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"Verfahren und Einrichtung zur automatischen, optimalen Leistungsanpassung
einer Gleichstrom-Energieerzeugungs einheit" Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren und eine Einrichtung zur automatischen, optimalen Leistungsanpassung einer
Gleichstrom-Energieerzeugungseinheit veränderlicher Charakteristik an die Belastung
durch Verbraucher mit Hilfe eines Näherungsverfahrens und unter Verwendung elektrischer
Bauteile.
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Solche Gleichstrom-Energieerzeugungseinheiten können beispielsweise
bei veränderlichen äußeren Bedingungen unterschiedliche Strom-Spannungs-Kennlinien
aufweisen. Ein Beispiel für solche Gleichstrom-Energieerzeugungseinheiten sind die
für die Eigen-Energieversorgung von S@telliten vorgesehenen fotoelektrischen @onnenzell@ngeneratoren.
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Der Abstand von der Son@@, @ie @@mper@tu@ und auch die Botriebsdauer
haben Einfluß aut die Charakteristik einer
Sonnenzellengenerator-Anlage
und damit auf die Lage des Punktes, bei dem die Anlage mit maximaler Leistung arbeitet
( MPP - Maximum Power Point). Es muß also angestrebt werden, den Arbeitspunkt der
Energieerzeugungsanlage zu jeder Zeit, also auch bei unterschiedlichen äußeren Betriebsbedingungen,
im oder zumindest möglichst nahe dem Punkt maximaler Leistung zu halten. Im Falle
der Energieversorgung von Satelliten kommt noch eine weitere Forderung, nämlich
die nach möglichst einfachen, zuverlässigen und leichten Elementen eines dafür notwendigen
Regel systems hinzu.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin, ein
Verfahren und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit
deren Hilfe die Energieentnahme aus der Energieerzeugungseinheit auch bei sich verändernder
Kennlinie infolge unterschiedlicher äußerer Bedingungen so geregelt werden.kann1
daß die Energieerzeugungseinheit zu jeder Zeit im oder nahe dem Punkt maximaler
Leistung arbeitet, Das diese Aufgabe erfüllende Verfahren besteht gemäß der Erfindung
darin, daß in regelmäßigen Zeitabständen a) der Istwert der der Energieerzeugungseinheit
entnommenen Leistung gemessen wird, b) dieser Leistungsistwert mit dem unmittelbar
zuvor gemessenen Leistungsistwert verglichen wird und festgestellt wird; ob ein
Leistungsanstieg oder -abfall vorhanden ist, er ein aus einer kontinuierlich an
und abschwellenden Spannung bestehendes Steuersignal erzeugt wird, dessen @@@denz
immer dann umgeschaltet wird, wenn ein Leis@ungsabfall um einen Mindestbetrag vorhanden
ist, d) dieses S@@dersignal einem die Energieentnahme aus der En@@g@@erzeugungseinheit
regelnden Regler als
Führungsgröße zugeführt wird, wobei eine positive
Tendenz der Steuer-Signalspannung einer Verkleinerung und eine negative Tendenz
einer Vergrößerung des Innenwiderstandes des Reglers entspricht.
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Zur Durchführung des Verfahrens wird eine Einrichtung vorgeschlageii1
bei der ein Steuersystem, das eine das Produk +us dem Strom und der Spannung proportionalen
Werten bildende Multiplizierstufe, eine den ermittelten Leistungswert bis zum Anstehen
eines neuen Wertes speichernde Stufe, eine den momentanen Wert mit dem vorangegangenen,
gespeicherten Wert vergleichende Vergleicherstufe und eine aus einer Signalumformer-
und einer Signalbegrenzerstufe bestehende Signalerzeugerstufe aufweist, deren Ausgangssignal
aus einer kontinuierlich an- und abschwellenden Signalspannung besteht, und ein
die Energieentnahme aus der Energieerzeugungseinheit mittels Anpassung seines Innenwiderstandes
regelnden Regler vorgesehen ist, dem als Führungsgröße das Ausgangssignal des Steuersystems
zugeführt ist, Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die der Energieerzeugungseinheit
entnommene Leistung augenblicklich und direkt ermittelt wird und daß die Energieentnahme
immer in Richtung auf einen Arbeitspunkt mit maximaler Leistung geregelt wird.
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Dabei ist es zweckmäßig, um die Kon#stantspannungsversorgung für den
Verbraucher mit geringer Verluatleietung zu gewährleisten, daß als Regler ein an
sich bekannter, auf dem Prinzip der Pulsbreitensteuerung beruhender Gleichstrom-Wandler
vorgesehen ist.
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Bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung der obengenannten Art , bei
der der Energieerzeugungseinheit Konstantspannungs-Verbraucher und eine Speicherbatterie,
der iiberschüssige, vom Verbraucher nicht beanspruchte Energie zugeführt wird
oder
fehlende Energie entnommen wird, nachgeschaltet sind, gemäß einer weiteren Ausbildung
der Erfindung sorgeschlagen, daß die Konstantspannungsverbraucher über einen steuerbaren
Direktwandler mit der Energieerzeugungseinheit verbunden sind und daß der Speicherbatterie
ein steuerbarer Lade-und ein Entladewandler zugeordnet sind. Dem Direktwandler und
dem Ladewandler werden dabei als Führungsgröße das Steuersignal des Steuersystems
zugeführt.
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An Hand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt
und im folgenden näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein Blockschaltbild einer Energieerzeugungs
anlage für einen Satelliten, Figur 2 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Steuersystems
und Figur 3 den Verlauf des Steuersignals des Steuersystems in einer graphischen
Darstellung.
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In einer nach Figur 1 aufgebauten Eigenenergieerzeugungsanlage für
Satelliten ist mit 1 ein Sonnenzellengenerator bezeichnet, der die elektrische Energie
aus der Sonnenstrahlung mit Hilfe von fotoelektrischen Sonnen zellen erzeugt. Der
Aufbau und die Anordnung der Sonnenzellen im Generator ist bekannt und wird hier
nicht näher beschrieben.
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Am Ausgang des Sonnenzellengenerators 1 wird eine elektrische Leistung
entnommen, und über einen Direktwandler 2 einem Konstantspannungsverbraucher 3,
der aus den auf dem Satelliten angeordneten Instrumenten gebildet wird, bzw.
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über einen Laderegler 5 einer Speicherbatterie 6 zugeführt.
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7 ist ein Entladeregler, über den bei Bedarf, d. h. wenn der Sonnenzellengenerator
1 nicht ausreichend Energie erzeugt, Energie aus der Speicherbatterie 6. an den
Verbraucher 3 geliefert wird. Die SXuerung des Ladereglers 5 und
des
Direktreglers 2 erfolgt von einem Steuersystem 4,das über eine Signalleitung 1o
direkt mit dem Ausgang des Sonnenzellengenerators 1 und über Signalleitungen 8 und
9 mit dem Laderegler 5 bzw. Direktregler 2 verbunden ist.
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Das Steuersystem 4 ist in der Figur 2 dargestellt und besteht in Hintereinanderschaltung
aus einer Multiplizierstufe- 11, einer Speicherstufe 12, einer Vergleichstife 13,
die auch mit der Multiplizierstufe 11 über eine Impulsleitung 14 direkt verbunden
ist, und einer aus einer Signalumformerstufe 16 und einer Signalbegrenzerstufe 17
bestehenden Signalerzeugerstufe 15.
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Im folgenden soll nun die Wirkungsweise der nach der Erfindung aufgebauten
Energieerzeugungsanlage beschrieben werden.
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Der als Energieerzeugungseinheit vorgesehene Sonnenzellengenerstor
zeigt in Abhängigkeit von Änderungen der äußeren Bedingungen unterschiedliche Strom-Spannungs-Kennlinien.
Eine Xnderung der Generator-Kennlinie tritt beispielsweise während Jedes Umlaufes
eines Erdsatelliten auf, da die Sonnenzellen beim Austritt aus dem Erdschatten verhältniimaßig
niedrige Temperattren haben und dabei besonders leistungsfähig sind, während sie
auf ihrem weiteren Weg infolge Sonneneinstrahlung höhere Temperaturen annehmen und
dann in der Leistung sinken. Dabei verändert sich das Leistungsmaximum nicht nur
in Bezug auf seine. absolute Größe, sondern auch in bezug auf seine Lage in dem
Strom-Spannungs-Diagramm. Infolge der veränderlichen Form der Strom-Spannungs-Kennlinie
liegt auch der anzustrebende Arbeitspunkt mit maximaler Leistung des Generators
nicht fest,
Um nun den Arbeitspunkt des Generators immer in der
Nähe des Punktes maximaler Leistung zu halten, muß dieser laufend der veränderlichen
Form der Kennlinie angepaßt werden.
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Zu diesem Zweck wird die Leistungsentmahme aus dem Sonnenwellengenerator
laufend durch Veränderung des Innenwiderstandes des die Speicherbatterie ladenden
Ladereglers 5 geregelt. Es wird also die überschüssige Leistung des Sonnenzellengenerators
1, die nicht direkt vom Verbraucher 3 benötigt wird, sondern der Speicherbatterie
zur Aufladung zugeführt wird, geregelt. Dazu wird die am Ausgang des Sonnenzellengenerators
entnommene Leistung in regelmäßigen Zeitabständen, beispielsweise mit einer Frequenz
von 1 kHz in der Multiplizierstufe 11 des Steuersystems 4 ermittelt, in der dem
Strom und der Spannung proportionale Werte multipliziert werden. Diese Multiplizierstufe
11 kann beispielsweise aus einem Kondensator bestehen, der in einer dem Generator
strom proportionalen Zeit mit einem der Generatorspannung proportionalen Strom I
aufgeladen wird. Die Spannung am Kondensator ist dann, konstante Kapazität vorausgesetzt,
der Generatorleistung direkt proportional, Dieser Wert wird der Speicherstufe 12
und parallel dazu über die Impulsleittung 14 der Vergieloherstufe 13 zugeführt,
wo der Wert mit dem unmittelbar zuvor gemessenen, dem Speicher entnommenen Leistungswert
verglichen wird und festgestellt wird, ob die Leistung des Generators im Zeitintervall
zwischen den beiden Messungen größer oder kleiner geworden ist.
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Das Ergebnis dieses Vergleichs wird der Signalerzeugerstufe 15 zugeführt.
Diese Stufe besteht aus der Signalumformerstufe 16, an deren Ausgang ein aus einer
kontinuierlich an- und abschwellenden Spannung bestehendes Steuersignal abgegeben
wird, und einer Signalbegrenzerstufe 47, ie ein Umschalten der Spannungstendenz
immer dann bewirkt, wenn in der Vergleicher stufe 13 eine Beistungsabnahme um einen
bestimmten programm mierbaren Mindestbetrag # p p festgestellt wurde.
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Das Ausgangssignal der Signalerzeugerstufe 15 besteht somit aus einer
kontinuierlich sich ändernden Spannung, deren zeitlicher Verlauf in der Figur 3
durch die Kurvenzüge 18 bzw. 19 wiedergegeben ist. Diese Signalspannung wird dem
Laderegler 5 bzw Direktregler 2 als Führungsgröße zugeführt. Die Regler sind pulsbreitengesteurte
Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, deren Anpassungawiderstand (oder Innenwiderstand)
dargestellt durch das Verhältnis von On- zu Off-Zeit, durch das Steuersignal des
Steuersystems 4 verändert wird, und zwar in der Weise, daß bei einer positiven Tendenz
der Steuerspannung der Anpassungswiderstand verkleinert und bei einer negativen
Spannungstendenz vergrößert wird. Das erfindungsgemäße Steuersystem bewirkt also,
daß der Arbeitspunkt des Sonnenzellengenerators um den Punkt maximaler Leistung
(MPP) schwankt und auch bei Veränderungedder Kennlinienform diesem folgt.
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Der Verbraucher 3, der eine Versorgung mit möglichst konstanter Spannung
fordert, erhält also im Normalfall, d.h. solange die Energieerzeugung des Sonnenzellengenerators
ausreichend ist, die elektrische Energie über den DirektSandler 2 aus dem Generator,
Der Direktwandler ist ebenfalls ein pulsbreitengesteuerter Gleichstrom-Wandler,
an dessen Ausgang die konstante Verbraucherspannung erscheint. Reicht die Energieerzeugung
des Sonnenzellengenerators 1 jedoch, beispielsweise bei besonders hoher Leistungsanforderung
durch den Verbraucher, nicht mehr dazu aus, die vom Verbraucher geforderte Leistung
zu erbringen, so steuert das Steuersystem 4 den Laderegler 5 zu und den zuvor gesperrten
Entladeregler 7 indirekt auf, sodaß die zusätzlich benötigte Leistung der Speicherbatterie
6 entnommen werden kann. Während also bis dahin der Laderegler 5 über die Signalleitung
8 vom Steuersystem 4 beaufschlagt wurde und der Entladeregler 7 geschlossen war,
ist nun der. Laderegler 5 gesperrt und der Direktregler 2 erhält über die Signalleitung
9 die Steuerspannung als Führungsgröße vom Steuersystem 4 und steuert damit indirekt
den Entladeregler 7 soweit auf, daß auch wahrend dieser Betriebsphase die maximale
Leistung aus dem Solargenerator entnommen wird.
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Dieser Vorgang des Umschaltens von Aufladen auf Entladen der Speicherbatterie
5 ist in der Figur 3 durch den Punkt 20 des Kurvenzuges dargestellt. Hier hat die
Steuerspannung einen Wert erreicht, der einem unendlich großen Anpassungswiderstand
des Ladereglers 5 entspricht, ohne daß die- Vergleicherstufe 13 feststellen konnte,
daß die dem Sonnenzellengenerator entnommene Leistung gegenüber dem vorhergehenden
Meßpunkt um einen Mindestbetrag d p kleiner geworden ist. Somit ist angezeigt, daß
der Arbeitspunkt mit maximaler Leistung nochnicht erreicht ist, und die Batterie
zur Versorgung des Verbrauchers 3 mit herangezogen werden muß.
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Dies geschieht, indem das Steuersystem 4 nunmehr die Steuerspannung
über die Signalleitung 9 dem Direktregler 2 zuführt und damit indirekt den Entladeregler
7 in gleicher Weise wie den Laderegler 5 durch Veranderung des Anpassungswiderstandes
so steuert, daß der Arbeitspunkt des Sonnenzellengenerators wieder dem Punkt maximaler
Leistung angenähert wird.
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Die Erfindung gewährleistet also, daß der Generator zu weder Zeit
und unabhängig davon, ob er in ausreichendem Maß Energie erzeugt oder die Speicherbatterie
zur Unterstützung.herangezogen werden muß, im Punkt maximaler Leistung a P, also
am wirtschaftlich günstigen Arbeitspuskt, arbeitet.
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Die dem Direktregler 2 zugeführte Signalspannung hat den in Figur
3 durch den Kurven zug 19 zwischen den Punkten 20 und 21 angedeuteten Verlauf. Im
Punkt 21 wird wieder vom Entladeregler 7 auf den Laderegler 5 umgeschaltet, da zu
diesem Zeitpunkt der Sonnenzellengenerator die vom Verbraucher geforderte Leistung
wieder voll aufbringen kann und. das Steuersystem 4 der dadurch bedingten Änderung
des Leistungsmaximums durch indirekte Sperrung des Entladereglers 7 und Aussteuerung
des Ladereglers 5 gefolgt ist Die Figur 3 zeigt somit den
Verlauf
der vom Steuersystem abgegebenen Signalspannung bei sich ändernden Generatorkennlinien1
bzw. bei sich ändernder Verbraucherleistung.
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9 Seiten Beschreibung 4 Patentansprüche 1 B1. Zeichnung mit 3 Figuren