文摘

智能电网和基于可再生能源的分布式发电应用程序通常包括使用信息和通信技术(ICT)加上先进的控制和监测算法来提高效率和电网的可靠性和可再生发电系统。最近光伏系统已经成功地应用在分布式发电由于其较低的环境影响,电力能源的太阳辐照量有关,因此太阳入射光线的角度表面的模块。介绍了一个集成的信息通信技术以达到最大功率点跟踪翻译(MPPT)使用双轴太阳能跟踪系统光伏发电的应用。生成参考方位角和高度角的数字控制的全球定位系统(GPS)卫星的使用使实时获取太阳的地理坐标。作为系统的总集成内部交流平台基于802.15.4协议提供服务的无线传感器网络(网络)是采用监督和监测光伏工厂。一个2.4千瓦的原型系统来验证所提出的控制方案性能实现。

1。介绍

因为全球电力需求增长预测的国际能源机构(IEA)量化约81%从2011年到2035年,强劲的投资受到《京都议定书》提倡的能源政策,迫使批准国家减少温室气体排放(温室气体)最近批准了第二期从2013年1月到12月31日,2020年。这个场景都集中在可再生能源发电的研究工作(重新)来源。在这种背景下,目前光伏系统视为一个最有用的自然能源由于其制造业的不断降低成本,技术进步快,需要很少的维护,是无污染的1,2]。然而,光伏电池的输出功率取决于许多因素;这些包括操作温度、天气条件、辐照度和入射角的太阳辐射3]。为了克服这些缺点,最大功率应该从这些系统中提取使用物理跟踪获取最大功率点跟踪翻译(MPPT)。翻译分类法的MPPT技术应用到光伏电力系统中可以找到(4]。物理跟踪涉及调整光伏系统,将正交于太阳光每天为了获得最大太阳辐射(5]。已经实现了一些方法和评估光伏系统正交于太阳光。理想的太阳能跟踪器必须确保光伏电池是导向正确,补偿两个太阳的仰角的变化(每天)和纬向抵消太阳(在季节性变化)和方位角的变化。文献所示,对于某些地理位置40%额外的电力每年可以生产使用太阳能跟踪系统。这些系统通常分为两大类:被动的,1962年由Finster引入完全机械解决方案,并积极提出一种机制自动电子控制系统。上述分类的方法可以找到6]。积极跟踪器可以依次分类类型的电子控制驱动运动:在模拟类型生成的控制是基于信息的传感器检测到天空中最亮的点的位置,而在数字的情况下,执行控制通过一个微处理器控制算法确定最优位置结构的光伏系统的效率最大化(7,8]。在这两种情况下,太阳的位置通常是被两个光敏电阻(异地恋)传感器,通常位于两端的表面光伏模块。在数字的情况下,合成来自传感器的信号被送入一个电子控制系统,运营着一个低速直流电机通过减速旋转PV模块系统。这是一个简单和廉价的解决方案,但不幸的是,它不是实际主要变量或天气条件下的应用程序中,当快速改变发生在辐照度条件下由于局部阴影9,10]。介绍了一种新型双轴太阳能电子跟踪系统的设计对于光伏发电的应用程序,使用信息和通讯技术(ict)提高光伏系统的效率。生成引用(在方位角和仰角)的数字控制算法使用全球定位系统(GPS)卫星使实时获取太阳的地理坐标。控制系统的实现是基于dsPIC33FJ128MC802微处理器芯片生产的家庭。用于监控整个系统还提供了无线传感器网络(网络)内部基于802.15.4协议提供服务,如图的框图所示1。

本文组织如下。部分2介绍了二极管和two-diode模型对于光伏模块和参数模拟为一系列zdny - 100 c36 PV模块。部分3描述了一个面临设计自定义过程的仰角和方位角机制双轴太阳能跟踪系统。部分4讨论了控制策略应用于汽车的翻译,为了实现MPPT。其次,给出了实验结果5。在上一节给出结论。

2。光伏模块模型描述

不同的方法已经实现光伏模块的动态数学模型,但可能与single-diode和two-diode模型等效电路表示,见图2,代表使用最广泛的拓扑(11- - - - - -14]。two-diode模型,如图2(一个),特点是它的精度高;然而,它是相对复杂的患有低运算速度。第二种类型,single-diode模型如图2 (b),是最常用的模型在电力电子仿真研究中,因为它提供了一个合理的简单性和准确性之间的权衡。使用single-diode模型的另一个优点是可以用参数表示它只基于提供信息数据表(15]。因为这个原因,这项工作的重点是single-diode模型。简单的光伏电池等效电路是电流源并联一个二极管,如图2。电流源()代表当前光伏电池产生的由于光子接收到它,和它有不变的价值一直受到太阳辐照度和温度。方程模型的光伏系统性能可以获得从电路表示从基尔霍夫电流定律,从而导致以下方程: 在哪里和分别代表了二极管和电池输出电流,是二极管电压,分流电阻并联的二极管。另一方面,应用基尔霍夫电压定律在电路的图2 (b)可以通过以下方程: 在哪里光伏电池的电压和吗等效串联阻抗。考虑到二极管的典型特征,结合上面的方程,输出电流是由以下方程: 在哪里反向饱和电流和参数吗,,,,是电子电荷(C)、系列连接细胞的数量、玻尔兹曼常数,模块温度和理想结特征因子(,分别为单晶太阳能电池)。

2.1。仿真结果

使用Matlab / Simulink仿真环境的特点分析zdny - 100 c36系列PV模块,和模拟执行翻译评估参数仿真分析MPPT不同辐照度条件。表1显示了典型的电特性zdny - 100 c36模块的规格标准试验条件下获得(STC)考虑1000 W / m²太阳光谱辐照度的气团(AM) 1.5,和模块温度25°C。辐照假设参数模拟不同的值的变化范围在200年和1000年之间W / m²被认为是。一方面,图所示3(一个)显示当前的进化为不同的辐射值,这对于zdny - 100 c36光伏面板相当于最优操作电流(),详细说明操作点相当于STC 5.71可以量化。另一方面,数字3 (b)显示了力量进化zdny - 100 c36光伏模块的假设相同的辐照度变化范围。可以看出,考虑到优质,光伏模块是量化的最大功率为100 W。从这个参数仿真分析可以看出,变异的±10%的最优操作点,造成由于光伏模块的取向差,可能导致偏差的±23.30%的最佳力量。为了克服这些缺点的使用设计新颖的双轴太阳能跟踪系统使用信息通信技术建议。

3所示。双轴太阳能跟踪系统的描述

提出设计建模之前使用机械设计软件,SolidWorks。双轴太阳能跟踪系统的总体结构设计如图4(一)。结构的重量大约是800公斤,它的整体尺寸7000毫米×5400毫米×1250毫米。侧面及其尺寸细节可以显示在图4 (b)。的结构支持24 PV模块zdny - 100 c36系列。提出拓扑的主要优势是它的低阻力相比,风力与传统解决方案。它允许使用轻量级尺寸部分,导致汽车使用的好处在这个应用程序中,尤其是当考虑到所需的权力结构。不同系列的仰角线性致动器SM4S900M3C3使用,这是生产不锈钢管和主轴高碳钢能够承受动态负荷N。直线电机供应电压24 V直流和它允许的最大电流一个。电机轴耦合到一个高分辨率旋转编码器E6J-CWZ系列、解决每转脉冲(ppr)在这个应用程序中用于测量位移的线性致动器的位移相关结构在仰角。然后,改变方位角使用12 V直流电机减速系统,耦合的减速比1:70000。电机轴耦合到一个高分辨率增量编码器(E6B2-CWZ6C系列的决议400 ppr)来衡量结构的位置方位轴。在这两种情况下,结构的位置确定在实时传输无线内部使用802.15.4协议提供服务的主要计算机用于控制和监测光伏电站。参考控制系统(在方位角和仰角)P03/3-Modbus GPS气象站提供的通过使用专有的算法。这个设备测量温度、风速和亮度(东部、南部和西部阳光)。此外,它承认降水和接收协调世界时(UTC)信号以及站点坐标通过一个集成的GPS接收器。太阳的方向(方位)以及它的高度(海拔)计算上面的细节,然后传输到主计算机无线系列2 XBee的一对。此外,引用输入控制算法(方位角和仰角)传输使用一对系列1 XBee Pro。最初的和最后的位置双轴太阳能跟踪系统电子限位开关传感器探测到。 A detailed block diagram of the proposed biaxial solar tracking applied to the photovoltaic system is provided in Figure1。

3.1。提升机制

中使用的不同的组件实现光伏双轴太阳能跟踪系统的应用程序已经使用材料,符合国际标准的生产的风力负荷根据ISO 4354规范。整个系统已经根据提出的设计组装图所示4。另一方面,数字5(一个)显示海拔运动机构的设计的线性致动器耦合到一只手臂用来阐明运动可以看到。此外,图5 (b)显示一个图片的高度实现机制。

3.1.1。直线电机模型

假设通用传递函数(TF)直流电机的机械速度之间的关系)以每分钟转数(rpm)和电动机的电压(),考虑到电气和机械参数,电机模型可以用一个二阶近似方程如下: 在哪里,,,,电枢电阻和电感,电磁力常数,惯性矩,分别和粘滞摩擦系数。表2显示的值参数测量实验的特殊情况下线性致动器SM4S900M3C3。考虑采样频率为1.5赫兹和假设特遣部队由零级(ZOH),之前的TF在离散时间可以写使用整数阶方法如下: 在哪里是输入电压,状态向量,和矩阵,定义直线电机的动态,对于这组状态变量被定义为使用控制的规范形式表示

图6显示了实验验证的数学模型,使用Matlab / Simulink仿真计算工具实现7点开环操作。图中可以看出,阶跃响应仿真得到的收敛于实验值在不同的电压激励水平(从12到24伏,在步骤2 V)应用于发动机。

3.2。方位的机制

方位机制是基于直流电机减速系统耦合的,如图7(一)。为了减少方位的速度,两个水平的机制使用相结合的系统使用链传动crown-pinion耦合转向蜗轮减速机框。结构在方位方向旋转使用滚珠轴承钢系统来减少摩擦的影响。这个过程允许使用低功率直流电机将光伏系统。在图所示的方位机制实现的7 (b)。形成的结构是由块使用电弧焊接钢管和概要文件。工会的可移动部分进行使用不锈钢螺丝。每一个括号,8 100 W标称功率的光伏模块,已经安排如照片如图所示1。整个系统设计提供了一种最大功率2.4千瓦。

3.2.1之上。方位电机模型

以同样的方式与之前的情况机电参数的方位电机测量实验为了表示状态的数学模型。表3显示参数测量的值。在离散时间方位电机的数学模型可以写成: 在哪里是输入电压,状态向量,和是矩阵定义的动态方位电机,对这组状态变量使用被定义为

图8显示了实验验证的数学模型,使用Matlab / Simulink仿真计算工具实现4点开环操作。图中可以看出,阶跃响应仿真得到的收敛于实验值应用于电动机时不同的电压激励水平,从8到14伏在步骤2 V,分别。

4所示。控制策略

为了控制结构的位置,一个advanced-proportional积分导数(Advanced-PID)控制算法实现。Advanced-PID控制方法的主要优点是它的低计算负担进行控制。Advanced-PID的性能可以通过改变也修改这三个控制变量。Advanced-PID控制器的方案计算一个错误值是衡量变量之间的差异(编码器得到的结构位置传感器)和所需的定位点(太阳位置从GPS的气象站获得)。控制器试图最小化误差通过调整过程控制输入使用方案的框图所示图9。

离散的实现可以从框图获得使用有限差分近似为一阶衍生品通过逆向(16]。因此,积分和导数项可以离散采样时间;因此,控制方程可以写成: 在哪里,,,代表比例增益、积分和微分时间,分别和错误。为了减少噪声的影响,提出了控制策略,(这个词)(9)取而代之的是()。算法1显示了伪代码Advanced-PID控制算法,控制工作应用于方位角和仰角机制在每个采样时间的工作周期。

间隔小位移控制模式被应用到同步(仰角和方位角)汽车为了评估Advanced-PID控制算法的效率。间隔控制的结果如图10。Advanced-PID位置控制下进行PWM 19.5 kHz的频率和比例增益和积分和导数的值(,,)计算最初使用Ziegler-Nichols方法,随后调整了启发式规则来获得一个可以接受的动态响应。图10 ()显示了直线电机的多步反应小位移。这个数字表明,拟议中的Advanced-PID实现位置控制具有良好的动态响应考虑参数的时域测试上升时间(大约3 s),沉降时间(大约5 s)和过度和稳态误差(接近于零)。此外,图10 (b)显示的多步角响应方位电机,在那里可以看到的动态响应与稳态误差收敛于引用值(接近于零)。

图11显示了中位移和实验结果为不同值的比例增益和积分和微分时间(,,)。我们可以看到在图(11日)(直系电动机的情况下)和图11 (b)(方位电机的情况下)的多步反应与稳态误差收敛于参考价值(接近于零),即使它被认为是中等位移。

5。实验结果

所提出的控制策略进行了测试在2.4千瓦双轴跟踪系统,以变量仰角和方位角太阳的角度为参考,P03/3-Modbus GPS提供的气象站,如图12(一个)。线性和方位汽车是美联储通过h桥驱动程序用于生成两个独立19.5 kHz PWM信号基于锁反相(LA)技术。Advanced-PID位置控制是执行1.5赫兹的采样频率下使用以下值PID算法的收益:,,通过启发式规则可以,获得一个可以接受的动态响应。图12 (b)显示了一个比较分析之间的效率提出了双轴跟踪系统作为参考固定系统,在同一电气连接方案和负载条件下。产生的总功率是量化在5分钟的间隔不理想的天气条件下(浑浊)两种拓扑(双轴和固定系统)。固定定位系统是25.2972度的仰角(相同站点的纬度的双轴太阳能跟踪系统实现)和方位是0度得到它的南北方向。如图12 (b),双轴太阳能跟踪系统退化的力量产生了更高的权力和低于1 h内固定系统测试。的结果表明,该双轴太阳能跟踪系统引入了平均提高37%,获得的结果从一个固定的太阳能系统。

6。结论

可再生能源领域经历了实质性的增长在过去的几十年的光伏应用一直是最活跃的研究领域之一,由于成本的减少和增加效率。最近的研究已经进行了全球和许多有趣的发展已报告在文献中从几个互补方面效率最大化和提取光伏系统的最大功率。本文的新颖的设计双轴太阳能跟踪系统提出了利用信息通信技术来提高光伏系统的效率实现Advanced-PID控制结构以达到最优的位置PV模块实时垂直于太阳光线。最后,实验结果已经测量,以评估该系统和控制性能对太阳系的固定。效率的比较分析表明,生成的性能而言,权力从双轴太阳能跟踪系统可以量化的(平均)的37%,显示出倾向于增加发生剧烈的太阳方位角变化时。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢巴拉圭政府提供的经济支持的CONACYT格兰特(项目10 inv13)。此外,他们希望表达他们的感谢匿名评论者对他们有帮助的意见和建议。