Симулятор характеристик батареи топливных элементов
Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при проектировании и испытании систем электропитания на основе топливных элементов, например, системы бесперебойного электропитания жилого дома.
В структуре симулятора характеристик батареи топливных элементов (БТЭ) на базе управляемого импульсного преобразователя постоянного тока дискретный вычислитель выполнен на базе высокопроизводительного цифрового сигнального процессора, в алгоритм работы которого заложен принцип формирования выходного напряжения преобразователя в зависимости от тока нагрузки в соответствии с заложенной электрохимической моделью БТЭ, а также быстрого отслеживания изменений во внешних условиях на основе пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора, заданного математически. Управляемый тиристорный выпрямитель заменен на управляемый импульсный преобразователь постоянного тока, блок управления тиристорными ключами исключен из структуры симулятора.
Предлагаемый вариант симулятора характеристик БТЭ, содержащий дискретный вычислитель, построенный на базе высокопроизводительного цифрового сигнального процессора, в алгоритм работы которого заложен принцип формирования величины выходного напряжения в зависимости от тока нагрузки, а также быстрого отслеживания изменений во внешних условиях на основе ПИД-регулятора, обеспечивает высокое быстродействие и точность формирования выходного напряжения системы, простоту конструкции, а следовательно, высокую достоверность и надежность работы симулятора.
Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при проектировании и испытании систем электропитания на основе топливных элементов, например, системы бесперебойного электропитания жилого дома.
В качестве прототипа выбран известный симулятор характеристик батареи топливных элементов (БТЭ) (Jeferson M. Correa, Felix A. Farret, Jonas R. Gomes, Marcelo G. Simoes, «Simulation of fuel cell stacks using a computer-controlled power rectifier with the purposes of actual high power injection applications», IEEE-IAS INDUSCON 2002), содержащий управляемый тиристорный выпрямитель, фильтр, датчики тока и напряжения, блок управления тиристорами, а также дискретный вычислитель в составе персонального компьютера, оборудованного блоком аналого-цифровых преобразователей и графическим пользовательским интерфейсом. В дискретном вычислителе реализована обратная связь системы, включающая в себя электрохимическую модель батареи топливных элементов (БТЭ) и пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор.
Недостатком прототипа является его относительно низкое быстродействие, обусловленное низкой частотой переключения силовых тиристоров, а также конструктивная сложность, обусловленная использованием управляемого тиристорного выпрямителя.
Предлагаемой моделью решается задача совершенствования симулятора характеристик БТЭ.
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении его быстродействия, точности формирования выходного напряжения и в упрощении топологии управляемого
преобразователя мощности, а следовательно, и в повышении достоверности и надежности работы симулятора.
Указанный технический результат достигается тем, что симулятор характеристик БТЭ, содержащий преобразователь мощности, управляемый дискретным вычислителем в составе компьютера в соответствии с заданной электрохимической моделью БТЭ, датчики тока и напряжения, выполнен на базе импульсного преобразователя постоянного тока, а управляющая преобразователем цепь обратной связи выполнена на базе высокопроизводительного цифрового сигнального процессора, в программное обеспечение которого заложена электрохимическая модель БТЭ и математическая реализация пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора. Это становится возможным за счет того, что в предлагаемом симуляторе характеристик БТЭ регулирование напряжения на нагрузке осуществляется в соответствии с заложенной в цифровой сигнальный процессор (ЦСП) электрохимической моделью БТЭ;
формирование необходимой величины напряжения реализуется путем изменения скважности импульсов, управляющих импульсным преобразователем постоянного тока. Необходимая скважность импульсов рассчитывается программным комплексом на основании данных от датчика тока нагрузки. Согласно принципу программной реализации модели БТЭ, ПИД-регулятора, а также принципу формирования импульсов управления регулируемой скважности на основании данных от датчика тока, преобразователь действует как управляемый источник постоянного напряжения, снабжающий нагрузку той же мощностью, как и реальная БТЭ, что позволяет при формировании выходного напряжения на БТЭ отказаться от управляемого тиристорного выпрямителя и от платы управления тиристоров. Полученное снижение времени отклика и упрощение топологии системы повышает ее быстродействие и надежность.
На чертеже показана структурная схема симулятора характеристик БТЭ. Выход импульсного преобразователя постоянного тока 1 (ИППТ)
подключен к нагрузке 2. Датчики тока 3 и напряжения 4 соответствующим образом подключены между выходом блока 1 и нагрузкой 2. Дискретный вычислитель А, включающий в себя электрохимическую модель БТЭ 5, ПИД-регулятор 6 и формирователь импульсов регулируемой скважности 7, выполнен на базе высокопроизводительного ЦСП, в алгоритм работы которого заложен принцип программного формирования импульсов регулируемой скважности на основании данных от датчиков тока 3 и напряжения 4, путем изменения которой происходит регулирование выходного напряжения ИППТ. Управляющие импульсы с выхода блока 8 управления ключом поступают на силовой транзистор импульсного преобразователя постоянного тока 1, снабженного входами для подключения питающей сети постоянного напряжения. Выходы датчиков тока 3 и напряжения 4 подключены к дискретному вычислителю А, реализованному в составе персонального компьютера, оборудованного блоком аналого-цифровых преобразователей, дисплеем, клавиатурой и графическим пользовательским интерфейсом.
Принцип работы предлагаемого симулятора заключается в следующем.
Электрохимическая модель симулируемой БТЭ вводится в память персонального компьютера с клавиатуры, используя графический пользовательский интерфейс. На дискретный вычислитель, выполненный на базе высокопроизводительного ЦСП, поступают данные с датчиков тока 3 и напряжения 4. Блок 5 вычисляет необходимое значение напряжения БТЭ на основании измеренного значения тока. Это напряжение сравнивается со значением, измеренным блоком 4, а полученный сигнал ошибки обрабатывается ПИД-регулятором 6, выдающим управляющий сигнал в блок 7 формирования импульсов регулируемой скважности. Эти импульсы поступают в блок 8 управления ключом, где реализована гальваническая развязка, а также схема диагностики состояния ключа.
Контроль за работой всей системы осуществляется через графический пользовательский интерфейс.
Предлагаемый вариант симулятора характеристик БТЭ, содержащий управляемый импульсный преобразователь постоянного тока и дискретный вычислитель, построенный на базе высокопроизводительного ЦСП, в алгоритм работы которого заложен принцип формирования величины выходного напряжения в зависимости от тока нагрузки, а также быстрое отслеживание изменений во внешних условиях с помощью ПИД-регулятора, позволяет отказаться от управляемого тиристорного выпрямителя и платы управления тиристорами, что обеспечивает высокое быстродействие и точность формирования выходного напряжения симулятора, а также простоту его конструкции.
Симулятор характеристик батареи топливных элементов (БТЭ), содержащий преобразователь мощности, управляемый дискретным вычислителем в составе компьютера в соответствии с заданной электрохимической моделью БТЭ, датчики тока и напряжения, отличающийся тем, что преобразователь мощности выполнен на базе импульсного преобразователя постоянного тока, а управляющая преобразователем цепь обратной связи выполнена на базе высокопроизводительного цифрового сигнального процессора, в программное обеспечение которого заложена электрохимическая модель БТЭ и математическая реализация пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора.
