Способ питания нагрузки от солнечной батареи

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в преобразователях постоянного тока с нелинейными параметрами в альтернативных источниках энергии. Технический результат - повышение количества энергии, отбираемой от солнечной батареи, В способе питания нагрузки от солнечной батареи использован преобразователь повышающего типа, в котором коммутацию ключевых элементов осуществляют синхронизирующим и управляющим сигналами, измеряют выходную характеристику преобразователя и формируют управляющий сигнал, эквивалентный коэффициенту заполнения силового ключа. 2 ил.

 

Заявляемое техническое решение относится к автоматическому управлению и предназначено для обеспечения отбора максимальной мощности от солнечной батареи. Описанный способ может найти широкое применение в преобразователях постоянного тока с нелинейными параметрами. В качестве источника таких преобразователей могут использоваться альтернативные источники энергии, например солнечные батареи.

Известны преобразователи повышающего типа, содержащие дроссель, ключевой элемент, диод и конденсатор фильтра, в которых при замкнутом ключевом элементе ток от источника питания протекает через дроссель, запасая в нем энергию, диод при этом блокирует нагрузку и конденсатор фильтра от ключевого элемента, ток в нагрузку в этот промежуток времени поступает только от конденсатора фильтра, далее, когда ключевой элемент закрывается, ЭДС самоиндукции дросселя суммируется с входным напряжением источника питания и энергия тока дросселя отдается в нагрузку и конденсатор фильтра [1].

Известные способы регулирования выходного напряжения таких преобразователей основаны на коммутации ключевого элемента с коэффициентом заполнения, эквивалентным управляющему сигналу D, равному разнице между выходным напряжением преобразователя и напряжением задания. Для формирования управляющего сигнала известны способы управления, основанные на поиске локального максимума [2].

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ питания нагрузки от солнечной батареи, заключающийся в том, что используют преобразователь повышающего типа, в котором коммутацию ключевых элементов осуществляют синхронизирующим и управляющим сигналами, измеряют выходной ток преобразователя и ток источника питания, формируют сигнал ошибки x равным разнице между выходным сигналом и сигналом задания, отличающийся тем, что формируют сигнал развертки Y_p пропорциональным разнице пилообразного сигнала с амплитудой, равной сигналу тока источника питания, и сигнала, равного выходному току преобразователя, при этом коммутацию ключевых элементов осуществляют в соответствии с законом управления вида

где x=U_вых-U_оп - сигнал ошибки, U_вых - выходной сигнал; U_оп - сигнал задания; k_m - коэффициент передачи сигнала развертки; t_p=T{t/T} - временная координата для формирования сигнала развертки; t_k - момент коммутации ключевого элемента, определяемый наименьшим по модулю отрицательным корнем уравнения F=0 при управлении модуляцией переднего фронта импульса тока источника питания и наименьшим положительным корнем уравнения F=0 при управлении модуляцией заднего фронта импульса тока источника питания [3].

Недостаток известного способа заключается в том, что он не осуществляет работу системы в точке максимальной мощности при изменяющихся условиях эксплуатации преобразователя и не может определить момент достижения регулятором точки максимальной мощности. Вместо этого регулятор формирует управляющий сигнал в соответствии с выбранным напряжением задания. Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.

Задача предлагаемого изобретения состоит в повышении количества энергии, отбираемой от солнечной батареи.

Технический результат состоит в поддержании работы системы в точке максимальной мощности, а также снижении потерь, возникающих в преобразователе при колебании рабочей точки системы вокруг точки максимальной мощности.

Технический результат достигается тем, что в способе питания нагрузки от солнечной батареи используют преобразователь повышающего типа, в котором коммутацию ключевых элементов осуществляют синхронизирующим и управляющим сигналами, измеряют мгновенную выходную мощность преобразователя и формируют управляющий сигнал D, эквивалентный коэффициенту заполнения силового ключа в соответствии с законом управления вида:

где

D^-1 - амплитуда управляющего сигнала в предыдущий момент времени;

ΔD - шаг амплитуды управляющего сигнала;

ΔР - изменение мгновенной мощности за рабочий период.

εР - относительная величина диапазона нечувствительности.

Р - мгновенное значение мощности на выходе преобразователя;

ε - коэффициент, характеризующий величину диапазона нечувствительности.

На чертеже (фиг.1) представлена функциональная схема системы преобразования, реализующей предлагаемый способ управления. Система, выполненная согласно предложенному способу управления, содержит источник питания (солнечную батарею) 1, повышающий преобразователь 2, описанный в известном способе регулирования, блок управления 3, формирующий управляющий сигнал D. Выходная шина источника питания 1 соединена с входом преобразователя 2. Преобразователь 2 содержит дроссель, ключевой элемент, диод, конденсатор фильтра, а также блок широтно-импульсной модуляции, на вход которого поступает сигнал D, формируемый блоком управления 3. Напряжение с выхода преобразователя подается на нагрузку. Данные о мгновенной мощности передаются в блок управления 3 для формирования управляющего сигнала согласно полученным данным.

Пример осуществления предлагаемого способа управления представлен на фиг.2. Система работает во одном из двух режимов: "режиме повышения сигнала "или "режиме понижения сигнала". Вначале управляющий сигнал D имеет начальное значение D₀, а система находится в одном из режимов. Затем управляющий сигнал D изменяют на небольшое значение: D=D+AD. Затем после задержки ts, определяемой частотой дискретизации, измеряют изменение мощности ΔР, обусловленное изменением положения рабочей точки системы. Если изменение мощности положительное, тогда изменения напряжения в том же направлении будут сдвигать рабочую точку ближе к точке максимальной мощности и выбранный режим не изменяется. Как только изменение напряжения приводит к снижению мощности (ΔР<0), система изменяет выбранный режим. В случае, когда изменения в мощности незначительны (ΔР<εР), изменения сигнала не происходит и система остается в равновесии, до изменения внешних параметров, таким образом обеспечивается устойчивость системы в точке максимальной мощности. При превышении порогового значения εР возобновляется поиск новой точки максимальной мощности.

Таким образом, предложенный способ управления позволяет обеспечить работу преобразователя в точке максимальной мощности при изменяющихся параметрах эксплуатации и отсутствии колебаний в выбранной окрестности точки максимальной мощности, обеспечивая устойчивость установившегося режима.

Анализ аналогов показывает, что предлагаемое решение соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень», а моделирование процесса подтверждает его промышленную применимость.

Список литературы

[1] Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов. М.: Солон-Р., 2001.

[2] М.Е. Ropp D.P. Hohm. Comparative study of maximum power point tracking algorithms. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2003.

[3] СПОСОБ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ ОТ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ. Патент на изобретение №2279705, G05F 1/613, опубл. 10.07.2006.

Способ питания нагрузки от солнечной батареи, заключающийся в том, что используют преобразователь повышающего типа, в котором коммутацию ключевых элементов осуществляют синхронизирующим и управляющим сигналами, измеряют выходную характеристику преобразователя и формируют управляющий сигнал, отличающийся тем, что измеряют мгновенную выходную мощность преобразователя и формируют управляющий сигнал D, эквивалентный коэффициенту заполнения силового ключа в соответствии с законом управления вида:
$$D=D^{-1}+\Delta D;\text{ (6)}$$
$$\Delta D=\{\begin{array}{cc}-\Delta D,& \Delta P<\epsilon P\\ \Delta D,& \Delta P\ge \epsilon P\end{array},\text{ (7)}$$
где
D^-1 - амплитуда управляющего сигнала в предыдущий момент времени;
ΔD - шаг амплитуды управляющего сигнала;
ΔР - изменение мгновенной мощности за рабочий период;
εP - относительная величина диапазона нечувствительности.
$$\epsilon P=P\cdot \epsilon \text{ (8)}$$
Р - мгновенное значение мощности на выходе преобразователя;
ε - коэффициент, характеризующий величину диапазона нечувствительности.