CC BY
43
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.311.6
ЗОННЫЙ ПРИНЦИП УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОПРЕОБРАЗУЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Ю.А. ШИНЯКОВ
Томский университет систем управления и радиоэлектроники
Рассмотрен зонный принцип управления энергопреобразующими устройствами систем электроснабжения (СЭС) автоматических космических аппаратов с последовательными регуляторами мощности солнечных батарей, обеспечивающий автономное функционирование, высокую надежность и живучесть СЭС.
Система электроснабжения автоматических космических аппаратов включает в себя первичные и буферные источники энергии, обладающие различными эксплуатационными характеристиками, энергопреобразующие устройства и блоки автоматики, обеспечивающие коммутацию силовых шин, исполнение команд, контроль параметров и автоматическое изменение режимов функционирования СЭС. В качестве первичных источников энергии наибольшее применение находят солнечные батареи (СБ), а в качестве накопителей энергии для питания бортовой аппаратуры на теневых участках орбиты, при затенениях панелей СБ и при пиковых нагрузках обычно используются аккумуляторные батареи (АБ) [1].
Регулирование потоков энергии в СЭС осуществляется импульсными энергопреобразующими устройствами, которые предназначены обеспечивать заданное качество электропитания на выходных шинах СЭС и оптимальные режимы работы источников энергии в течение всего времени функционирования космического аппарата. Функционально их можно разделить на три основные группы: зарядные устройства (ЗУ), разрядные устройства (РУ) и регуляторы выходного напряжения и напряжения солнечной батареи (РН). Принципиальное различие известных базовых структурных схем СЭС заключается в выборе и использовании принципа регулирования напряжения СБ (параллельного или последовательного). Из сопоставительного энергетического анализа следует, что целесообразность использования параллельного или последовательного РН определяется спецификой назначения объекта, его условиями эксплуатации, а также соотношением параметров циклограмм энергопотребления и графика изменения мощности СБ. На объектах с изменяющимися условиями эксплуатации и резкопеременными графиками нагрузки предпочтительнее использование универсальной параллельно-последовательной структуры СЭС, обеспечивающей возможность экстремального регулирования мощности СБ и имеющей лучшие энергетические показатели [2].
Конкретное схемотехническое исполнение энергопреобразующих устройств каждой группы определяется целевыми функциями и соотношением напряжений СБ, АБ и нагрузки. Функции преобразователей не являются жестко фиксированными и постоянными. В зависимости от текущего состояния системы, внешних воздействий,
© Ю.А. Шиняков
Проблемы энергетики, 2007, № 11-12
изменения внутренних параметров режимы работы преобразователей изменяются -преобразователи переходят из режима стабилизации входного или выходного напряжения в режим регулирования входного или выходного тока (распределения или ограничения токов источников энергии и нагрузки), режим регулирования входной или выходной мощности (оптимизации режимов работы и восстановления характеристик источников энергии, аварийные режимы работы СЭС) [3].
При проектировании и создании систем электроснабжения малых автоматических космических аппаратов с уровнем выходной мощности до 1,0*1,5 кВт («Прогноз», «Гонец» и др.) используется один из наиболее простых вариантов построения СЭС с одной АБ и несекционированной СБ, обеспечивающей возможность экстремального регулирования мощности (ЭРМ) солнечной батареи устройствами ЗУ и РН. Организация требуемой последовательности работы источников энергии и их эффективное использование в таких системах достигается применением зонного принципа регулирования входных и выходных напряжений СЭС, основанного на регулировании напряжения СБ устройствами ЗУ и РН и двухподдиапазонной стабилизации выходного напряжения устройствами РН и РУ, который обеспечивает автономность функционирования и адаптацию СЭС к деградации ее элементов под воздействием эксплуатационных факторов в течение длительного срока активного функционирования [4, 5].
При проектировании и создании более мощных систем (с уровнем выходной мощности до 5*7 кВт) СЭС строятся на основе использования единой СБ и параллельном соединении идентичных энергетических подсистем, содержащих индивидуальные никель-кадмиевые или никель-водородные АБ и зарядноразрядные устройства [6]. Этим достигается повышение надежности, ресурса и автономности функционирования космического аппарата.
При построении СЭС с уровнем выходной мощности более 10 кВт, больших площадях СБ и значительных размерах космического аппарата трудно выполнять требования по идентичным условиям эксплуатации всех секций единой СБ, отсутствию локальных затенений фотопреобразователей элементами конструкции космического аппарата. Это оказывает существенное влияние на ресурс СБ (из-за деградации характеристик), уровень генерируемой мощности и положение оптимальной точки на ВАХ СБ (точки, в которой СБ вырабатывает максимальную в данных условиях мощность). В этом случае целесообразно выполнять СБ в виде нескольких независимых секций и осуществлять экстремальное регулирование мощности каждой секции, что позволяет оптимально использовать имеющуюся площадь СБ и ее конструктивные запасы и строить СЭС на основе параллельного соединения идентичных энергетических подсистем, содержащих наряду с зарядноразрядным устройством и АБ также индивидуальную секцию СБ и блок регулирования ее мощности (рис. 1) [5, 6].
Каждая энергетическая подсистема (ЭПС) представляет собой законченную унифицированную функциональную систему, содержащую секцию СБ, регулятор выходного напряжения и напряжения секции солнечной батареи РН, аккумуляторную батарею АБ, зарядно-разрядное устройство ЗРУ и устройство первичного преобразования параметров УПП, осуществляющее контроль параметров АБ, их первичную обработку и передачу информации в бортовой вычислительный комплекс БВК. Блок выходных шин (БВШ) обеспечивает распределение электроэнергии между бортовыми потребителями, контроль выходных параметров и формирование дистанционных обратных связей для силовых энергопреобразующих устройств. С помощью устройств контроля и
автоматики (УКА) реализуется адаптивное управление СЭС, контроль всех ее элементов и связь с бортовым вычислительным комплексом.
-V* Выход СЭС
Рис. 1. Структурная схема СЭС с энергетическими подсистемами на основе АБ и СБ
Диаграмма разработанного зонного принципа регулирования выходного напряжения (иН), напряжений секций СБ (иСБ1...иСБ^ и управления энергопреобразующими устройствами СЭС, построенной на основе параллельного соединения идентичных энергетических подсистем, приведена на рис. 2.
Диапазон регулирования выходного напряжения иН содержит 2Л^ поддиапазонов регулирования устройствами РН и РУ. В режиме РН (питание нагрузки от СБ) выходное напряжение стабилизируется в диапазоне с более высоким уровнем, а в режиме РУ (разряд АБ) - в диапазоне с низким уровнем. Ширина каждого поддиапазона определяется статической ошибкой регулирования широтно-импульсного модулятора конкретного устройства. Расстояние между поддиапазонами стабилизации выходного напряжения СЭС устройствами РНN и РУN должно гарантировать недопустимость «наложения» поддиапазонов регулирования при максимальных температурных изменениях, деградации опорных элементов широтно-импульсных модуляторов устройств РНN и РУN и воздействии других внешних и внутренних факторов (изменении параметров СБ^ АБN и нагрузки).
Если суммарная мощность, генерируемая всеми секциями СБ, превышает мощность нагрузки (РСБ>РН ) и отключены все зарядные устройства, то рабочие напряжения секций СБ превышают оптимальные значения (иС^>иС^ опт ) и определяются текущим балансом мощности в каждой энергетической подсистеме. Избыток мощности СБ не нужен и не используется.
При включении зарядного устройства в N энергетической подсистеме оно начинает регулировать напряжение N секции солнечной батареи в диапазоне
поиска иСБ опт под управлением от экстремального шагового регулятора. Весь избыточный ток используется для заряда N аккумуляторной батареи. При этом рабочая точка располагается в поддиапазоне регулирования N зарядного устройства.
1*/СБ
И &
зу /Ш///Л
V
V
РН
и Во- 6
Регул и р.
ЗУ,
* & Г© ,
ГО
РН2^
л
/\
РН,
зу>
Смещение поддиапазонов ЗУ и РН в режиме ЭРМ СБ Ж
\
ЗУъ'АШРА
Ч
и
и
ь
л
а
о
2
О
В
X й
Ои 3
Смещение поддиапазона РН2 Уровни 1/н в
при включении заряла АБ режимах РН и РУ
■ №
X
РУ,
Отключение РУ
ь"
№
я
со
о
&
а
ч
м
О
а
г
о
ГО
ев
С
Я
Рис. 2. Диаграмма зонного принципа регулирования иН и иСБ
Если мощность нагрузки больше суммарной мощности всех секций СБ (РН > РСБ), то напряжения секций солнечных батарей начинают понижаться. Зарядные устройства всех энергетических подсистем закрываются. Напряжение на выходе СЭС понижается и в работу включаются разрядные устройства всех энергетических подсистем, стабилизируя выходное напряжение. Регуляторы
напряжений РН переходят из режима регулирования выходного напряжения (при РСБ>РН ) в режим регулирования входного напряжения (напряжения секции СБ). При этом напряжения секций СБ понижаются и рабочие точки на вольт-амперных характеристиках каждой секции СБ смещаются из поддиапазонов регулирования ЗУ в поддиапазоны регулирования РН. Управление положением поддиапазонов регулирования РН в диапазоне поиска иСБ опт обеспечивается экстремальными шаговыми регуляторами [4, 5].
Диаграмма отображает различные режимы функционирования СЭС. Например показано, что смещение поддиапазона регулирования РН2 ниже уровня регулирования выходного напряжения иН всеми устройствами РН1...РНN ведет к прекращению выполнения функции стабилизации выходного напряжения устройством РН2 и обеспечивает возможность использования всей мощности секции СБ2 для заряда АБ2.
Смещение поддиапазона регулирования N разрядного устройства ниже уровня регулирования выходного напряжения иН всеми устройствами РУ1...РУN позволяет при разряде до предельного уровня N аккумуляторной батареи прекратить ее разряд и перевести в режим «ожидания» (заряда - при появлении избытка мощности СБN или разряда - в случае нештатной ситуации). Для сохранения работоспособности бортовых систем в случае длительной потери ориентации космического аппарата и возникновении аварийной ситуации целесообразен запрет работы всех РУ и РН [7]. После восстановления ориентации космического аппарата сначала производится заряд АБ до некоторого значения емкости, а затем СЭС переводится в режим штатного функционирования.
На диаграмме показано синхронное изменение поддиапазонов регулирования ЗУ и РН в процессе поиска экстремума мощности независимо для каждой энергетической подсистемы.
При построении СЭС по более простым структурным схемам диаграмма зонного принципа регулирования иН и иСБ принимает упрощенный вид. Например, при построении СЭС по структурной схеме с единой СБ и энергетическими подсистемами только на основе АБ с зарядно-разрядными устройствами [6], нашедшей широкое применение в автоматических КА, поддиапазоны регулирования РН1...РНN и ЗУ1...ЗУN объединяются в единые поддиапазоны. Логика функционирования СЭС существенно упрощается.
На диаграмме не отображены воздействия на поддиапазоны регулирования устройств РН, ЗУ, РУ в режимах токоограничения в самих энергопреобразующих устройствах и токораспределения между источниками энергии (АБ и секциями СБ). Они формируются от дополнительных контуров регулирования и направлены на понижение или повышение поддиапазонов.
Разработанный зонный принцип управления энергопреобразующими устройствами систем электроснабжения с последовательными регуляторами мощности солнечных батарей, основанный на управлении зарядными устройствами в зависимости от напряжения солнечной батареи и двухподдиапазонной стабилизации выходного напряжения регуляторами напряжения СБ и разрядными устройствами АБ, обеспечивает высокую надежность и живучесть СЭС, а также стабильность напряжения на шине питания нагрузки. Заданная последовательность функционирования источников энергии, экстремальное регулирование мощности солнечных батарей и оптимальное использование энергии аккумуляторных батарей достигается автоматическим управлением положения поддиапазонов регулирования энергопреобразующих устройств систем электроснабжения.
Summary
Zone principle for control of energy-transducing devices of automatic spacecrafts’ power supply systems (PSS) with sequential power regulators of solar batteries, which ensure autonomous operation, high reliability and survivability of PSS, has been considered.
Литература
1. Системы электропитания космических аппаратов / Б.П. Соустин, В.И. Иванчура, А.И.Чернышев, Ш.Н. Исляев. - Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1994. - 318с.
2. Шиняков Ю.А. Энергетический анализ структурных схем систем
электроснабжения автоматических космических аппаратов // Известия Томского политехнического университета. - 2006. - Т. - 309. - № 8. - С. 152-155.
3. Шиняков Ю.А. Способы управления энергопреобразующими устройствами систем электроснабжения автоматических космических аппаратов // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева. - Красноярск. - 2006. - Вып. 5(12). - С. 271-277.
4. Пат. РФ № 2101831, МКИ6 H 02 J 7/35. Система электропитания с экстремальным регулированием мощности фотоэлектрической батареи/ К.Г. Гордеев, С.П. Черданцев, Ю.А. Шиняков // Изобретения, 1998. - № 1.
5. Пат. РФ № 2035109, МКИ6 H 02 J 7/35. Автономная система
электроснабжения / А.И. Чернышев, Ю.А. Шиняков, К.Г. Гордеев, Б.В. Ларюхин, С.М. Былина, О.М. Орлова, С.П. Черданцев // Изобретения, 1995. - № 13.
6. Построение мощных многомодульных автономных систем
электропитания / А.И. Чернышев, Ю.А. Шиняков, А.В. Чечин и др. // Электронные и электромеханические системы и устройства: Сб. науч. трудов НПТТ “Полюс”. - Томск, 1997. - С.3-8.
7. Пат. РФ № 2168828 РФ, МПК7 Н 02 J 7/36. Способ управления автономной системой электроснабжения / К.Г. Гордеев, С.П. Черданцев, Ю.А. Шиняков, А.И. Поздняков, А.И. Назимко // Изобретения, 2001. - № 16.
Поступила 26.02.2007
