Системы управления энергопотреблением для гибридного электрического источника (применение для большего количества электрических самолетов)
Этот пример показывает системы управления энергопотреблением для гибридного электрического источника топливной камеры.
Souleman Njoya M., Louis-A. Dessaint (Ecole de technologie superieure, Монреаль) и Susan Liscouet-Hanke (Bombardier Aerospace)
Описание схемы
Этот пример иллюстрирует симуляционную модель основанной на топливном элементе системы аварийной степени More Electric Aircraft (MEA). Когда системы управления шасси и рейсом становятся более электрическими в MEA, пиковая электрическая нагрузка, наблюдаемая обычной аварийной степенью (пневматическая турбина или генератор с воздушным приводом), увеличивается. Следовательно, существует потенциальный риск перегрузки пневматической турбины (RAT )/генератора с воздушным приводом (ADG) при более низких скоростях самолета, где полученная степень почти равна нулю. Для обеспечения безопасной посадки MEA необходима более устойчивая аварийная степень. Эта модель представляет альтернативную аварийную степень, основанную на топливных камерах, литий-ионных батареях и суперконденсаторах. В демонстрации также представлены различные системы управления энергопотреблением для гибридного электрического источника топливных камер.
Гибридная степень топливной камеры спроектирована на основе репрезентативного профиля аварийного рейса самолета Bombardier и состоит из следующего:
Модуль питания топливной камеры (FCPM) мощностью 12,5 кВт (пик), 30-60 В PEM (протонно-обменная мембрана), номинальной мощностью 10 кВт.
А 48 В, 40 Ач, Li-ионная аккумуляторная система.
А 291,6 В, 15,6 F, система суперконденсаторов (шесть камеры 48,6 В последовательно)
Усилительный преобразователь топливной камеры мощностью 12,5 кВт с регулируемым выходным напряжением и ограничением входного тока.
Два конвертера постоянного/постоянного тока для разрядки (усилитель 4 кВт) и зарядки (1,2 кВт понижающего конвертера) аккумуляторной системы. Эти преобразователи также регулируются выходным напряжением с ограничением тока. Обычно для уменьшения веса степени также может использоваться один двунаправленный преобразователь постоянного тока/постоянного тока.
Инверторная система 15 кВА, 270 В постоянного тока, 200 В переменного тока, 400 Гц.
A 3 фаз нагрузку переменного тока с переменными видимыми степенями и степенью фактором, чтобы эмулировать профиль аварийной нагрузки MEA.
Защитный резистор мощностью 15 кВт, чтобы избежать перезарядки суперконденсатора и аккумуляторных систем.
Система управления энергопотреблением, которая распределяет степень между источниками энергии в соответствии с заданной стратегией управления энергопотреблением. Реализуются пять видов стратегий управления энергопотреблением:
Стратегия управления конечным автоматом
Классическая стратегия управления ПИ
Стратегия разделения частот и управления конечным автоматом
Стратегия минимизации эквивалентного потребления (ECMS)
Стратегия максимизации внешней энергии (EEMS)
Демонстрация
Демонстрация показывает эффективность гибридной энергосистемы аварийной степени топливной камеры в течение пяти минут сценария аварийной посадки. В этом сценарии гибридная система степени топливной камеры обеспечивает необходимые нагрузки во время следующих событий:
Мгновенно при потере основных генераторов (обычно это принимается аккумуляторной системой Avionic и ВСУ до полного развертывания RAT/ADG).
Аварийный запуск гидравлического насоса.
Движение створок/створок и передачи вниз.
Руление и эвакуация пассажиров (также обычно принимается системой батарей Avionic и ВСУ, когда RAT/ADG становится недоступным).
В зависимости от типа выбранной стратегии управления энергопотреблением система управления энергопотреблением управляет степенью каждого устройства источника энергии через опорные сигналы (выходное напряжение и максимальный ток) топливной камеры и преобразователей постоянного/постоянного тока батареи. Дважды кликните по блоку Energy Management System и выберите для примера State Machine Control Strategy. Запустите симуляцию. Дважды кликните по блоку Measurements. Откройте Степень возможностей (показывающее распределение степени, относящееся к шине постоянного тока 270 В) вместе с Камерой Fuel Суперпрописной буквы, Battery, возможностей и Load. Следующее объясняет, что происходит во время этого моделируемого сценария аварийной посадки:
На t = 0 с основные нагрузки подаются основными генераторами, и гибридная степень топливной камеры включается, чтобы подготовиться к маловероятной аварийной посадочной ситуации.
На t = 5 с топливную камеру начинает подзаряжать батарею своей оптимальной степенью (около 1 кВт).
На t = 40 с все генераторы теряются. Гибридная степень топливной камеры принимает на себя основные нагрузки. В это время требуемая дополнительная степень нагрузки мгновенно подается суперконденсатором из-за его быстрой динамики, в то время как степень топливной камеры увеличивается медленно.
На t = 45 с суперконденсатор разряжается ниже необходимого напряжения шины постоянного тока (270 В), и батарея начинает подавать степень для регулирования напряжения шины назад до 270 В.
На t = 48,5 с напряжение шины постоянного тока или суперконденсатора достигает 270 В, и батарея медленно уменьшает свою степень до нуля. Топливная камера обеспечивает полную степень нагрузки и продолжает подзаряжать суперконденсатор.
На t = 60 с запускается аварийный гидравлический насос, и суперконденсатор обеспечивает дополнительную степень переходной нагрузки, в то время как степень топливной камеры увеличивается медленно.
На t = 61,5 с батарея подключается для регулирования напряжения шины постоянного тока до 270 В и помогает топливной камере, обеспечивая необходимую дополнительную степень нагрузки.
На t = 70 с топливный элемент достигает своей максимальной мощности (мощность FCPM была ограничена 9 кВт из-за диапазона входных напряжений преобразователя постоянного/постоянного тока), и дополнительная мощность нагрузки обеспечивается батареей.
На t = 110 с батарея также достигает своей максимальной степени (4 кВт), и суперконденсатор обеспечивает дополнительную степень нагрузки.
На t = 125 с степень нагрузки уменьшается ниже максимальной степени топливной камеры. Из-за медленной динамики топливной камеры дополнительная степень топливной камеры во время переходных процессов передается суперконденсатору.
На t = 126 с напряжение шины постоянного тока достигает 270 В, и степень батареи падает до нуля.
На t = 130 с включается второй аварийный гидравлический насос и гибридная камера степени топлива аналогична поведению системы когда был включен первый гидравлический насос.
На t = 170 с степень нагрузки уменьшается ниже максимальной степени топливной камеры, и дополнительная степень топливной камеры передается как батарее, так и суперконденсатору.
На t = 180 с нагрузка внезапно увеличивается из-за движения закрылков/створок и шасси. Снова суперконденсатор быстро реагирует, обеспечивая дополнительную степень нагрузки.
На t = 185 с батарея разряжается, чтобы регулировать напряжение шины постоянного тока и помогает топливу камеры с дополнительной нагрузкой, степень требуется.
На t = 235 с самолет приземлился и степень нагрузки уменьшается внезапно. Дополнительная энергия топливной камеры сохранена в батарее и суперконденсаторе.
При t = 250 с самолет рулится, и топливная камера подаёт почти всю необходимую степень нагрузки.
При t = 330 с пассажиры были эвакуированы, и степень нагрузки уменьшается до нуля. Топливная камера медленно снижает свою степень до оптимальной степени и подзаряжает батарею.
Примечания
1. В порядок уменьшения объема используемой памяти для всех возможностей используется коэффициент десятикратного уменьшения 100, кроме возможностей Load (который использует коэффициент десятикратного уменьшения 10).
2. Для ускорения симуляции используются модели среднего значения преобразователей DC/DC и DC/AC.
3. Выберите другую стратегию управления энергопотреблением в блоке Системы управления энергопотреблением и сравните ее производительность с точки зрения потребления водорода, используемой энергии для хранения (батарея/суперконденсатор) и общей эффективности.
Ссылки
1. S. Njoya Motapon, L.A. Dessaint and K. Al-Haddad, «Сравнительное исследование схем управления энергетикой для топливной Камеры гибридной аварийной Степени системы большего количества электрических самолетов», транзакции IEEE по промышленной электронике, 2013 (IEEE ранний доступ