Диссертация (1137266), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Такжеразработана математическая модель автономной системы электропитания,позволяющая исследовать распределение потоков энергии от источников кнагрузке, и алгоритм обеспечения требований по надежности надежности,который позволяет в процессе проектирования учесть особенности топологии иалгоритма функционирования беспроводной сенсорной телекоммуникационнойсети, а также схемотехнических решений ее компонентов и параметровбезотказности канала передачи данных.-90ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯМОДУЛЯ СЕНСОРНОЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СЕТИВ данной главе описаны алгоритмы функционирования беспроводногомодулясенсорнойпараметрытелекоммуникационнойисточниковэлектроэнергиидлясети,учитывающиеорганизациитекущиебесперебойногофункционирования модуля: алгоритм передачи данных мониторинга состоянияГТС, алгоритм управления электропитанием, алгоритм управления зарядомаккумулятора.3.1 АЛГОРИТМ РАБОТЫ КОНТРОЛЛЕРА ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРАНа данный момент существует несколько наиболее распространенныхалгоритмов работы контроллера заряда аккумуляторной батареи (АКБ) отвозобновляемых источников энергии(солнечная панель, ветрогенератор),которые в общей сложности можно разделить на три типа:1.
Отключение/включение.Этот алгоритм является самым простым, но в то же время и самымненадежным. Его основной недостаток заключается в том, что при увеличениинапряжения на клеммах аккумуляторной батареи до определенного предельного-91уровня полного заряда не происходит. Система настроена таким образом, что вэтом случае заряд АКБ доходит до, примерно, 90 процентного уровня отноминала [107, 108]. В результате происходит постоянный недобор энергии, всвою очередь, значительно снижающий срок эксплуатации.2. Широтно-импульсно модулированное (ШИМ) управление.Определенныйалгоритмуправлениясиловымблоком,чащевсегопостроенном на базе тиристорных или более современных IGBT модулей,регулирует напряжение на выходе контроллера заряда в заданном диапазоне спомощью сигналов обратной связи. Дополнительно данный алгоритм позволяетобеспечить температурно компенсированный заряд АКБ, а также возможностьнастройки системы под определенный тип АКБ с разными показателями графиковнапряженияв одинаковыхточках.
Однакоувеличение функцийШИМконтроллеров приводит к их значительному удорожанию по сравнению с первымтипом, что резко ограничивает сферу их применения.3. Сканирование точки максимальной мощности.Они тоже работают по принципу широтно-импульсных преобразователей, нопредельно точны, потому что учитывают наибольшую величину мощности,которую способны отдать солнечные батареи. Отслеживая ее, они способнызарядить АКБ до максимального уровня, на 10-15 % увеличив мощность отдачисолнечной батареи. К основным недостаткам данного типа, помимо высокойстоимости, можно отнести следующее: для согласования разных уровнейнапряжениясолнечнойпанелииаккумуляторнойбатарейнеобходимоприменение понижающего DC-DC преобразователя, что значительно увеличитмассогабаритные размеры устройства, а также при низкой интенсивностисолнечной энергии (облачная погода, сумерки) все его преимущества посравнению со вторым типом сводятся на нет. Также тот факт, что по своемупринципу работы и по выходным характеристикам солнечные панели иветрогенераторы сильно отличаются, делают невозможным его применение вкачестве универсального алгоритма управления зарядом АКБ.-92Описанные выше разные типы алгоритмов работы контроллеров зарядаимеют основное свое применение для установок средней мощности от десятковватт до десятков киловатт.
Если речь идет о более низких диапазонах мощностей(до единиц ватт), то самым распространенным типом становится первый, какнаиболее простой и дешевый. Его применение является вполне оправданным,когда речь идет об использовании системы в тех устройствах, где не обращаетсяособого внимания на надежность. Однако в промышленности, а тем более внефтегазовом секторе, к данному показателю предъявляются особые требования,а значит, встает вопрос о создании нового типа алгоритма работы, способногообеспечить высокую надежность работы при достаточных эксплуатационныххарактеристиках.Наиболее подходящим для исследуемой системы являются алгоритмы ШИМуправления, использование которых позволяет задать практически любой графикзаряда АКБ.
При достижении предельного уровня напряжения на АКБ активнаяфаза заряда прекращается, и устройство переходит в режим поддержания уровнязаряда.Широтно-импульснаяпродолжительностимодуляцияимпульсов,чтозаключаетсяприпервомвизмененииприближениименяетпродолжительность включенного и выключенного состояния. Данный процесспредставляет собой приближение получаемого реального сигнала к желаемомурезультату. В общем виде это можно представить так:t2 x(t )dt A * Ti(3.1),t1гдеT– продолжительность i-го импульса, каждого с амплитудой А, x(t ) -требуемый входной сигнал с необходимыми в интервале от t1 до t2. Прииспользовании ШИМ энергии обеих величин должны быть равными, то есть:t2 x(t )dt A * Tit1t 2 t1t 2 t1(3.2).-93Нарисунке3.1представлентребуемыйграфикзарядаАКБ,иллюстрирующий этапы работы контроллера с функцией ШИМ.Наначальномэлектрическуюэтапеаккумуляторнаяэнергию,батареявырабатываемуюполностьюсолнечнымполучаетмодулемиветрогенератором.
При этом напряжение и сила тока имеют постоянные значения.На втором этапе при достижении максимального значения силы тока контроллерзаряда начинает поддерживать постоянное напряжение за счет широтноимпульсной модуляции, что является гарантией защиты от перегрева, вскипания ипорчи аккумуляторной батареи. По мере роста заряда аккумуляторной батареи,сила тока начинает уменьшаться. При достижении аккумулятором состоянияполнойзарядкипроисходитуменьшениенапряжения.Далеевбатарееподдерживается состояние полного заряда.I, A U, BРост напряженияUmПостоянноенапряженияUfUnПостоянноенапряженияЗначениемаксимальноготока зарядаImПостоянный токIcСнижающийся токIfInПостоянный токНачалозарядкиСтадия накопленияСтадияподдержаниязарядаTРисунок 3.1 - Стадии заряда АКБКак видно из графика, заряд батареи продолжается и после уменьшения силытока, целью которого является защита аккумулятора от перегрева и началагазообразования.
Такое «слабое» течение процесса приводит к полной зарядкеаккумулятора. Достичь подобных результатов можно только при использовании-94ШИМ. Следует обратить внимание, что для одновременной работы солнечныхмодулей и ветрогенератора контроллер заряда с ШИМ является единственнымприемлемым способом, позволяющим заряжать аккумуляторную батареюполностью. В других случаях это практически невыполнимая задача.В рамках диссертационного исследования был разработан алгоритм (рисунок3.2) работы контроллера заряда АКБ, построенный на основе первого - наиболеепростого и дешевого – типа, однако, с применением ШИМ-управления, а такжепомимо напряжения на АКБ постоянно контролируется зарядный ток: когдазарядный ток при определенных условиях станет нулевым, это будет означать,что заряд закончен. Данный алгоритм является достаточно универсальным, чтодает возможность его применения с разными типами аккумуляторных батарей:литий-ионные, свинцово-кислотные и др.Данный алгоритм начинается с измерения текущих значений напряжения нааккумуляторной батарее Ubat и зарядного тока Ich (блок 1).
Далее происходитсравнение измеренного напряжения с максимально разрешенным напряжениемдля данного типа аккумуляторной батареи Ubatmax (блок 2). В случае, еслинапряжение меньше заданного порогового уровня, то происходит подключениевыходов ветрогенератора и солнечной панели к аккумуляторной батарее, иначинается процесс заряда (блок 3). Если в данный момент мощность, доступнаяот источников энергии (ВГ и СП) ниже достаточного уровня, который будетописан далее, а значит, действует режим ограничения потребляемой мощности, тоалгоритм переходит к блоку 5; в случае, когда доступной мощности достаточно,происходит переход к блоку 9.Основное отличие процессов, которые стартуют с блоков 5 и 9 в том, что вовтором случае условием окончания заряда является не только достижениенапряжения определенного уровня, но и приближение зарядного тока к нулевомузначению.В блоках 5 и 9 происходит сравнение измеренного текущего значениязарядного тока АКБ Ich с максимально разрешенным для данного типа АКБ –-95Ichmax.
Когда действует режим ограничения потребляемой мощности и текущийзарядный ток меньше максимально разрешенного, то, при достижениинапряжения на АКБ предельного уровня (блок 6), заряд прекращается, иаккумуляторная батарея считается полностью заряженной. Если текущийзарядный ток больше либо равен максимально разрешенному или напряжениееще не достигло предельного уровня Ubatch, то заряд АКБ продолжается (блок 8) собязательным ограничением зарядного тока (блок 9) до тех пор, пока не будетвыполняться условие блока 6.Начало1Измерение Ubatи Ibat2ДаНапряжениеUbat<Ubatmin153Прекращениезаряда:VT1, VT3-закр,VT2-открОткрытие VT1 и VT34ДаДаДаРежимогр.мощн.-акт.576chUbat=Ubat9ДаmaxIch<IchДа81210ДаОграничение Ich(может быть auto)maxIch<IchОграничение Ich(может быть auto)Ich=011Ubat=Ubatch13Заряд АКБ,VT3 и VT1 - открытыЗаряд АКБ,VT3 и VT1 - открыты14АКБ – заряжены.VT1, VT3 – закр.VT2 – откр.НачалоРисунок 3.2 - Алгоритм заряда АКБ-96В случае, когда режим ограничения потребляемой мощности неактивен,заряд прекращается (АКБ считаются заряженными) только при одновременномвыполнении следующих условий:- Ich<Ichmax (блок 9);- Ich стремится к нулю (блок 10);- Ubat=Ubatch (блок 11).Если хотя бы одно из описанных выше условий не выполняется, то зарядАКБ продолжается (блок 13) с обязательным ограничением зарядного тока (блок12).3.2 АЛГОРИТМ ОГРАНИЧЕНИЯ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИТакже был разработан алгоритм (рисунок 3.3) ограничения потребляемоймощности в зависимости от режима работы ВГ, СП и текущего заряда АКБ,позволяющий самостоятельно подстраиваться под изменения окружающей среды,а также вносить соответствующие изменения в режим работы приемопередающего устройства.В качестве основных параметров для мониторинга были выделеныследующие: напряжение на клеммах АКБ – Ubat, В; напряжение и ток на выходесолнечной панели – Usp и Isp соответственно; напряжение и ток на выходеветрогенератора – Uwg и Iwg.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
