Экстремальный регулятор мощности солнечной батареи

 

Устройство может быть использовано для управления силовыми преобразователями энергии в системах электропитания (СЭП) космических аппаратов с солнечной батареей (СБ) в качестве первичного источника. Предлагаемый экстремальный регулятор мощности (ЭРМ) осуществляет шаговый поиск напряжения СБ, при котором она генерирует максимальную мощность и соответствующим образом воздействует на силовые преобразователи СЭП с целью поддержания напряжения СБ в этой точке. Для измерения мощности СБ дополнительно введен второй реверсивный счетчик, на тактовый вход которого поступают импульсы частотой, пропорциональной току СБ в течение отрезка времени, пропорционального напряжению СБ, причем в течение одного цикла происходят два измерения мощности СБ: до и после смещения рабочей точки ВАХ СБ при разных направлениях счета второго реверсивного счетчика. Для определения знака изменения мощности СБ используется выход переноса этого счетчика. Для формирования импульсов частотой, пропорциональной току СБ, применяется преобразователь напряжение - частота, а для получения отрезков времени с длительностью, пропорциональной напряжению СБ, - компаратор и формирователь пилообразного напряжения. Предлагаемое устройство при сохранении цифрового способа обработки информации о мощности СБ существенно проще известных аналогов. В нем отсутствуют аналого-цифровые преобразователи, регистры и цифровой компаратор для хранения и сравнения информации о мощности СБ, а также многоразрядные линии связи. 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления силовыми преобразователями энергии в системах электропитания (СЭП) космических аппаратов с солнечной батареей (СБ) в качестве первичного источника.

СБ характеризуется существенной зависимостью генерируемой мощности от напряжения. Максимальная эффективность функционирования СЭП космических аппаратов достигается при напряжении на СБ, близком к оптимальному (U_{СБ опт}), во всех режимах эксплуатации СЭП, в которых она должна генерировать максимальную мощность. Естественным условием экстремального регулирования мощности СБ является отделение силовых шин СБ от стабильной шины питания бортовых потребителей и от шины буферного накопителя - аккумуляторной батареи (АБ) силовыми преобразующими устройствами. При этом в состав СЭП вводятся дополнительные устройства, так называемые экстремальные регуляторы мощности (ЭРМ), служащие для определения рабочей точки, в которой энергия, генерируемая СБ, максимальна, и соответствующим образом воздействующие на силовые преобразователи СЭП с целью поддержания напряжения СБ в этой точке. На входы ЭРМ поступает напряжение с датчиков тока и напряжения СБ, а напряжение на выходе ЭРМ соответствует значению напряжения, которое необходимо поддерживать на шине СБ силовыми преобразующими устройствами СЭП [1].

ЭРМ использует известный в математике шаговый способ поиска экстремума. Алгоритм работы ЭРМ при этом состоит в следующем: - вычисляется и запоминается значение мощности генерируемой СБ; - ЭРМ, воздействуя на силовые преобразующие устройства СЭП, изменяет (увеличивая либо уменьшая) напряжение СБ на некоторое значение; - вычисляется значение мощности, генерируемой СБ при измененном напряжении; - сравниваются запомненное и вновь вычисленное значения мощности СБ.

Если в результате изменения напряжения СБ ее мощность возросла, то на следующем цикле (шаге) работы ЭРМ изменение напряжения СБ производится в прежнем направлении, если, наоборот, уменьшилась - меняется на противоположное.

Известен ЭРМ СБ в аналого-цифровом исполнении, содержащий датчик мощности СБ, построенный на основе двух логарифмических и одного антилогарифмического усилителя, емкостный накопитель для запоминания измеренного значения мощности СБ, компаратор для сравнения текущего и запомненного значений мощности СБ, генератор и счетчик-распределитель, синхронизирующие работу устройства, реверсивный счетчик и цифроаналоговый преобразователь, формирующие на выходе устройства сигнал управления для силовых преобразующих устройств СЭП [2].

Данное устройство имеет невысокую точность определения U_{СБ опт} из-за наличия аналоговых устройств определения, хранения и сравнения значений мощности СБ.

Наиболее близким к заявленному является ЭРМ, в котором хранение и сравнение информации о мощности СБ производится в цифровом виде (фиг. 1) [2].

На фиг. 1 обозначено: 1 - масштабирующий усилитель; 2 - первый аналого-цифровой преобразователь; 3 - первый цифроаналоговый преобразователь; 4 - второй аналого-цифровой преобразователь; 5, 6 - регистры;
7 - цифровой компаратор;
8 - генератор тактовых импульсов;
9 - счетчик-распределитель;
10 - логический элемент ИЛИ;
11 - логический элемент И;
12 - триггер;
13 - реверсивный счетчик;
14 - второй цифроаналоговый преобразователь.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение, пропорциональное току СБ I_СБ, поступает на масштабирующий усилитель 1, после чего преобразуется в цифровой вид аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 2 и подается на цифровые входы N цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 3. Напряжение СБ U_СБ поступает на вход опорного напряжения ЦАП 3, включенного по схеме умножающего ЦАП. Таким образом, аналоговое значение напряжения на выходе ЦАП 3 пропорционально текущему значению мощности СБ (P_СБ = I_СБ•U_СБ).

На выходе АЦП 4 формируется n-разрядный цифровой код, соответствующий значению мощности, потребляемой от СБ в данный момент.

Генератор тактовых импульсов 8 и счетчик-распределитель 9 синхронизируют работу устройства.

По тактовому импульсу с выхода 3 счетчика-распределителя 9 указанный код "запоминается" в регистрах 5 и 6.

По тактовому импульсу с выхода 4 счетчика-распределителя 9 изменяется цифровой код Q1-Qm на выходе реверсивного счетчика 13 и, соответственно, напряжение на выходе второго ЦАП 14, то есть на выходе устройства.

При изменении напряжения на выходе ЭРМ силовые преобразователи СЭП начинают стабилизировать другое значение напряжения СБ, несколько отличающееся от предыдущего.

После изменения положения рабочей точки цифровой код, соответствующий новому значению мощности, потребляемой от СБ в данный момент, записывается в регистр 5 (по сигналу с выхода 7 счетчика-распределителя) и сравнивается цифровым компаратором 7 с предыдущим, хранящимся в регистре 6. Появление на выходе А<В цифрового компаратора 7 логической "1" означает снижение мощности СВ в результате шагового смещения положения рабочей точки СБ. В этом случае сигнал с выхода 8 счетчика-распределителя 9 проходит через логический элемент И 11 на вход триггера 12 и перебрасывает его, тем самым изменяя направление счета реверсивного счетчика 13.

Если, например, до этого времени цифровой код и выходное напряжение ЭРМ увеличивались, то следующий импульс с выхода 4 счетчика-распределителя 9 приведет к их уменьшению. Соответственно следующее смещение положения рабочей точки СБ произойдет в другом направлении.

В случае, если в результате смещения положения рабочей точки произошло увеличение мощности СБ (или если она осталась неизменной), направление счета не изменится, поскольку на выходе А<В цифрового компаратора будет уровень логического "0", запрещающий прохождение импульса с выхода 8 счетчика-распределителя 9 через логический элемент И 11. Так происходит шаговый поиск напряжения СБ, при котором она генерирует максимальную мощность.

Недостатком данного устройства является его сложность, обусловленная наличием двух аналого-цифровых и одного цифроаналогового преобразователя, предназначенных для измерения мощности СБ и преобразования ее значения в цифровой код, двух регистров и цифрового компаратора, осуществляющих запоминание, хранение и сравнение цифровых кодов, а также большим количеством внутренних линий связи в устройстве вследствие необходимости оперировать с многоразрядными цифровыми значениями мощности СБ (для обеспечения приемлемой точности количество разрядов n АЦП 2 и 4 должно быть не менее восьми).

Предлагаемое изобретение решает задачу упрощения устройства и уменьшения количества внутренних линий связи.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве вместо аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей для измерения мощности СБ используется дополнительно введенный второй реверсивный счетчик, на тактовый вход которого поступают импульсы с частотой, пропорциональной току СБ, в течение отрезка времени, пропорционального напряжению СБ, причем в течение одного рабочего цикла происходит два измерения мощности СБ: до и после смещения рабочей точки при разных направлениях счета второго реверсивного счетчика. Для определения знака изменения мощности СБ используется выход переноса этого счетчика.

Таким образом, из устройства, кроме двух аналого-цифровых и одного цифроаналогового преобразователя, исключены оба регистра для хранения информации о мощности СБ, цифровой компаратор, а также многоразрядные линии связи.

Для формирования импульсов частотой, пропорциональной току СБ, используется преобразователь "напряжение-частота", а для получения отрезков времени длительностью, пропорциональной напряжению СБ, - компаратор и формирователь пилообразного напряжения.

Для управления вторым реверсивным счетчиком в устройство введены второй логический элемент И и RS-триггер, предназначенный для изменения направления счета счетчика.

На фиг. 2 приведена структурно-функциональная схема предлагаемого устройства на фиг. 3 - пример его практической реализации, а на фиг. 4 - временные диаграммы работы устройства.

На фиг. 2 обозначено:
1 - масштабирующий усилитель;
8 - генератор тактовых импульсов;
9 - счетчик-распределитель;
10 - логический элемент ИЛИ;
11 - первый логический элемент И;
12 - триггер;
13 - первый реверсивный счетчик;
14 - цифроаналоговый преобразователь;
15 - преобразователь "напряжение-частота";
16 - второй логический элемент И;
17 - второй реверсивный счетчик;
18 - формирователь пилообразного напряжения;
19 - компаратор;
20 - RS-триггер.

Устройство работает следующим образом.

На входы устройства поступают напряжение СБ (U_СБ) и напряжение, пропорциональное току СБ (I_СБ). Напряжение, пропорциональное току СБ, подается через масштабирующий усилитель 1 на вход преобразователя "напряжение-частота" 15, на выходе которого формируются импульсы частотой f=к₁•I_СБ, где к₁ - коэффициент пропорциональности (эпюра f на фиг. 4), поступающие на первый вход логического элемента И 16.

Генератор тактовых импульсов 8 вырабатывает импульсы частотой f_Т (фиг. 4), поступающие на вход C счетчика-распределителя 9 и формирователь пилообразного напряжения 18. Напряжение пилообразной формы U_п (фиг. 4) поступает на один из входов компаратора 19, а на второй вход поступает напряжение СБ.

Длительность импульсов на выходе компаратора (эпюра К на фиг. 4) пропорциональна значению напряжения СБ:
t_U=к•U_СБ/f_Т•U_п,
где к - коэффициент пропорциональности; U_п - амплитуда пилообразного напряжения.

Поскольку f_Т и U_п постоянные значения, то
t_U=к₂•U_СБ,
где к₂=к/f_Т•U_п - постоянный коэффициент.

На выходе переноса CO (эпюра CO на фиг. 4) второго реверсивного счетчика 17 нормальное напряжение высокого уровня, то есть логическая "1". Оно переключается на низкий уровень (логический "0"), если счет на выходе стал максимальным в режиме сложения (уровень логической "1" на входе установки направления счета "±1") или минимальным в режиме вычитания (уровень логического "0" на входе "±1").

На каждом выходе счетчика-распределителя 9 высокий уровень логической "1" появляется только на период тактового импульса с соответствующим номером N_Т, то есть сначала присутствует импульс на выходе 1, затем на выходе 2 и т. д.

Импульс с выхода 1 (N_Т=1, эпюра V1 на фиг. 4) счетчика-распределителя поступает на вход S RS-триггера и вход установки нуля R второго реверсивного счетчика 17. Счетчик обнуляется и устанавливается в режим сложения (уровень логической "1" на входе установки направления счета "±1", эпюра V2 на фиг. 4).

Импульс с выхода 3 (N_Т=3) счетчика-распределителя 9 поступает через логический элемент ИЛИ 10 на третий вход второго логического элемента И 16 (эпюра V3 на фиг. 4), разрешая прохождение импульсов частотой f в течение длительности t_U на тактовый вход C второго реверсивного счетчика 17 (эпюра _С на фиг. 4), поскольку на выходе переноса CO второго реверсивного счетчика и, следовательно, на четвертом входе второго логического элемента И также уровень логической "1".

Количество импульсов, проходящих на вход второго реверсивного счетчика 17, и, соответственно, цифровой код, устанавливающийся в результате на выходе счетчика, пропорциональны значению мощности СБ:
n_U=f•t_U=к₁•I_СБ• к₂•U_СБ=к₃•P_СБ,
где к₃=к₁•к₂ - коэффициент пропорциональности,
P_СБ=U_СБ•I_СБ - текущее значение мощности СБ.

Импульс с выхода 4 (N_Т=4, эпюра V4 на фиг. 4) счетчика-распределителя 9, поступая на тактовый вход C первого реверсивного счетчика 13, изменяет цифровой код Q1-Qm на его выходе и, соответственно, напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя 14, то есть на выходе устройства.

Силовые преобразующие устройства СЭП начинают стабилизировать новое значение напряжения СБ, несколько отличающееся от предыдущего. Уровень мощности, генерируемой СБ, изменяется.

Новый установившийся уровень тока СБ - I'_СБ; установившийся уровень напряжения СБ - U'_СБ. Частота импульсов на выходе преобразователя, "напряжение-частота" 15 изменяется и становится равной f=к₁•I'_СБ. Длительность импульсов на выходе компаратора 19 также изменяется и становится равной t'_U=к₂•U'_СБ.

По импульсу с выхода 5 (N_Т=5) счетчика-распределителя 9 RS-триггер 20 устанавливает второй реверсивный счетчик 17 в режим вычитания (уровень логического "0" на входе "±1").

Импульс с выхода 7 (N_Т=7) счетчика-распределителя 9 через логический элемент ИЛИ 10 подступает на третий вход второго логического элемента И 16, разрешая прохождение импульсов частотой f' в течение длительности t'_U на тактовый вход C второго реверсивного счетчика 17 (поскольку на четвертом входе второго логического элемента И, как и на выходе переноса CO второго реверсивного счетчика, уровень логической "1").

Количество импульсов, проходящих на тактовый вход C счетчика 17, пропорционально новому, изменившемуся значению мощности СБ:
n'_U=к₃•P'_СБ.

Допустим, оно стало меньше. Тогда второй реверсивный счетчик 17 в режиме вычитания не достигнет минимального (нулевого) значения, и на выходе переноса CO у него сохранится уровень логической "1".

Вследствие этого импульс с выхода 8 (N_Т=8, эпюра V5 на фиг. 4) счетчика-распределителя 9 пройдет через первый логический элемент И 11 на вход триггера 12, перебросит его и изменит направление счета первого реверсивного счетчика 13, изменив уровень напряжения на его входе установки направления счета "±1" (эпюра V6 на фиг. 4).

Таким образом, при уменьшении мощности, генерируемой СБ, следующее изменение напряжения СБ по импульсу с выхода 4 счетчика-распределителя 9 будет в другую сторону. То есть, если раньше напряжение СБ было уменьшено, то в следующий раз оно будет увеличено.

Далее цикл работы счетчика-распределителя повторяется.

Импульс с выхода 1 (N_Т=1') обнуляет второй реверсивный счетчик 17 и устанавливает его в режиме сложения.

В течение импульса с выхода 3 (N_Т=3') происходит счет импульсов вторым реверсивным счетчиком 17:
n'_U=к₃•P'_СБ.

Импульс с выхода 4 (N_Т=4') счетчика-распределителя 9 изменяет цифровой код Q1-Qm на выходе первого реверсивного счетчика 13 и, соответственно, напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя 14, то есть на выходе устройства.

Силовые преобразующие устройства СЭП начинают стабилизировать новое значение напряжения СБ, несколько отличающееся от предыдущего. Уровень мощности, генерируемой СБ, изменяется.

Установившийся уровень тока СБ - I''_СБ; новый установившийся уровень напряжения СБ - U''_СБ. Частота импульсов на выходе преобразователя "напряжение-частота" 15 изменяется и становится равной f''=к₁•I''_СБ. Длительность импульсов на выходе компаратора 19 также изменяется и становится равной t''= к₂•U''_СБ.

По импульсу с выхода 5 (N_Т=5') счетчика-распределителя 9 RS-триггер 20 устанавливает второй реверсивный счетчик 17 в режим вычитания (уровень логического "0" на входе "±1").

Импульс с выхода 7 (N_Т=7') счетчика-распределителя 9 через логический элемент ИЛИ 10 поступает на третий вход второго логического элемента И 16, разрешая прохождение импульсов часто той f'' в течение длительности t''_U на тактовый вход второго реверсивного счетчика 17 (поскольку на четвертом входе второго логического элемента И, как и на выходе переноса CO, уровень логической "1").

Количество импульсов, которые могут пройти на вход счетчика, пропорционально новому изменившемуся значению мощности СБ:
n''_U=к₃•P''_СБ.

Допустим она стала больше. Следовательно, n''_U>n'_U. Тогда при достижении в процессе вычитания минимального (нулевого) значения на выходе переноса CO второго реверсивного счетчика 17 появится уровень логического "0". Этот сигнал, поступив на четвертый вход второго логического элемента И 16, запретит прохождение следующих импульсов с выхода преобразователя "напряжение-частота" 15 на тактовый вход реверсивного счетчика 17. Счетчик остановится, на выходе переноса CO сохранится уровень логического "0". Этот уровень не пропустит через первый логический элемент И 11 импульс с выхода 8 (N_Т=8') счетчика-распределителя 9. Направление счета первого реверсивного счетчика 13 не изменится.

Следовательно, если в результате смещения положения рабочей точки на вольт-амперной характеристике СБ произошло увеличение мощности, генерируемой СБ, следующее смещение рабочей точки будет в том же направлении.

Таким образом, экстремальный регулятор мощности осуществляет шаговый поиск напряжения СБ, при котором она генерирует максимальную мощность. Предлагаемое устройство при сохранении цифрового способа обработки информации о мощности СБ существенно проще известного, так как в нем отсутствуют аналого-цифровые преобразователи, регистры для хранения и цифровой компаратор для сравнения сигналов о мощности СБ, а также многоразрядные линии связи.

Источники информации
1. Патент РФ 2101831, H 02 J 7/35, опубл. 10.01.98, БИ N 1, 1998.

2. Варианты построения экстремальных шаговых регуляторов мощности солнечных батарей / Шиняков Ю.А., Гордеев К.Г., Черданцев С.П., Обрусник П.В.// Труды ВНИИЭМ. Электромеханические устройства космических аппаратов. М., 1997, т. 97, с. 83-92.

Формула изобретения

Экстремальный регулятор мощности солнечной батареи, содержащий масштабирующий усилитель, вход которого является первым измерительным входом устройства, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен со входом счетчика-распределителя, четвертый выход которого подключен к тактовому входу первого реверсивного счетчика, третий и седьмой выходы соединены со входом логического элемента ИЛИ, а восьмой выход соединен с первым входом первого логического элемента И, выход которого через триггер связан со входом установки направления счета первого реверсивного счетчика, выходы которого через цифроаналоговый преобразователь соединены с выходом устройства, отличающийся тем, что в него дополнительно введены преобразователь напряжение-частота, второй реверсивный счетчик, формирователь пилообразного напряжения, компаратор, RS-триггер, и второй логический элемент И, причем выход масштабирующего усилителя через преобразователь напряжение - частота связан с первым входом второго логического элемента И, к генератору тактовых импульсов подключен вход формирователя пилообразного напряжения, входом связанного с одним из входов компаратора, второй вход которого является вторым измерительным входом устройства, а выход подключен ко второму входу второго логического элемента И, третий вход которого соединен с выходом логического элемента ИЛИ, а четвертый связан со вторым входом первого логического элемента И и выходом переноса второго реверсивного счетчика, тактовый вход которого подключен к выходу второго логического элемента И, а вход установки нуля соединен с первым выходом счетчика-распределителя, к которому подключен также S-вход RS-триггера, вход R которого соединен с пятым выходом счетчика-распределителя, а выход подключен к входу установки направления счетчика второго реверсивного счетчика.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4