Подход к построению адаптивного алгоритма экстремального регулирования мощности в системе солнечной энергетики

Abstract

Актуальность работы определяется необходимостью повышения показателей энергоэффективности силовых преобразовательных устройств для нужд альтернативной энергетики, в частности - для солнечной энергетики. Одна из проблем преобразования солнечной энергии в электрическую заключается в невысоком уровне энергетической эффективности этого процесса. Ввиду переменной величины освещенности солнечных панелей в суточном цикле, параметры получаемой энергии являются переменными, следовательно, настройки вторичных преобразователей электрической энергии должны быть адаптивными. Повышение качества функционирования альтернативных источников питания возможно за счет использования методов экстремального регулирования. В статье рассматриваются некоторые известные алгоритмы для системы управления повышающего преобразователя напряжения, реализующие поиск в пространстве рабочих параметров преобразователя точки максимальной мощности. Актуальной является задача выбора оптимального алгоритма из адаптивного (с подбором шага) и неадаптивного алгоритмов возмущения и наблюдения, при которых устройство варьирует полезное входное сопротивление преобразователя (путём изменения параметров широтно-импульсного модулятора или управляющего сигнала, формирующего входные величины напряжения, тока или мощности). Внесенные возмущения изменяют напряжение преобразователя, после измерения его выходных параметров производится следующий шаг возмущения-наблюдения. Кроме того, исследован алгоритм возрастающей проводимости, при котором преобразователь фиксирует динамику изменения тока и напряжения солнечной батареи для расчета параметров преобразователя с целью максимизации генерируемой мощности. Этот алгоритм является более требовательным к вычислительным ресурсам системы управления, но отслеживает изменение окружающих условий с большей скоростью. Проводится их сравнение и построение на их основе нового комбинированного алгоритма экстремального регулирования. Цель работы: сравнение алгоритмов поиска точки максимальной мощности для автономной системы электропитания на основе солнечных батарей; разработка нового алгоритма для системы управления преобразователем напряжения, реализующего функцию экстремального регулирования; моделирование повышающего преобразователя напряжения в схеме преобразования энергии солнечных батарей с улучшенными показателями коэффициента полезного действия и быстродействия; создание физического макета конечного устройства и оценка его показателей. Методы исследования: обзор литературных источников по типовым схемам преобразователей энергии солнечных батарей на основе DC-DC конвертеров и алгоритмам поиска точки максимальной мощности, сравнительный анализ имеющихся данных с использованием средств компьютерного моделирования. Использованы как методы имитационного моделирования с помощью программы Matlab/Simulink, так и макетирование с проведением соответствующих экспериментов: настройка ПИ-регулятора, имитация различных уровней затемнения солнечной батареи, оценка коэффициента полезного действия и времени переходного процесса преобразователя. Результаты. Разработаны имитационные модели для метода возмущения и наблюдения (адаптивного и неадаптивного) и метода возрастающей проводимости, а также проведено сравнение их применения при различных уровнях освещённости. Составлено программное обеспечение для микропроцессорной системы управления двухфазным повышающим преобразователем напряжения, и проведен ряд опытов по имитации различных уровней освещённости солнечной батареи для оценки коэффициента полезного действия экспериментальной установки. Получены показатели коэффициента использования по мощности до величины, равной 99 % для варианта с адаптивным алгоритмом изменения шага. При экспериментальном исследовании достигнуты аналогичные показатели коэффициента использования по мощности, соответствующие 95-96 %, при времени квантования 10 мс (для неадаптивного алгоритма возмущения и наблюдения).

The relevance of the discussed issue is caused by the need to improve energy efficiency of DC-DC power converting devices for needs of alternative power engineering. One of the problems of converting solar energy into electrical one is a low level of energy efficiency of this process. Due to variable value of illumination of solar panels during the day, the parameters of energy received are variable, hence, the settings of secondary electrical energy converters must be adaptive. Improving the quality of functioning of alternative power sources is possible due to the use of methods of extreme regulation. The paper considers some famous algorithms for a control system of boosting voltage converter which implement the search for operating parameters of the converter of the maximum power point. The problem of choosing optimal algorithm from the adaptive (with the choice of step) and non-adaptive algorithms of disturbance and observation is relevant as well. In addition, the algorithm of increasing conductivity was investigated. Comparison and construction of these algorithms and a new combined algorithm of extreme regulation on their basis were carried out. The main aim of the study is to compare the maximum power point search algorithms; develop a new algorithm for a voltage converter control system and physical model of the final device and estimate its efficiency. The methods: reviewing of technical publications concerning maximum power point tracking algorithms; simulation modeling using Matlab/Simulink and certain experiments with a prototype of two-phase DC-DC boost converter. The experiments and modeling include: setup of PI-regulator, imitation of various levels of blackout of a solar battery, assessment of the converter efficiency. The results. The authors developed the simulation models for adaptive and non-adaptive perturbation and observation and incremental conductance method and studied their application for different levels of illumination. The software for a microprocessor control system was designed. The authors carried out the experiments in simulation of different levels of illumination of the solar battery to estimate the efficiency of the device. The research demonstrates high value of maximum power point tracking efficiency (99 %) for option with adaptive algorithm of a step change. At the experiment the similar indicators of accuracy (95-96 %) were obtained, at quantization time of 10 ms (for not adaptive algorithm of perturbation and observation).