Устройство для моделирования генератора постоянного тока на возобновляемых источниках энергии

 

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

(19) (1 t) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sr>s G 06 G 7/62

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4846094/24 (22) 05.06.90 (46) 30.07.92. Бюл. М 28 (71) Краснодарский политехнический институт (72) B.C.Ñèìàíêoâ. И.B.Çaéöåâ, Т.Т.Зангиев, П.Е.Сельманов и А.А.Бердикян (73) Научно-исследовательская лаборатория .

"Альтэн-Символ" при Краснбдарском политехничес::ом институте Международного научно-технического центра отделения Всемирной лаборатории СССР (56) Osterwald СЯ, Translation of бег!се

performance measurements со referense, conditions//Solar Cells. 1986, 18, й. 3-4, р.

279-296.

0senbrink Н„Krebs К, The IRC multlIntenslty — simulator forcnergy-rating веазUrements//18th lEEE Photovol talc Spec

Conf., Las Vegas-Nev-0ct 21-25 — 1985, р.

979-980.

Исобо С. и др. Мнемоническая схема и регулятор максимальной мощности солнечных батарей. — Когакуин дайгаку кэнкю хококу, 1984, ¹ 56, с, 81 — 86 (N. перевода

П вЂ” 50790).

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). (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА НА

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКАХ

ЭНЕРГИИ (57) Изобретение относится к энергетике, а именно к исследованию процессов, протекающих в энергосистемах малой мощности, использующих нетрадицион ные возобновляемые источники энергии постоянного тока. Цель изобретения — расширение функциональных возможностей за счет воспроизведения невозрастающих вольт-амперных характеристйк 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.

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

Известен ряд схем и методов исследований энергосистем с нетрадиционными возобновляемыми источниками энергии, использующих непосредственно исследуемые источники энергии. Для приведения их ха1752196 рактериСтик к интересующим чаще всего стандартным внешним воздействиям используют либо коэффициенты пересчета, либо имитаторы внешних воздействий, Данные решения вызывают необходимость использованйя дорогостоящих источников энергии и имитаторов внешних воздействий, что не всегда целесообразно, особенно йри йсследований комбинированных энергосистем в лабораторных условиях.

Наиболее близким к предлагаемому является моделирующее устройство, которое моделирует вольт-амперную характе-ристику (BAX) электрогенератора-методом кусочно-линейной аппроксимации при работе с электрической нагрузкой. Это устройство содержит четыре цепи источника напряжения, три из которых используются непосредственно для формирования аппроксимирующих прямых, а один черезделлтели используется для формирования стандартных напряжений переключения работы схемы с одной аппроксимйрующей прямой на другую. Для моделирования ВАХ электрогенератора вблизи точки короткого замыкания аппроксимирующей прямой =

=1„,„ при 0 U a Uva используется цепь источника постоянного тока (ИПТ). Данное устройство также содержит постоянные формирующие сопротивления, использующие для формирования необходимого наклона прямых ВАХ, три коммутационных устройства, подключающих электрическую нагрузку к соответствующему источнику напряжения; три компаратора, управляющих работой коммутационных устройств в зави- симости 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 электро генератора, известное устройство позволяет моделировать только определенные электрогенераторы при определенных внешних воздействиях, а-имейно панель солнечной батареи S-247A производства фйрмы "Шарп" при стандартных значениях инсоляЦии и температуры, Достаточно час то при исследованиях, особенно в условиях лаборатории, йроцессов, протекающих в энергосистемах с электрогенераторами различных типов, при проведении натурных экспериментов (при реальных внешних условиях) с использованием модели возникает необходимость"моделировать различные

BAX электрогенераторов, что описанная схема не позволяет сделать, Различил ВАХ электрогенераторов при проведении описывэемых 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, солнеч(ВЭА) зависит от диаметра и формы ветроколеса, типа генератора, величин скорости ветра и плотности воздуха.

Целью изобретения является создайие моделирующего устройства, которое позволяет моделировать невозрастающие ВАХ различных типов Электрогенераторов постоянйого тока (фотоэлектрических генераторов, ВЭА и др.) при различных внешних

20 воздействиях методом кусочно-линейной аппроксимации, Реализация данной цепи позволяет расширить возможности исследования энергосистем с применением моделируемых электрогенераторов

Для дости>кения пбставленной цепи в моделирующее устройство дополнительно вводятся три источника тока (ИТ), регулируемый источник тока (РИТ), три вычитателя, 30 блок масшатибирования, три ограничительных резистора, три ключевых элемента. два преобразователя тока в напряжение. При этом общая схема устройства следующая, Инвертирующие входы усилителей первого, 35 второго и третьего ИТ являются первым; вторым и третьим входами задания опорных напряжений устройства соответственно.

Неинвертирующий вход первого ИТ подключен к шине нулевого потенциала, Выход первого ИТ подключен к размыкающему

40 контакту третьего реле, первому входу первого вычитателя и неинвертирующему входу второго ИТ. Его выход через первый преобразователь тока в напря>кение подключен к замь кающему контакту третьего реле, второму входу первого вычитателя, первому входу второго вычитателл и неинвертирующему входу третьего ИТ, Его выход через второй греобразователь тока в напряжение подключен к замыкающему контакту третьего реле, к второму входу первого вычитате "ля, 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 второt.o вычитателя и первому входу третьего вычитателя, Его второй вход соединен с неинвертирующим выходом РИТ, а вход управления РИТ является четвертым входом

10 ной радиации на поверхность солнечной батареи. ВАХ ветроэлектрического агрегата

1752196 при произвольных внешних воздействиях.

Устройство для моделирования генера- 35 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 через усилители постоянного тока, и состоящий из операционного усилителя 11, транзистора

12, постоянного сопротивления 13, включенного между эмиттером транзистора и землей, РИТ 10, поддерживающий постоян- 45 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- 50 заны с переключающими контактами реле, 16 и 17. Выход ИТ 7 непосредственно связан с переключающими контактами реле 16.

Функции постоянного формирующего сопротивления данной цепи выполняет рези- 55 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 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 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

30 переключающий контакт реле 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 реле 17 и нижнем положении переключающих контактов реле 16 и 19, выход NT 9- к выходу устройства на нагрузку при нижнем положении переключающих контактов всех реле, Кроме того. при верхнем положении переключающих контактов реле 19 t цепь нагрузки подключается РИТ

10.

Управление реле осуществляется через ключевые элементы 21-23 компараторами

24-26, выходы которйх через ограничительные резисторы 27 — 29 соединены" с базами соответствующих элeêòðîííûõ ключей.

Компараторы сравнивают напряжения в цепи нагрузки, а именно значения напряже- ния на резисторе 18, коллекторе транзистора 12 и опорные значения напряжений переключения, формируемые соответствующими вычитателями 30 — 32, и в случае соответствующего-неравенства входн йх напряжений управляют ключами 21-23, При закрытых ключах в йсходнбм сОстоянии (нагрузка отключена) переключатели реле 1 6 и 17 находятся в верхнем положении, а переключатели 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 s 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.

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

1752196

20

40

50 желаемой точностью устройства. В описываемом примере количество таких цепей равно трем. По их сравнительным экспериментам при аппроксимации конкретной кривой BAX 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;4. Целью изобретения не является увеличение точности модели, поэтому рассматривают аппроксимацию BAX электрогенератора четырьмя отрезками, один из которых формируется 1 цепью РИТ, а три других — тремя цепями источников тока с постоянными формирующими сопротивлениями соответствечно.

Предлагаемая схема устройства для моделирования генератора постоянного тока позволяет аппроксимировать произвольную невозрастающую функцию BAX электрогенератора четырьмя отрезками прямых (фиг. 2). Положение наклонных аппроксимирующих прямых а, b, с задается значением 2

ЭДС источников Е1-Ез и последовательного сопротивления r1-rç соответствующей цепи. Положение горизонтальной аппроксимирующей прямой d задается значением тока РИТ в диапазоне напряжений 0 < U ил

Формирование аппроксимирующих прямых схемой устройства пройсходит в 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 08ых1 равно Е), величина сопротивления R> равна значению r> (фиг. 2).

Аппроксимирующая прямая b формируется последовательно включенными ИТ 7 и

8 и последовательно включенными с нагрузкой и друг с другом сопротивлениями 18—

R1 и 14 — Rz, На выходе источника 18 значение напряжения 4мхг равно Ег, при этом соответствующий усилитель усиливает зна-. чение входного напряжения (напряжения на прямом входе) .на величину Ez-Е1. а величина сопротивления Rz равна значению rz-r>.

Аппроксимирующая прямая с формируется последовательно включенными ИТ 7-9 и последовательно включенными с нагрузкой и друг с другом сопротивлениямй 18—

R> и 15 — Вз. Очевидно, что при этом усилитель ИТ 9 усиливает входное напряжение (напряжение на прямом входе) на величину

Ез-Ег, значение напряжения íà его выходе

U><>z составляет величину Ез, величина сопротивления йз равна значению гз — rt.

Аппроксимирующая прямая d формируется РИТ 10, В соответствии с вышеизложенным для функциональной схемы устройства справедливы следующие соотношения: живых! = Е1. (1)

U,,„„z=- Ег: (2)

0выхз = Ез; (3)

Rl = rl (4)

R2 = гг-г1. (5)

Вз = гз-ri. (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 поло>кения холостого хода до положения корот. ого ",àмыкания или наоборот строго определена.

Так, при уменьшении сопротивления нагрузки от сс до 0 BAX 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 вЂ” переключение с аппроксимирующей прямой Ь на прямую с, в точке О— 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, О, представляют собой для вычитателя 33, задающего точку переключения В, выходное напряжение

1752196

ОВ (Овых2 Овых1) (7)

R1 2 для вычитателя 32, задающего точку переключения С, выходное напряжение

R1 5

Uc =,1 < -(Овыхз — Овых2); (8) З 2 для масштабного блока 31, задающего тоЧку переключения D при переключении работы устройства с прямой d нэ прямую с, выход - . ное напряжение

U о = — R1Uo ", (9)

k .где К вЂ” коэффициент преобразования регупируемого источника тока; для вычитателя 30, задающего точку D npu переключении работы устройства с прямой с на прямую d, выходное напряжение п - гз

U D = E4 — Овыхэ+ — Обит (10) ит где E4 — напряжение истОчника 20 напряже- 20 ния, формирующееся непосредственно в вычитателе 30;

R т — значение сопротивления резистора 1.3, Олит — падение напряжения на резисто- 25 ре 13,.

Устройство, моделирующее генератор постоянного тока, работает следующим образом.

По заданию пользователя, либо по сигналам датчиков внешних метеорологичеких воздействий (в случае проведения натурных экспериментов) УВК 1 по заданному типу моделируемого электрогенератора рассчитывает оптимальное положение апп- 35 роксимирующих прямых, обеспечивающих минимальную ошибку аппроксимации моделируемой кривой. На своем выходном регистре УВК выставляет цифровой код в соответствии с рассчитанными значениями 40

Е1. (Ег-Е 1), (Ез-Ег), 4. Цап 3-6 преобразуют цифровой код в аналоговый сигнал, поступающий на входы ИТ 7-9 и ИПТ 10. На выходе ИТ 7 образуется напряжение Е1, на выходе ИТ 8- напряжение Ег, на выходе ИТ 45

9 — напряжение Ез, на базе транзистора 12 — напряжение, задающее ток fg РИТ 10. На выходах арифметических устройств 30-33 образуются опорные напряжения в соответствии с выражениями (7), (8), (9) и (10). При 50 отключенной нагрузке (R ) = со переключатели реле 16 и 17 находятся в верхнем положении, переключатель реле 19 — в нижнем положении, модель работает в точке А BAX.

Рассмотрим действие модели при уменьше- 55 нии сопротивления нагрузки. От состояния холостого хода (положение в точке А) ток и напряжение на нагрузке меняются н соответствии с прямой а BAX. При достижении точки В происходят превышение падения напряжения на резисторе 18 опорного напряжения на выходе вычитатепя 33 и полн пение напряжения на выходе компаратора

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

22, переключаю ций контакт реле 17 приводится н нижнее положение. . Далее зависимость между током и напряжением на нагрузке осуществляется по прямой с, При достижении точки D происходит превышение значения падения напряжения на резисторе 18 в цепи нагрузки опорного нэпряжейия на выходе блока масштабирования 31. На выходе компараторэ

24 появляется напряжение, открывающее транзисторный ключ 21, переключающий контакт реле 19 приводится н верхнее положение, Далее зависимость между током и напряжением на нагрузке до точки Е (хороткое замыкание) осуществляется по пряMoA cI.

При уменьшении нагрузки н точке D происходит превышение напряжения на коллекторе транзистора 12 опорного напряжения на выходе вычитатепя 30, транзисторный ключ 21 по сигналу от компаратора

24 закрывается, переключающий контакт оеле 19 переводится в нижнее положение.

Переключение реле в точках С и В происходит н обратном порядке.

Технико-экономическая эффективность модели электрогенератора обеспечивается эа счет ее универсальности. По сравнению с прототипом стоимость предлагаемого устройства ныйе. Но если устройство прототипа позволяет моделировать единственную BAX выбранного электрогенератора, то предлагаем6е устройство позволяет моделйро вать задаваемый ряд BAX различных электрогенераторов. Так, при проведении исследований произвольных энергосистем с моделированием. различных электрогенераторов, либо проведении натурных экспериментон при реальных внешних воздействиях, где требуется моделирование 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

1752196

12 устройство, что является соответственно бо- подключен к замыкающему контакту третьлее дешевым вариантом, его реле, второму входу первого вычитателя, первому входу второго вычитателя и

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я неинвертирующему входу третьего источУстройство для моделирования генера- 5 ника тока, выход которого через второй тора постоянного тока на возобновляемйх преобразователь тока в напряжение подисточнйках энергий; содержащее три ком- ключен к замыкающему контакту второго

ròàðàòoðà, три реле, делитель напряжения, реле, второму входу второго вычитателя и источник постоянного напряжения, отрица- первому входу третьего вычитателя, второй тельный вывод которого подключен к шине 10 вход которого соединен с неинвертируюнулевого потенциала, а положительный вы- щим выходом регулируемого источника товод- к первомузамыкающему контакту пер- ка, вход управления регулируемого ного реле, первйй размыкающий контакт источника тока является четвертым входом когорого соединен с подвижным контактом . задания orlopHoro напряжения устройства и второго реле, размыкающий контакт кото- 15 подключен к входу блока масштабирования,. рого соединен с подвижным контактом выходы первого и второго вычитателей соетретьего реле, первые входы первого, вто- динены с вторыми входами первого и второрого и третьего компараторов обьедйнены и го компараторов соответственно, выход подключены к первому выводу делителя на- первого компаратора через первый ограни. -пряжения,второйвыводкоторогосоединен 20 чительный реэйстор соединен с входом с шиной нулевого потенциала, о т л и ч а ю- первого ключевого элемента, выход котощ е е с я тем, что, с целью расширения рого соединен с обмоткой третьего реле, функциональных возможностей за счет вос- выход второго компаратора через второй. произведения невоэрастающих вольт-ам- ограничительный резистор соединен с вхо-.

- перных харэктерйстик генераторов, в него 25 дом второго ключевого элемента, выход ко введены три источника тока, регулируе- торого подключен к обмотке второго реле,.

-.1- - . мый исто1ник тока, три вйчйтателя, блок выходы блока масштабирования и третьего масштабирования, три ограничительных вычитателя соединены с вторым и третьим резистора, три ключевых элемента, два входами. третьего компаратора соответстпреобразователя тока в напряжение, при- 30 венно, инвертирующий выход регулируемочеминвертирующиевходы первого, второ- го источника тока соединен с вторым гь и третьего источников тока "являются . замыкающим контактом первого реле и первым, вторым и третьим входами задания четвертым входом третьего компаратора, опорныхнапряженийустройства соответст-: . выход которого через третий ограничивенно, неинвертирующий вход первого ис- 35 тельный резистор подключен к входу точйика тоха подключен к шине нулевого третьего ключевого элемента, выход котопотенциала, выход первого источника тока рого соединен с обмоткой первого реле, подключен к размыкающему контакту . второйразмыкающийконтакткоторогосотретьего реле, первому входу первого вычи- единен с первым выводом делителя напрятателя и неинвертирующему входу второго 40 жения, выводы первого и второго источника тока, выход которого через пер- подвижных контактов первого реле являвый преобразователь тока в напряжение ются выходами нагрузки устройства.

175219 G

Qua. 2

Составитель И. Зайцев

Редактор А. Лежнина Техред M.Moðråíòàë Корректор О. Кравцова

Заказ 2699 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-.35, Раушскаая наб,, 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101