В этом примере показаны системы управления энергией для гибридного источника электроэнергии топливного элемента.
Соулман Нджоя М., Луи-А. Dessaint (Ecole de technologie superieure, Монреаль) и Сьюзан Лискуэт-Ханке (Bombardier Aerospace)
Этот пример иллюстрирует имитационную модель системы аварийного электроснабжения More Electric Aircraft (MEA) на основе топливного элемента. По мере того как системы шасси и управления полетом становятся более электрическими в МЭС, пиковая электрическая нагрузка, наблюдаемая обычной аварийной энергосистемой (таранной воздушной турбиной или генератором с воздушным приводом), увеличивается. Следовательно, существует потенциальный риск перегрузки турбин набегающего воздуха (RAT )/генератора с воздушным приводом (ADG) при более низких скоростях самолета, где производимая мощность почти равна нулю. Для обеспечения безопасной посадки МЭС необходима более надежная система аварийного электроснабжения. Эта модель представляет собой альтернативную систему аварийного питания, основанную на топливных элементах, литий-ионных батареях и суперконденсаторах. Демонстрация также имеет различные системы управления энергией для гибридного источника электроэнергии на топливных элементах.
Гибридная энергосистема топливного элемента спроектирована на основе репрезентативного профиля аварийного полета самолета Bombardier и состоит из:
Модуль питания топливных элементов (FCPM) мощностью 12,5 кВт (пик), 30-60 В ПЭМ (протонообменная мембрана), номинальной мощностью 10 кВт.
Аккумуляторная система 48 В, 40 А· ч, Li-ion.
Система суперконденсаторов 291,6 В, 15,6 F (шесть последовательно соединенных 48,6 В)
Повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный ток мощностью 12,5 кВт с регулируемым выходным напряжением и ограничением входного тока.
Два преобразователя постоянного тока для разрядки (повышающий преобразователь 4 кВт) и зарядки (преобразователь 1,2 кВт) аккумуляторной системы. Эти преобразователи также регулируются выходным напряжением с ограничением тока. Обычно для уменьшения веса энергосистемы можно также использовать один двунаправленный преобразователь постоянного тока.
Система инверторов 15 кВА, 270 В постоянного тока, 200 В переменного тока, 400 Гц.
Нагрузка переменного тока 3 фазы с переменной кажущейся мощностью и коэффициентом мощности для эмуляции профиля аварийной нагрузки MEA.
Защитный резистор 15 кВт, чтобы избежать перезарядки суперконденсатора и аккумуляторных систем.
Система управления энергией, которая распределяет энергию между источниками энергии в соответствии с данной стратегией управления энергией. Осуществляются пять видов стратегий управления энергетикой, а именно:
Стратегия управления конечным автоматом
Классическая стратегия управления PI
Стратегия развязки частот и управления конечным автоматом
Стратегия минимизации эквивалентного потребления (ECMS)
Стратегия максимизации внешней энергии (EEMS)
Демонстрация показывает работу гибридной системы аварийного питания топливного элемента в течение пятиминутного сценария аварийной посадки. В этом сценарии гибридная система питания топливного элемента обеспечивает питание ответственных потребителей во время следующих событий:
Мгновенно при потере основных генераторов (это обычно предполагается системой аккумуляторов Avionic и APU до полного развертывания RAT/ADG).
Аварийные пуски гидронасосов.
Движение створок/створок и зубчатых передач вниз.
Руление и эвакуация пассажиров (также обычно предполагается системой аккумуляторов Avionic и APU, поскольку RAT/ADG становится недоступным).
В зависимости от выбранного типа стратегии управления энергией система управления энергией управляет мощностью каждого устройства источника энергии через опорные сигналы (выходное напряжение и максимальный ток) преобразователей постоянного тока топливного элемента и батареи. Дважды щелкните по блоку Energy Management System и выберите, например, State Machine Control Strategy. Запустите моделирование. Дважды щелкните по блоку «Измерения». Откройте область питания (показывающую распределение питания, относящееся к шине 270 В постоянного тока) вместе с областями топливного элемента, аккумулятора, суперкепки и нагрузки. Ниже объясняется, что происходит во время этого смоделированного сценария аварийной посадки:
При t = 0 с необходимые нагрузки питаются от основных генераторов и включается гибридная энергосистема топливного элемента для подготовки к маловероятной аварийной посадке.
При t = 5 с топливный элемент начинает подзаряжать батарею своей оптимальной мощностью (около 1 кВт).
При t = 40 с все генераторы теряются. Основные нагрузки принимает на себя гибридная энергетическая система топливного элемента. В это время требуемая дополнительная мощность нагрузки мгновенно подается суперконденсатором из-за его быстрой динамики, в то время как мощность топливного элемента увеличивается медленно.
При t = 45 с суперконденсатор разряжается ниже требуемого напряжения шины постоянного тока (270 В), и батарея начинает обеспечивать питание для регулирования напряжения шины обратно до 270 В.
При t = 48,5 с напряжение шины постоянного тока или суперконденсатора достигает 270 В, и батарея медленно уменьшает свою мощность до нуля. Топливный элемент обеспечивает общую мощность нагрузки и продолжает подзарядку суперконденсатора.
При t = 60 с включается аварийный гидронасос, и суперконденсатор обеспечивает дополнительную переходную мощность нагрузки, в то время как мощность топливного элемента увеличивается медленно.
При t = 61,5 с батарея подключается к сети для регулирования напряжения шины постоянного тока до 270 В и помогает топливному элементу, обеспечивая требуемую дополнительную мощность нагрузки.
При t = 70 с топливный элемент достигает своей максимальной мощности (мощность FCPM была ограничена 9 кВт из-за диапазона входного напряжения преобразователя постоянного тока), и дополнительная мощность нагрузки обеспечивается батареей.
При t = 110 с батарея также достигает своей максимальной мощности (4 кВт), и суперконденсатор обеспечивает дополнительную мощность нагрузки.
При t = 125 с мощность нагрузки уменьшается ниже максимальной мощности топливного элемента. Из-за медленной динамики топливного элемента дополнительная мощность топливного элемента во время переходных процессов передается суперконденсатору.
При t = 126 с напряжение шины постоянного тока достигает 270 В, а мощность батареи падает до нуля.
При t = 130 с включается второй аварийный гидронасос и поведение гибридной энергосистемы топливного элемента аналогично тому, как был включен первый гидронасос.
При t = 170 с мощность нагрузки уменьшается ниже максимальной мощности топливного элемента, и дополнительная мощность топливного элемента передается как батарее, так и суперконденсатору.
При t = 180 с нагрузка внезапно увеличивается из-за движения закрылков/створок и посадочных передач. Еще раз, суперконденсатор реагирует быстро, обеспечивая дополнительную мощность нагрузки.
При t = 185 с батарея разряжается для регулирования напряжения шины постоянного тока и помогает топливному элементу с требуемой дополнительной мощностью нагрузки.
При t = 235 с самолет приземлился и мощность нагрузки резко снизилась. Дополнительная энергия топливного элемента накапливается в батарее и суперконденсаторе.
При t = 250 с самолет рулит, и топливный элемент обеспечивает почти полную требуемую мощность нагрузки.
При t = 330 с пассажиры были эвакуированы, и мощность нагрузки уменьшается до нуля. Топливный элемент медленно снижает свою мощность до оптимальной и подзаряжает аккумулятор.
1. Чтобы уменьшить объем используемой памяти, для всех областей используется коэффициент прореживания 100, за исключением области Load (которая использует коэффициент прореживания 10).
2. Для ускорения моделирования используются модели среднего значения преобразователей DC/DC и DC/AC.
3. Выберите другую стратегию управления энергией в блоке Energy Management System и сравните ее производительность с точки зрения потребления водорода, использования энергии при хранении (батарея/суперконденсатор) и общей эффективности.
1. С. Нджоя Мотапон, Л. А. Дессен и К. Аль-Хаддад, «Сравнительное исследование схем управления энергией для гибридной аварийной энергосистемы топливных элементов большего количества электрических самолетов», IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013 (IEEE Early Access).