Този пример показва системи за управление на енергията за хибриден електрически източник на горивни клетки.

Souleman Njoya M., Louis-A. Dessaint (Ecole de technologie superieure, Монреал) и Susan Liscouet-Hanke (Bombardier Aerospace)

хибриден

Описание на веригата

Този пример илюстрира симулационен модел на аварийна енергийна система, базирана на горивни клетки на More Electric Aircraft (MEA). Тъй като системите за управление на колесника и полета стават все по-електрически в MEA, пиковото електрическо натоварване, наблюдавано от конвенционалната аварийна система за захранване (въздушна турбина или въздушен генератор), се увеличава. Следователно съществува потенциален риск от претоварване на въздушната турбина (RAT)/задвижван от въздуха генератор (ADG) при по-ниски скорости на самолета, където произведената мощност е почти нула. Необходима е по-здрава система за аварийно захранване, за да се осигури безопасно кацане на MEA. Този модел представя алтернативна система за аварийно захранване, базирана на горивни клетки, литиево-йонни батерии и суперкондензатори. Демото включва и различни системи за управление на енергията за хибриден електрически източник на горивни клетки.

Хибридната система за захранване с горивни клетки е проектирана на базата на представителен авариен полетен профил на самолет Bombardier и се състои от следното:

12,5 kW (пик), 30-60 V PEM (протонна обменна мембрана) модул за захранване на горивни клетки (FCPM), с номинална мощност 10 kW.

Система от 48 V, 40 Ah, Li-ion батерия.

291,6 V, 15,6 F, суперкондензаторна система (шест 48,6v клетки последователно)

12,5 kW DC/DC усилващ преобразувател на горивни клетки с регулирано ограничение на изходното напрежение и входния ток.

Два DC/DC преобразуватели за разреждане (преобразувател на усилване от 4 kW) и зареждане (преобразувател с мощност от 1,2 kW) на батерията. Тези преобразуватели също имат изходно напрежение, регулирано с ограничение на тока. Обикновено един двупосочен DC/DC преобразувател също може да се използва за намаляване на теглото на енергийната система.

Инверторна система 15 kVA, 270 V DC, 200 V AC, 400 Hz.

Трифазен променлив товар с променлива привидна мощност и фактор на мощността, за да емулира профила на аварийно натоварване MEA.

Защитен резистор от 15 kW, за да се избегне презареждането на суперкондензатора и батерийните системи.

Система за управление на енергията, която разпределя мощността между енергийните източници според дадена стратегия за управление на енергията. Прилагат се пет вида стратегии за управление на енергията, които са:

Стратегията за управление на държавната машина

Стратегията за класически PI контрол

Стратегията за разделяне на честотата и управление на държавна машина

Стратегията за еквивалентно минимизиране на потреблението (ECMS)

Външната стратегия за максимизиране на енергията (EEMS)

Демонстрация

Демонстрацията показва работата на хибридната система за аварийно захранване с горивни клетки по време на петминутен сценарий за аварийно кацане. В този случай хибридната система за захранване с горивни клетки осигурява основните натоварвания по време на следните събития:

Незабавно, когато основните генератори се загубят (това обикновено се приема от батерията на Avionic и APU, докато RAT/ADG бъде напълно разгърнат).

Стартиране на аварийни хидравлични помпи.

Движение на клапата/ламелите и предавката надолу.

Рулиране с такси и евакуация на пътници (също обикновено се приема от батерията Avionic и APU, тъй като RAT/ADG става недостъпна).

В зависимост от избрания тип стратегия за управление на енергията, системата за управление на енергията контролира мощността на всяко устройство с източник на енергия чрез референтните сигнали (изходно напрежение и максимален ток) на DC/DC преобразувателите на горивната клетка и батерията. Щракнете два пъти върху системата за управление на енергията блокирайте и изберете например Стратегията за управление на държавната машина. Стартирайте симулацията. Щракнете два пъти върху Измерванията блок. Отворете захранването обхват (показващ разпределението на мощността по отношение на шината 270 V dc) заедно с горивната клетка, Батерия, SuperCap и Заредете обхвати. Следното обяснява какво се случва по време на този симулиран сценарий за аварийно кацане:

При t = 0 s основните натоварвания се доставят от основните генератори и хибридната система за захранване с горивни клетки се включва, за да се подготви за невероятна ситуация на аварийно кацане.

При t = 5 s горивната клетка започва да презарежда батерията с оптималната си мощност (около 1 kW).

При t = 40 s всички генератори се губят. Хибридната система за захранване с горивни клетки поема основните натоварвания. По това време необходимата мощност за допълнително натоварване се доставя незабавно от суперкондензатора поради бързата му динамика, докато мощността на горивните клетки се увеличава бавно.

При t = 45 s суперкондензаторът се разрежда под необходимото напрежение на постояннотоковата шина (270 V) и батерията започва да осигурява мощност за регулиране на напрежението на шината обратно до 270 V.

При t = 48,5 s напрежението на постояннотоковата шина или суперкондензатора достига 270 V и батерията намалява бавно мощността си до нула. Горивната клетка осигурява общата мощност на натоварване и продължава да зарежда суперкондензатора.

При t = 60 s се стартира аварийна хидравлична помпа и суперкондензаторът осигурява допълнителна преходна мощност на натоварване, докато мощността на горивната клетка се увеличава бавно.

При t = 61,5 s батерията идва онлайн, за да регулира напрежението на постояннотоковата шина до 270 V и помага на горивната клетка, като осигурява необходимата допълнителна мощност на натоварване.

При t = 70 s горивната клетка достига максималната си мощност (мощността на FCPM е ограничена до 9 kW поради обхвата на входното напрежение на преобразувателя DC/DC), а мощността на допълнителното натоварване се осигурява от батерията.

При t = 110 s батерията също достига максималната си мощност (4 kW) и суперкондензаторът осигурява допълнителна мощност на натоварване.

При t = 125 s мощността на натоварване намалява под максималната мощност на горивната клетка. Поради бавната динамика на горивните клетки, допълнителната мощност на горивните клетки по време на преходни процеси се прехвърля към суперкондензатора.

При t = 126 s напрежението на постояннотоковата шина достига 270 V и мощността на батерията пада до нула.

При t = 130 s се включва втора аварийна хидравлична помпа и поведението на хибридната енергийна система на горивните клетки е подобно на това, когато е била включена първата хидравлична помпа.

При t = 170 s мощността на натоварване намалява под максималната мощност на горивната клетка и допълнителната мощност на горивната клетка се прехвърля както към акумулатора, така и към суперкондензатора.

При t = 180 s натоварването внезапно се увеличава поради движението на клапата/ламелите и колесниците. За пореден път суперкондензаторът реагира бързо, като осигурява допълнителна мощност на натоварване.

При t = 185 s батерията се разрежда, за да регулира напрежението на постояннотоковата шина и помага на горивната клетка с необходимата допълнителна мощност на натоварване.

При t = 235 s самолетът е кацнал и мощността на товара намалява внезапно. Допълнителната енергия на горивните клетки се съхранява в батерията и суперкондензатора.

При t = 250 s самолетът рулира и горивната клетка доставя почти цялата необходима мощност на натоварване.

При t = 330 s пътниците са евакуирани и мощността на товара намалява до нула. Горивната клетка намалява бавно мощността си до оптималната си мощност и зарежда батерията.

Бележки

1. За да се намали количеството на използваната памет, се използва коефициент на децимация 100 за всички обхвати, с изключение на Load обхват (който използва коефициент на децимация 10).

2. За ускоряване на симулацията се използват модели със средна стойност на DC/DC и DC/AC преобразуватели.

3. Изберете различна стратегия за управление на енергията в Системата за управление на енергията блокира и сравнява неговите характеристики по отношение на потреблението на водород, използваната енергия за съхранение (батерия/суперкондензатор) и общата ефективност.

Препратки

1. S. Njoya Motapon, L.A. Dessaint и K. Al-Haddad, "Сравнително проучване на схемите за управление на енергията за хибридна аварийна система за захранване с горивни клетки на повече електрически самолети", IEEE транзакции на индустриалната електроника, 2013 (IEEE ранен достъп).

Отворете пример

Модифицирана версия на този пример съществува във вашата система. Искате ли вместо това да отворите тази версия?