Energiagazdálkodási rendszerek hibrid elektromos áramforráshoz (Több elektromos repülőgép igénylése)

Ez a példa egy üzemanyagcellás hibrid elektromos forrás energiagazdálkodási rendszereit mutatja be.

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

hibrid

Áramkör leírása

Ez a példa a More Electric Aircraft (MEA) üzemanyagcellás alapú vészüzemi rendszerének szimulációs modelljét szemlélteti. Amint a futómű és a repülésvezérlő rendszerek villamosabbá válnak a MEA-ban, a hagyományos vészüzemi rendszer (ram légturbina vagy léghajtású generátor) által látott elektromos csúcsterhelés növekszik. Következésképpen fennáll annak a veszélye, hogy a repülő légturbinát (RAT)/léghajtású generátort (ADG) alacsonyabb repülőgép-sebesség mellett túlterhelik, ahol a termelt teljesítmény közel nulla. A MEA biztonságos leszállásának biztosításához robusztusabb vészüzemi rendszerre van szükség. Ez a modell alternatív vészüzemi rendszert mutat be, amely üzemanyagcellákon, lítium-ion akkumulátorokon és szuperkondenzátorokon alapul. A bemutató különféle energiagazdálkodási rendszereket is tartalmaz az üzemanyagcellás hibrid elektromos forráshoz.

Az üzemanyagcellás hibrid energiarendszert a Bombardier repülőgép reprezentatív vészrepülési profilja alapján tervezték, és a következőkből áll:

12,5 kW (csúcs), 30-60 V PEM (protoncserélő membrán) üzemanyagcellás teljesítménymodul (FCPM), 10 kW névleges teljesítménnyel.

48 V, 40 Ah, Li-ion akkumulátor rendszer.

291,6 V, 15,6 F szuperkondenzátoros rendszer (hat 48,6 V-os cella sorozatban)

12,5 kW-os üzemanyagcellás egyenáramú/egyenáramú átalakító, szabályozott kimeneti feszültséggel és bemeneti áramkorlátozással.

Két DC/DC konverter az akkumulátor rendszer kisütésére (4 kW teljesítmény-átalakító) és töltésére (1,2 kW-os buck konverter). Ezeket a konvertereket kimeneti feszültség is szabályozza áramkorlátozással. Normális esetben egyetlen kétirányú DC/DC átalakító is használható az energiaellátó rendszer súlyának csökkentésére.

15 kVA, 270 V DC be, 200 V AC, 400 Hz frekvenciaváltó.

Háromfázisú váltakozó látszólagos teljesítmény és teljesítménytényezőjű AC terhelés a MEA vészterhelési profil emulálására.

15 kW-os védőellenállás a szuperkondenzátor és az akkumulátor rendszerek túlterhelésének elkerülése érdekében.

Energiagazdálkodási rendszer, amely az energiát az adott energiagazdálkodási stratégia szerint osztja el az energiaforrások között. Ötféle energiagazdálkodási stratégiát hajtanak végre, amelyek a következők:

Az állami gép vezérlési stratégiája

A klasszikus PI szabályozási stratégia

A frekvencia leválasztása és a gép vezérlési stratégiája

Az egyenértékű fogyasztás minimalizálási stratégia (ECMS)

A külső energia-maximalizálási stratégia (EEMS)

Demonstráció

A bemutató bemutatja az üzemanyagcellás hibrid vészüzemi rendszer teljesítményét egy öt perces vészleszállási forgatókönyv során. Ebben a forgatókönyvben az üzemanyagcellás hibrid erőmű a következő események során biztosítja az alapvető terheléseket:

Azonnal, amikor a főgenerátorok elvesznek (ezt általában az Avionic és az APU akkumulátorrendszer feltételezi, amíg a RAT/ADG teljesen ki nem működik).

Vészhelyzeti hidraulikus szivattyú beindítás.

A csappantyúk/lécek és a fogaskerék mozgatása.

Taxik és az utasok kiürítése (ezt általában az Avionic és az APU akkumulátorrendszer is feltételezi, mivel a RAT/ADG nem lesz elérhető).

A választott energiagazdálkodási stratégia típusától függően az energiagazdálkodási rendszer ellenőrzi az egyes energiaforrások teljesítményét az üzemanyagcella és az akkumulátor DC/DC átalakítóinak referenciajelein (kimeneti feszültség és maximális áram) keresztül. Kattintson duplán az Energiagazdálkodási Rendszer elemre blokkolja és válassza ki például az Állami Gépvezérlés Stratégiát. Indítsa el a szimulációt. Kattintson duplán a Mérések elemre Blokk. Nyissa meg az áramellátást hatókör (a 270 V-os egyenáramú buszra vonatkoztatott energiaeloszlás bemutatása) az üzemanyagcellával együtt, Akkumulátor, SuperCap és Betöltés hatókörök. Az alábbiakban elmagyarázzuk, mi történik a szimulált vészleszállítási forgatókönyv alatt:

T = 0 s esetén az alapvető terheléseket a főgenerátorok szolgáltatják, és az üzemanyagcellás hibrid energiarendszert bekapcsolják, hogy felkészüljenek a valószínűtlen vészleszállásra.

T = 5 másodpercnél az üzemanyagcella elkezdi tölteni az akkumulátort az optimális teljesítményével (kb. 1 kW).

T = 40 s-nál minden generátor elvész. Az üzemanyagcellás hibrid erőmű átveszi az alapvető terheléseket. Ekkor a szükséges extra terhelési teljesítményt a szuperkondenzátor biztosítja gyors dinamikája miatt, miközben az üzemanyagcella teljesítménye lassan növekszik.

T = 45 másodpercnél a szuperkondenzátor a szükséges egyenáramú busz feszültség alatt (270 V) lemerül, és az akkumulátor energiát kezd biztosítani a busz feszültségének visszavezetésére 270 V-ra.

T = 48,5 s-nál az egyenáramú busz vagy a szuperkondenzátor feszültsége eléri a 270 V-ot, és az akkumulátor lassan nullára csökkenti teljesítményét. Az üzemanyagcella biztosítja a teljes terhelési teljesítményt, és folytatja a szuperkondenzátor feltöltését.

T = 60 s-nál elindul egy vészhelyzeti hidraulikus szivattyú, és a szuperkondenzátor biztosítja az extra tranziens terhelést, miközben az üzemanyagcella teljesítménye lassan növekszik.

T = 61,5 másodpercnél az akkumulátor online állapotban van, hogy az egyenáramú busz feszültségét 270 V-ra szabályozza, és a szükséges extra terhelés biztosításával segíti az üzemanyagcellát.

T = 70 s-nál az üzemanyagcella eléri maximális teljesítményét (az FCPM teljesítményét 9 kW-ra korlátozták a DC/DC átalakító bemeneti feszültségtartománya miatt), és az extra terhelhetőséget az akkumulátor biztosítja.

T = 110 másodpercnél az akkumulátor is eléri maximális teljesítményét (4 kW), és a szuperkondenzátor biztosítja az extra terhelhetőséget.

T = 125 s esetén a terhelési teljesítmény az üzemanyagcella maximális teljesítménye alá csökken. A lassú üzemanyagcella-dinamika miatt a tranziensek közbeni extra üzemanyagcella-teljesítmény a szuperkondenzátorba kerül.

T = 126 s értéknél az egyenáramú busz feszültsége eléri a 270 V-ot, és az akkumulátor teljesítménye nullára csökken.

T = 130 s esetén bekapcsol a második vészhidraulikus szivattyú, és az üzemanyagcellás hibrid erőmű viselkedése hasonló az első hidraulikus szivattyú bekapcsolásakor.

T = 170 s esetén a terhelési teljesítmény az üzemanyagcella maximális teljesítménye alá csökken, és az extra üzemanyagcella-teljesítmény mind az akkumulátorra, mind a szuperkondenzátorra kerül.

T = 180 s-nál a terhelés hirtelen megnő a fedél/léc és a futómű mozgása miatt. A szuperkondenzátor ezúttal is gyorsan reagál az extra terhelési teljesítmény biztosításával.

T = 185 s-nál az akkumulátor lemerül, hogy szabályozza az egyenáramú busz feszültségét, és segíti az üzemanyagcellát a szükséges extra terheléssel.

T = 235 s-nál a repülőgép leszállt, és a terhelhetőség hirtelen csökken. Az extra üzemanyagcellás energia az akkumulátorban és a szuperkondenzátorban van tárolva.

T = 250 s-nál a repülőgép gurul, és az üzemanyagcella majdnem a teljes szükséges terhelési teljesítményt biztosítja.

T = 330 s esetén az utasokat kiürítették, és a terhelhetőség nullára csökken. Az üzemanyagcella lassan csökkenti az optimális teljesítményt, és újratölti az akkumulátort.

Megjegyzések

1. A felhasznált memória mennyiségének csökkentése érdekében 100-as decimációs tényezőt használunk minden hatókörre, a terhelés kivételével hatókör (amely 10-es decimációs tényezőt használ).

2. A szimuláció felgyorsítására a DC/DC és DC/AC konverterek átlagos értékű modelljeit alkalmazzák.

3. Válasszon egy másik energiagazdálkodási stratégiát az Energiagazdálkodási Rendszerben blokkolja és hasonlítsa össze a teljesítményét a hidrogénfogyasztás, a tároló (akkumulátor/szuperkondenzátor) felhasznált energia és az általános hatékonyság szempontjából.

Hivatkozások

1. S. Njoya Motapon, L. A. Dessaint és K. Al-Haddad, "Több elektromos repülőgép üzemanyagcellás hibrid sürgősségi villamosenergia-rendszerének energiagazdálkodási rendszereinek összehasonlító vizsgálata", IEEE tranzakciók az ipari elektronikán, 2013 (IEEE korai hozzáférés).

Nyissa meg a Példa lehetőséget

Ennek a példának a módosított verziója létezik a rendszerén. Meg akarja nyitni ezt a verziót?