Системы управления энергопотреблением для гибридного электрического источника (Приложение для более электрического самолета)
Этот пример показывает системы управления энергопотреблением для гибрида топливного элемента электрический источник.
Сулемен Нджоя М., Луи-А. Dessaint (Ecole de technologie superieure, Монреаль) и Сьюзен Лискоует-Хэнк (Космос Бомбардира)
Описание схемы
Этот пример иллюстрирует имитационную модель основанной на топливном элементе системы аварийного источника питания Больше электрического самолета (MEA). Когда шасси и системы управления полетом становятся более электрическими в MEA, пиковая электрическая нагрузка, замеченная обычной системой аварийного источника питания (воздушная турбина поршня или пневматический генератор) увеличения. Следовательно, существует потенциальный риск перегрузки воздушной турбины поршня (RAT)/air-driven генератор (ADG) на более низких скоростях самолета, где произведенная энергия является почти нулем. Более устойчивая система аварийного источника питания необходима, чтобы гарантировать безопасное приземление MEA. Эта модель представляет альтернативную систему аварийного источника питания на основе топливных элементов, литий-ионных аккумуляторов и суперконденсаторов. Демонстрация также показывает различные системы управления энергопотреблением для гибрида топливного элемента электрический источник.
Система гибридной силовой установки топливного элемента спроектирована на основе представительного чрезвычайного профиля рейса самолета Бомбардира и состоит из следующего:
12,5 кВт (пик), 30-60-вольтовый PEM (протон обмениваются мембраной), модуль степени топливного элемента (FCPM), с номинальной степенью 10 кВт.
48 В, 40 А-ч, система литий-ионного аккумулятора.
291,6 В, 15.6 F, суперконденсаторная система (шесть 48.6v ячейки последовательно)
Топливный элемент на 12,5 кВт конвертер повышения DC/DC, с отрегулированным выходным напряжением и входом текущее ограничение.
Два конвертера DC/DC для разряда (конвертер повышения на 4 кВт) и зарядка (понижающий конвертер на 1,2 кВт) система клеточного содержания. Эти конвертеры являются также выходным напряжением, отрегулированным с текущим ограничением. Обычно, один двунаправленный конвертер DC/DC может также использоваться, чтобы уменьшать вес энергосистемы.
15 кВА, 270-вольтовый DC в, 200-вольтовый AC, система инвертора на 400 Гц.
3 загрузки фазы AC с переменной полной мощностью и коэффициентом мощности, чтобы эмулировать чрезвычайный профиль загрузки MEA.
15 кВт, защищающих резистор, чтобы не запрашивать чрезмерную цену на суперконденсатор и системы клеточного содержания.
Система управления энергопотреблением, которая распределяет степень среди источников энергии согласно данной стратегии управления энергопотреблением. Пять типов стратегий управления энергопотреблением реализованы, которые являются:
Стратегия управления конечного автомата
Классическая стратегия управления PI
Разъединение частоты и стратегия управления конечного автомата
Эквивалентная стратегия минимизации потребления (ECMS)
Внешняя энергетическая стратегия максимизации (EEMS)
Демонстрация
Демонстрация показывает производительность гибридной системы аварийного источника питания топливного элемента во время сценария аварийной посадки пяти минут. В этом сценарии система гибридной силовой установки топливного элемента предоставляет существенные загрузки во время следующих событий:
Немедленно, когда основные генераторы потеряны (это обычно принимается Авиационной системой клеточного содержания и системой клеточного содержания APU, пока RAT/ADG полностью не развертывается).
Чрезвычайные гидравлические стартапы насоса.
Движение Откидных створок/Планок и замедляет движение.
Едущий на такси и вакуумирование пассажиров (также обычно принятый Авиационной системой клеточного содержания и системой клеточного содержания APU, когда RAT/ADG становится недоступным).
В зависимости от типа выбранной стратегии управления энергопотреблением система управления энергопотреблением управляет степенью каждого источника энергии устройства через ссылочные сигналы (выходное напряжение и максимальный ток) топливного элемента и батареи конвертеры DC/DC. Дважды щелкните по блоку System управления энергопотреблением и выберите, например, Стратегию управления Конечного автомата. Запустите симуляцию. Дважды щелкните по блоку Measurements. Откройте осциллограф Степени (показывая, что распределение электроэнергии упомянуло 270 В dc шина) вместе с Топливным элементом, Батареей, SuperCap и осциллографами Загрузки. Следующее объясняет, что происходит во время этого симулированного сценария аварийной посадки:
В t = 0 с, существенные загрузки предоставляются основными генераторами, и система гибридной силовой установки топливного элемента включена, чтобы подготовиться к маловероятной ситуации с аварийной посадкой.
В t = 5 с, топливный элемент начинает перезаряжать батарею со своей оптимальной степенью (приблизительно 1 кВт).
В t = 40 с, потеряны все генераторы. Система гибридной силовой установки топливного элемента принимает существенные загрузки. В это время дополнительное требуемое питание загрузки немедленно подано суперконденсатором из-за его быстрой динамики, в то время как степень топливного элемента медленно увеличивается.
В t = 45 с, суперконденсатор разряжен ниже необходимого напряжения на шине DC (270 В), и батарея начинает обеспечивать степень отрегулировать напряжение на шине назад к 270 В.
В t = 48,5 с, шина DC или суперконденсаторное напряжение достигает 270 В, и батарея уменьшает свою мощность медленно, чтобы обнулить. Топливный элемент обеспечивает степень полной нагрузки и продолжает перезаряжать суперконденсатор.
В t = 60 с, запущен аварийный гидравлический насос, и суперконденсатор обеспечивает дополнительную переходную степень загрузки, в то время как степень топливного элемента медленно увеличивается.
В t = 61,5 с, батарея прибывает онлайн, чтобы отрегулировать напряжение на шине DC к 270 В и помогает топливному элементу путем обеспечения дополнительной требуемой степени загрузки.
В t = 70 с, топливный элемент достигает своей максимальной мощности (степень FCPM была ограничена 9 кВт из-за его области значений входного напряжения конвертера DC/DC), и дополнительная степень загрузки обеспечивается батареей.
В t = 110 с, батарея также достигает своей максимальной мощности (4 кВт), и суперконденсатор обеспечивает дополнительную степень загрузки.
В t = 125 с, степень загрузки уменьшает ниже максимальной мощности топливного элемента. Из-за медленной динамики топливного элемента, дополнительная степень топливного элемента во время переходных процессов передается суперконденсатору.
В t = 126 с, напряжение на шине DC достигает 270 В, и питание от батареи опускается до нуля.
В t = 130 с, включен второй аварийный гидравлический насос, и поведение системы гибридной силовой установки топливного элемента похоже на то, когда первый гидравлический насос был включен.
В t = 170 с, степень загрузки уменьшает ниже максимальной мощности топливного элемента, и дополнительная степень топливного элемента передается и батарее и суперконденсатору.
В t = 180 с, загрузка внезапно увеличена из-за движения Откидных створок/Планок и посадочных устройств. Еще раз суперконденсатор отвечает быстро путем обеспечения дополнительной степени загрузки.
В t = 185 с, батарея разряжается, чтобы отрегулировать напряжение на шине DC и помогает топливному элементу с дополнительной требуемой степенью загрузки.
В t = 235 с, приземлился самолет, и степень загрузки внезапно уменьшается. Дополнительная энергия топливного элемента хранится в батарее и суперконденсаторе.
В t = 250 с, едет на такси самолет, и топливный элемент подает почти требуемое питание полной нагрузки.
В t = 330 с, были эвакуированы пассажиры, и степень загрузки уменьшает до нуля. Топливный элемент медленно уменьшает свою мощность его оптимальной степени и перезаряжает батарею.
Примечания
1. Для того, чтобы уменьшать используемый объем памяти, фактор децимации 100 используется во всех осциллографах, за исключением осциллографа Загрузки (который использует фактор децимации 10).
2. Модели среднего значения DC/DC и конвертеров DC/AC используются, чтобы ускорить симуляцию.
3. Выберите различную стратегию управления энергопотреблением в блоке System управления энергопотреблением и сравните его производительность в терминах водородного потребления, устройство хранения данных (батарея/суперконденсатор) энергия используемый и полный КПД.
Ссылки
1. С. Нджоя Мотэпон, Лос-Анджелес. Дессэйнт и К. Аль-Хаддад, "Сравнительное Исследование Схем управления энергопотреблением Гибридной Системы Аварийного источника питания Топливного элемента Большего количества Электрического Самолета", Транзакции IEEE на Industrial Electronics, 2013 (IEEE Ранний доступ).