Моделирование имитатора солнечных батарей с каскадным включением импульсного и непрерывного усилителей мощности

Воспроизведение имитаторами динамических характеристик (полной внутренней проводимости) солнечных батарей (БС) возможно только в случае применения непрерывных методов регулирования [1]. Однако при широкодиапазонном регулирования нагрузки мощность рассеивания непрерывного усилителя мощности (НУМ) становится недопустимо большой (рис. 1).

Для уменьшения мощности рассеивания НУМ авторы предлагают использовать каскадное включение импульсного и непрерывного усилителей мощности (рис. 2).

Импульсный стабилизатор напряжения (ИСН) ограничивает мощность рассеивания НУМ путем стабилизации напряжения падения на нем. При этом характеристики ИСН оказывают влияние на статические и динамичес кие характеристики имитатора БС (ИБС). Авторами был проведен анализ взаимодействия импульсного и непрерывного регуляторов имитатора БС. Для этого в пакете MicroCAP 7.1 были разработаны имитационные модели имитатора БС с непрерывным законом управления и с каскадным включением импульсного и непрерывного усилителей мощности (рис. 3).

В схеме моделирования используются следующие PSpice-модели элементов: операционный усилитель К544УД2А (Х1-Х4), транзисторы BD677A (VT1), 2N3725 (VT2), 2SC3284 (VT3), BC309A (VT4-VT14, V16), BC107B (VT15,VT17,VT18).

В соответствии с методикой [1] были рассчитаны корректирующие устройства: КУ1, которое обеспечивает устойчивость стабилизатора тока и имитатора в целом, и КУЗ, обеспечивающее требуемый адмитанс ИБС.

Рис. 1. Графики мощностей имитатора БС:

1 - мощность рассеивания НУМ; 2 - полезная мощность;

3 - потребляемая мощность

• -    построена вольт-амперная характеристика (ВАХ) имитируемой БС и имитатора БС и рассчитана приведенная погрешность воспроизведения ВАХ (рис. 4);

• -    построены графики мощности (см. рис. 1);

• -    построены адмитансные частотные характеристики (АдЧХ) и рассчитаны погрешности их воспроизведения ⁽р^ис- 5);

• -    построены графики переходных процессов при коммутации нагрузки в широком диапазоне (от режима короткого замыкания до холостого хода) (рис. 6).

Приведенная ошибка 8_{пр /} по току рассчитана как отношение абсолютной ошибки воспроизведения А/ к току /_кз короткого замыкания 8_{пр /} = А/ / /_кз.

Максимальная погрешность воспроизведения ВАХ имеет место в режиме холостого хода и не превышает 2,2 % (рис. 4, б), что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к имитаторам БС.

Погрешность воспроизведения АдЧХ имитатора БС непрерывного типа определена по выражению

В процессе моделирования ИБС непрерывного типа были получены следующие результаты:

• 100 %.

5 ( f ) =

^ БС ( f ) — Y «BC ( f ) ^с ( f )

Ф

КЛ

КУ2

ИОН ип гпн

УОС КУ1

Рис. 2. Структурная схема имитатора солнечных батарей с каскадным включением импульсногои непрерывного усилителей мощности: УН1 - усилитель напряжения; КУ1 - корректирующее устройство, обеспечивающее устойчивость стабилизатора тока и имитатора в целом; НУМ - непрерывный усилитель мощности; ИТ - измеритель тока;

Н - нагрузка; КУЗ - корректирующее устройство, обеспечивающее требуемый адмитанс; ФП - функциональный преобразователь; ИОН - источник опорного напряжения; УОС - устройство обратной связи; УН2 - усилитель напряжения; КУ2 - корректирующее устройство, обеспечивающее устойчивость импульсного регулятора напряжения; ГПН - генератор пилообразного напряжения; ИП - источник питания; КЛ - ключевой элемент; Ф- фильтр

Рис. З. Схема моделирования имитатора солнечной батареи с каскадным включением импульсного и непрерывного усилителей мощности (обозначения см. в подрисуночной подписи к рис. 2)

Относительная ошибка §(/) не превышает 4,6 % (рис. 5, б), что обеспечивает заданную точность воспроизведения АдЧХ БС.

Графики переходных процессов (тока нагрузки, напряжения на нагрузке, падения напряжения на НУМ, мощности, рассеиваемой на НУМ) при широкодиапазон ной коммутации нагрузки (рис. 6) показывают, что в режиме короткого замыкания регулирующий элемент рассеивает всю мощность источника питания.

Для ограничения мощности, рассеиваемой на регулирующем элементе при широкодиапазонном регулировании нагрузки, вводится импульсный регулятор мощности.

а

б

Рис. 4. ВАХ ИБС непрерывного типа и погрешность ее воспроизведения: а - ВАХ имитируемой БС и имитатора БС; б - приведенная ошибка по току 5 _пр/

а                                                            б

Рис. 5. АдЧХ ИБС непрерывного типа в двух точках ВАХ и погрешности их воспроизведения: а - АдЧХ ИБС в двух точках ВАХ (51 В, 71 В); б - ошибка воспроизведения АдЧХ ИБС

Ток нагрузки

Ш но о 60-------------------------------;—-

Падение напряжения на НУМ

|зо^|

Е о--------------------------

0.000m                 8.000m

16.000m Время, С 24.000m                   32.000m                   40.000m

Мощность, рассеиваемая на НУМ

£ 2 5001-------------------------------------------------------------т--------------------------------------------------------------т-------------------------------

^2000............ -........i-..............................i-..............................i-..............................i..............................

ё 1 500

|i ooo...............................i..............................i..............................i..............................i..............................

s 500- -

• □ o.OOOm                 8.000m                   16.000m Время, C 24.000m                   32.000m                   40.000m

Рис. 6. Графики переходных процессов при широкодиапазонной коммутации нагрузки

Импульсный стабилизатор напряжения с широтноимпульсной модуляцией (ШИМ) необходим для ограничения мощности, рассеиваемой на непрерывном регулирующем элементе. Он состоит из следующих основных устройств (см. рис. 2): источника опорного напряжения, устойчивой обратной связи, усилителя напряжения УН2, корректирующего устройства КУ2, генератора пилообразного напряжения, источника питания, ключевого элемента фильтра.

В схеме моделирования ИСН (см. рис. 3) используется накопительная индуктивность £15, включенная последовательно с нагрузкой R 17. Для сглаживания пульсаций в нагрузке параллельно ей включен конденсатор фильтра С5. Ключ 51 включен между источником питания Уб и индуктивностью £15. Схема управления включает или выключает ключ в зависимости от значения напряжения на НУМ. При размыкании ключа ток индуктивности протекает через диод D1. Включение в схему этого диода обеспечивает непрерывность тока в индуктивности £ 15и исключает появление опасных выбросов напряжения на ключе в момент коммутации.

Расчет параметров корректирующего устройства КУ2 произведен в предположении, что полюса передаточной функции разомкнутого контура ИСН определяются параметрами £С-фильтра, а инерция остальных устройств ИСН пренебрежительно мала.

В процессе моделирования ИБС с каскадным включением импульсного и непрерывного усилителей мощности были получены следующие результаты:

• -    построены графики мощностей в ИБС (рис.7);

• -    построена ВАХ ИБС и рассчитана погрешность ее воспроизведения (рис. 8);

• -    построены АдЧХ в двух точках ВАХ и рассчитаны погрешности их воспроизведения (рис. 9);

• -    построены графики переходных процессов (тока нагрузки, напряжения на нагрузке, падения напряжения на НУМ, напряжения на выходе ИСП, рассеиваемой на НУМ мощности) при коммутации нагрузки в широком диапазоне при разных напряжениях стабилизации на регулирующем элементе (рис. 10,11).

Рис. 7. Графики мощностей в ИБС с каскадным включением импульсного и непрерывного усилителей мощности: 1 - мощность рассеивания НУМ; 2 - полезная мощность; 3 - потребляемая мощность

Следует отметить, что введение ИСН позволяет существенно ограничить мощность, рассеиваемую на НУМ (см. рис. 7).

Максимальная погрешность приведенной ошибки по току 8_{пр /} не превышает 2,7 % (рис. 8, б), что несколько больше, чем в случае ИБС непрерывного типа.

Рис. 8. ВАХ ИБС каскадного типа и погрешность ее воспроизведения:

а                                                        б

Рис. 9. АдЧХ ИБС каскадного типа в двух точках ВАХ и погрешности их воспроизведения: а - АдЧХ ИБС в двух точках ВАХ (51 В, 71 В); б - ошибка воспроизведения АдЧХ ИБС

Ошибка воспроизведения АдЧХ не превышает 4,6 % (рис. 9, б), что практически совпадает с погрешностью ИБС непрерывного типа.

По результатам моделирования можно сделать следующие выводы:

• -    введение ИСН позволяет существенно ограничить мощность, рассеиваемую на регулирующем элементе;

• -    введение ИСН не ухудшает точность воспроизведения имитатором вольт-амперных характеристик и адми-тансных частотных характеристик БС;

• -    ведение ИСН увеличивает длительность фронта нарастания напряжения на нагрузке при переходе из режима короткого замыкания в режим холостого хода, так как НУМ входит в режим насыщения и длительность переходного процесса определяется быстродействием ИСН;

• -    при увеличении напряжения стабилизации на НУМ уменьшается длительность фронта нарастания напряжения на нагрузке при переходе из режима короткого замыкания в режим холостого хода, но при этом увеличивается средняя мощность рассеивания на НУМ за период.

  

  Рис. 10. Графики переходных процессов при широкодиапазонной коммутации нагрузки и при стабилизации напряжения на регулирующем элементе У = 10 В к.э

  
  
  

  Рис. 11. Графики переходных процессов при широкодиапазонной коммутации нагрузки и при стабилизации напряжения на регулирующем элементе У = 20 В к.э