последовательно с диодами нелинейного блока; и второй блок фильтра, включенный параллельно цепи, состоящей из нелинейного блока и первого блока фильтра; а также первые разрядный и зарядный модули, и вторые разрядный и зарядный модули, стабилизирующие напряжение на указанных первом и втором блоках фильтров, соответственно, и соединенные с источником постоянного тока. При этом, первый блок фильтров соединен с входом диодной цепочки через второй отсекающий диод.

Принцип действия имитатора вольтамперной характеристики солнечной батареи основан на параметрическом формировании ее ВАХ с улучшенными динамическими характеристиками в зоне участка максимального отбора мощности.

Далее принцип действия и отличительные особенности имитатора поясняются с помощью рисунков, на которых представлено:

На Фиг.1 - типичная вольтамперная характеристика солнечной батареи;

На Фиг. 2 - блок-схема устройства имитации ВАХ солнечной батареи по данной полезной модели.

Имитатор обеспечивает формирование двух типов ВАХ:

а) ВАХ, образованная ломаной линией из токового участка (т.е., участка ВАХ со стабилизацией тока, либо с наклоном, близким к стабилизации тока) (участок а на фиг.1), и участка напряжения (т.е., участка ВАХ со стабилизацией напряжения) (участок b на Фиг.1), или «линейная» ВАХ.

б) ВАХ с нелинейным переходом (участок с на Фиг.1), или нелинейная ВАХ.

Устройство имитации ВАХ солнечной батареи состоит из источника постоянного тока 1, в данном примере состоящего из выпрямителя 2, конвертора 3, конверторного фильтра 4 и блока стабилизатора 5. К выходу источника постоянного тока последовательно подключен блок дросселей 6. Параллельно указанному источнику постоянного тока включены нелинейный блок 7, состоящий из диодов 8₁-8_n и переключателя 9, блок резисторов 10, блок конденсаторов 11 и нагрузка 12. Блок резисторов 10 состоит из резистора R_Ш, задающего наклон токового участка (а) ВАХ, и резистора R_П, определяющего наклон участка напряжения (b) ВАХ. Последовательно с нелинейным блоком 7 включен первый блок фильтра 13, а параллельно ветви, состоящей из нелинейного блока 7 и первого блока фильтра 13, включен второй блок фильтра 14. Первый и второй блоки фильтра 13 и 14 содержат конденсаторы большой емкости. Первые разрядный и зарядный модули 15 и 16, включенные между источником постоянного тока 1 и первым блоком фильтра 13 обеспечивают регулирование и стабилизацию напряжения на конденсаторах этого блока фильтра. Вторые разрядный и зарядный модули 17 и 18, включенные между источником постоянного тока 1 и вторым блоком фильтра 14 обеспечивают стабилизацию напряжения на конденсаторах этого блока фильтра. Кроме того, нелинейный блок 7 соединен с выходом второго разрядного модуля 17 через отсекающий диод 19. Блок резисторов 10 подключен к блоку дросселей 5 через развязывающий диод 20 блока диодов 21. Нагрузка 12 также подключена к блоку конденсаторов 11 через развязывающий диод 22 блока диодов 21.

Устройство работает следующим образом:

Напряжение питающей сети, выпрямленное выпрямителем 2 поступает на конвертор 3, представляющий собой высокочастотный преобразователь. С выхода конвертора 3, стабилизированное напряжение через блок фильтра конвертора 4 поступает

на три модуля стабилизатора тока 5, образующих широтно-модулированный трехфазный сдвоенный преобразователь понижающего типа. Далее ток источника постоянного тока поступает на три ветви: ветвь, образованную нелинейным блоком 7 совместно с резистором R_П блока резисторов и первым блоком фильтра 13, ветвь с резистором R_Ш блока резисторов 10, и ветвь, образованную блоком конденсаторов 11 и нагрузкой 12. Величиной резистора R_Ш задается наклон на участке тока (участок a). Резистор Rn задает наклон на участке напряжения (участок b). Конфигурация нелинейного перехода (участок с) между участками напряжения и тока определяется соответствующим набором диодов 8 нелинейного блока 7. При необходимости формирования ВАХ в виде ломаной линии, без нелинейного перехода, диоды 8 нелинейного блока закорачиваются переключателем 9.

Независимо от нагрузки, которая может изменяться от короткого замыкания до холостого хода, выходной ток модулей стабилизатора тока равен предустановленному току 1кз. Изменение тока нагрузки приводит только к параметрическому перераспределению токов между нелинейным блоком 7, шунтирующим резистором R_Ш и собственно нагрузкой 12.

С целью снижения рассеиваемой мощности при формировании вольтамперной характеристики имитатора солнечной батареи и обеспечения возможности плавного регулирования напряжения холостого хода, последовательно с диодами нелинейного блока 7 включены конденсаторы первого блока фильтра 13 большой емкости, а параллельно ветви, состоящей из нелинейного блока 7 и первого блока фильтра 13, включен второй блок фильтра 14. Стабилизацию и регулирование напряжения U₀ на конденсаторах первого блока фильтра 13 осуществляют первые разрядный и зарядный модули 15 и 16. Вторые разрядный и зарядный модули 17 и 18 обеспечивают стабилизацию напряжений 11онэ (Фиг.1) на конденсаторах второго блока фильтра 14. Указанные модули обеспечивают величину напряжения, прикладываемого к нелинейному блоку равную U_0НЭ-U₀+U_VD2, где U_0НЭ - напряжение второго блока фильтра 14, Uo -напряжение первого блока фильтра и U_VD2 - падение напряжения на отсекающем диоде 19. Величина этого напряжения адекватно меняется в функции текущих уставок имитатора солнечной батареи. Разрядные модули 15 и 17 рекуперируют энергию блоков фильтров 13 и 14, соответственно, в источник постоянного тока, в данном примере, в конверторный фильтр 4. Таким образом, чем ближе нагрузка имитатора к холостому ходу, тем ближе сумма токов нелинейного блока 7 и R_Ш к I_КЗ, и тем большая часть энергии возвращается в конверторный фильтр 4, повышая таким образом КПД устройства в целом. Модули 17 и 18 исключают ошибку, вносимую дифференциальным сопротивлением прямосмещенных диодов нелинейного блока 7, тем самым, повышая точность

воспроизведения ВАХ. При работе разрядных модулей 15 и 17 происходит протекание соответствующих начальных рабочих токов разряда. Эти токи компенсируются соответствующими зарядными модулями 16 и 18, токи которых выбраны с небольшим превышением относительно соответствующих начальных разрядных токов. Таким образом, разрядные и зарядные модули отрабатывают наброс и сброс нагрузки имитатора солнечной батареи. Кроме того, данная цепь обеспечивает безопасный режим работы диодов нелинейного блока 7, «откачивая» из него излишки тока.

Claims

Устройство для имитации вольтамперной характеристики (далее ВАХ) солнечной батареи (СБ), содержащее источник постоянного тока и три параллельно ему подключенных ветви, первая из которых содержит нелинейный блок, образованный параллельно-последовательно включенными диодами с переключателем, управляющим числом диодов в схеме, и переменным резистором; вторая ветвь содержит блок резисторов, включающий переменные резисторы, имитирующие внутреннее сопротивление солнечной батареи; третья ветвь образована блоком конденсаторов и нагрузкой; отличающееся тем, что первая из указанных ветвей подключена через отсекающий диод; кроме того, в устройство введены: блок дросселей, включенный последовательно на выходе источника постоянного тока, первый блок фильтра, включенный последовательно с диодами нелинейного блока, и второй блок фильтра, включенный параллельно цепи, состоящей из нелинейного блока и первого блока фильтра, а также первые разрядный и зарядный модули и вторые разрядный и зарядный модули, стабилизирующие напряжение на указанных первом и втором блоках фильтров соответственно, и соединенные с источником постоянного тока, при этом первый блок фильтров соединен с входом диодной цепочки через второй отсекающий диод.