真正优化光伏系统的基于滞环控制器在太阳:设计、实现和比较研究

文摘

本文介绍了两种策略基于磁滞控制光伏发电控制器。这些监管机构调整光伏电流和电压负载提供最大功率。监管机构的设计、生产和测试在ERCO-INSAT研究单位。拟议的结构是有经验的,结果证明了算法的鲁棒性控制和确认自己的能力来维持op timal实时功率。我们还提出了光伏系统的数学模型,动态模型考虑气候参数的变化以及模型的内部参数等系列和并联电阻。通过实验测试,验证了仿真结果证实了电流和电压控制器的有效性。这个模拟已经基于真正的太阳辐射和温度的使用场景记录的数字示波器通过中介的传感器。这两个技术是保证使用Dspace卡来控制直流/直流转换器和实现所选择的控制。

1。介绍

继2018年国际能源署(International Energy Agency)发布的报告,2030年全球能源消费和需求将增长45%。这一增长是由于人口发展,特别是工业化的国家有许多的居民超过二十亿(中国、印度、等)1- - - - - -4]。

一方面,传统的不可再生资源,如煤炭、石油、天然气、铀,几乎占据了绝大多数的世界生产电能。这种统治在生产中可能会导致资源枯竭的风险称为“化石”。

另一方面,环境问题就出现了,因为这种类型的能源资源造成破坏环境等温室气体的排放导致的增加污染和全球变暖。因此,为了使电力供应更环保,开发新的能源生产被称为“可再生能源”是至关重要的(5- - - - - -10]。

其中一个无污染的能源光伏能源。这个nonexhaustible源,尊重环境,可以产生能量通过直接的太阳辐射转换为电能。这种转换是通过太阳能电池的使用也被称为“光伏(PV)和主要是基于物理现象“光伏效应”。

光伏能源的商业化的形式可以是板的形式或光伏发电机。

光伏板具有的非线性输出特性影响的环境因素(温度和照明)。利用这个来源的可靠使用,有必要充分实现和使用最大的能源(11- - - - - -15]。

从光伏供电系统来源是使用最广泛的应用之一,是许多研究的主题的作品(16]。从实用的角度来看,这些应用程序是很难实现的。

确保持续的优化运行,光伏源和负载之间的适应是必要的。这种适应是执行的插入一个静态直流/直流转换器必须由一个最佳操作点跟踪系统控制。不同的方法提出的最大权力提取文献[17- - - - - -19]。

1968年1月,a·f·勃林格发达翻译第一MPPT控制律适合光伏能源。这种控制是基于一种自适应控制算法,使系统运行在最大功率点。这个命令的原则仍然是有效的,现在应用于其他更有效的数字算法,改善响应时间和搜索精度的PPM (20.]。

其他最大功率提取方法分为三个主要的家庭;首先是家庭的方法基于比例关系,也称为“间接或静态方法。“结果了21显示非常重视致力于气候因素能够确定最大功率点。这些方法通常是相对于一个定义良好的安装。我们发现控制电压调节和控制调节电流。

第二个家庭的方法被称为“高性能算法命令”或“直接或动态方法。”

他们使用的测量使用的光伏电池板的电压和电流的值。在这些方法中,我们发现“扰乱和Observ”(P&O)方法和“增量电导法。的研究开发22- - - - - -31日)表明,这些算法本质上是基于这些测量的变化(电流、电压)。

还有的家庭变结构方法。的发展(32,33)显示的原理方法。这种方法的原理本质上在于迫使系统达到一个给定的表面称为“滑动面”,并呆在那儿直到达到平衡。

还有的家庭智能方法如“遗传算法、神经网络和模糊逻辑“基于模糊逻辑技术的优势是,他们可以处理不精确的输入值,他们不需要一个高精度的数学模型。此外,他们可以处理非线性(34,35]。

近年来,使用控制的神经网络,在各领域的应用,不会停止增加,因为它从一个黑盒,不需要详细信息系统的功能(36- - - - - -39]。

遗传算法是非常相关的全球结构优化问题(问题诸多限制)。他们让伟大的自由的配置和实现各种处理操作(40]。

发达国家和本文中给出的工作本质上是基于建立提取最大光伏功率试验台。建议板凳上尽可能完整的设备和物流控制和优化,以确保一个核心的研发来提高这种类型的应用程序。

这项研究的主要目的在这项工作是分析最大功率运行基于两个原则真正滞后控制器和呈现这些监管机构的原型。

滞后监管机构通常用于工业由于其灵敏度遵循引用与精度。这种有效性证明尤其是在实践层面。

不同的作品(41- - - - - -43]表明,这种技术是基于控制电流或电压转换器,这样的变化是有限的在一群周围的引用。根据操作条件,开关的切换频率随机变化。

随后,我们将继续实施这些控制试验台的技术本质上是由光伏发电机安装在屋顶上的研究单位,最大功率500 W,直流-直流转换器(巴克,推拉),和一个电阻负载。命令是确保通过PC集成DS1104 dSpace卡。实验部分是伴随着仿真主要基于两个真正的和随机的使用场景的太阳辐射和温度。这些场景记录通过数字示波器(METRIX-OX 7104)。太阳辐射和温度测量,首先,通过两个传感器由我们的研究设计和生产团队。实验结果提出了工作记录一段15分钟,这使我们能够正确地测试这两个监管机构的有效性。

2。问题识别

如果PVG与负载直接耦合,操作点之间的交集是PVG和负载的电气特性17]。相应的权力在这个操作点不一定等于光伏阵列的最大功率可用(图1)。

为了达到最大功率点对应于最优光伏发电机产生的电力,必须插入一个适应阶段和提供一个控制,确保后续MPP表演在一个自动的方式选择静态转换器的工作周期。

这些命令通常是将文献中称为“最大功率点跟踪”翻译(MPPT)。这些技术本质上在于把每一次的操作点光伏发电机的MPP无论在负荷突然变化或天气情况。

回顾的光伏系统的不同的问题,我们有以下:(我)的强烈依赖性的特点,对气候条件光伏发电机。(2)的自适应阻抗源和负载之间的为了获得最优的操作。(3)使用的限制和几个算法提取的分歧最大的力量。(iv)需要实验验证,以证明方法的有效性与他人相比。(v)检查和控制电流和电压的适配器设备。

3所示。太阳能光伏系统配置

的主要缺点直接连接源和负载之间的权力之间的联系从源和一个应用程序,该应用程序常常是远离可以提供的最大功率光伏发电机。

插入一个静态转换器,连续/连续式,是必要的。这个转换器作为源和负载之间的适配器。以达到操作点对应于最优光伏发电机产生的电力,必须提供一个适应阶段命令自动跟踪MPP虽然代理的工作周期选择静态转换器。

这些命令通常命名为“最大功率点跟踪”翻译(MPPT)。这些技术本质上在于把每一次的操作点光伏发电机MPP,无论在负载突然变化或天气状况44- - - - - -48]。

提出和实施控制的原理图中给出了解决方案2。结构是基于推挽式变换器和巴克转换器。

兴趣使用这种类型的转换器(推拉)在这个配置是世电压的增加。这个转换器操作获得的20倍。所以,我们有一个输出电压的推挽式舞台。最后,控制是通过巴克转换器和保证。

推挽式变换器和巴克转换器用于该系统的功能改变固定电阻器到一个等价的变量。换句话说,等效电阻连接到光伏发电成为一个控制变量的函数值。

3.1。光伏发电机的建模和描述

太阳能电池是一个二极管pn结曝光。当二极管足够受到阳光的照射,它生成一个电流在负载电阻。将太阳辐射转换为电能的原理是基于“光伏效应”(49- - - - - -51]。从光伏系统中提取的能量是一个可靠的自然能源,因为它的生态。

光伏电池的电气行为是非线性的;一些作品接近这个主题造型。我们在这项工作中使用的模型所描述的系统(1)和(2),图3显示了我们的模型是基于电路。

这个模型的主要目的是估计的操作点光伏发电机从三个气候变量:太阳辐射、温度和风速。本系列模型集的动态变化和分流电阻:

该模型包括两个参数和光子对应饱和电流和电流的参考。这些数量分别评估的值在开路和短路条件。

光伏发电的光伏特性描述之前,系统(1)和(2),在数据绘制4和5针对各种太阳辐射值和温度。

(一)

(b)

(一)

(b)

3.1.1。太阳辐射的影响

显示太阳辐照度的影响对整个光伏面板的行为,我们设置的值结温25°C。图的曲线4反映了光伏发电机充分的功能行为。

所以,我们可以注意以下几点:(我)短路电流是非常敏感的太阳辐照度。它增加比例与照明,一个条件的数学模型。(2)最优功率几乎相同的行为是短路电流。最优轨迹是一条曲线的斜率为正根据最佳张力。

3.1.2。结温的影响

图的曲线5策划在1000 W / m²和四个接点温度的值。这些曲线也充分反映光伏面板的功能行为的现实与温度的变化:(我)短路电流几乎是温度的变化不敏感。(2)最优功率随着温度增加而减小。最优轨迹构成正斜率曲线的函数最优紧张。

4所示。控制的概念

转换器的性能取决于所采用的控制策略来生成控制信号(PWM)。许多数字和模拟方法可用于控制转换器(如动态方法和静态方法)。磁滞控制技术是最受欢迎的,因为他们提供良好稳定的电流和电压,快速反应,实现鲁棒控制,不复杂。

4.1。滞环电流控制器的概念

这种监管模式的基本结构如图6:

图7描述了磁滞的原则监管机构用作电流控制器。当光伏电流偏离的参考价值 ,固定的乐队控制滞后控制器,输出电流误差超过上滞后的乐队和开关信号C就低。以防错误大于 ,开关信号C变得很高。如果错误之间和 ,开关信号不开关(52,53]。

因此,磁滞C控制器产生控制信号来控制变频器开关为了维持当前的错误在其乐队。这个逻辑信号是由以下关系:

以下4.4.1。滞环电流调节器的设计

指上述磁滞控制的原则,发达国家控制电路是基于许多运算放大器包括比较器、反相,加法放大器。在这个层次上,重要的是要注意,即使是抗性拥有相同的特征,通常我们测量的偏差值,因为宽容。所以,我们有电路中插入的图8可调电位器串联电阻来弥补这种差异。在另一个方面,以确保稳定的信号在aop的输出,我们这些集成电路的负输入进攻,这就是为什么我们使用几个单位增益放大器,尽管在必要时反向输入。确保群众的“电”隔离控制部分和电源之间的阶段,在HCPL optcoupler 2531使用的是基于光电晶体管。图8给出了详细的滞环电流控制器的电子图卡IC1电路代表一个单位增益的反相放大器用于反转电流的参考信号。低振幅信号振荡在零附近添加到输出IC1构成的公差带,IC2交付的电路。这是由加法电路确保IC3的输出相比,当前在使用comparator IC4负载。此外,比较的结果,输出电路IC4,是另一个信号振荡−Vcc和+ Vcc之间。起初,这个信号由IC5补充。在第二次,它使用加法IC6连续抵消组件添加=−Vcc消除其消极成分。最后,利用这个信号buck变换器的控制,我们选择由一个光耦合器隔离群众HCPL 2531 IC7。

图9概述电子卡片的滞环电流控制器。

4.1.2。光伏系统的仿真与滞环电流控制

本文中的测试系统被认为是一个PV系统连接到一个电阻负载。系统有一个光伏阵列,推挽式变换器,巴克转换器。光伏系统模拟,使用一个二极管模型提出了部分2。每个模块包含36个光电池。

检查提出了监管机构的性能,光伏系统的MATLAB / Simulink模型最初发达。泰坦STP-12-50类型光伏模块的参数用于光伏发电机模型(规格表中列出1)。


太阳能电池板TITAN-12-50细胞类型:EFG multicristallin

系列细胞的数量ns	36
光伏阵列的数量Np	1
系列光伏阵列Ns	10
开路电压在STC(每一个光伏阵列)	21 V
短路电流在STC(每一个光伏阵列)	3.2
每一个光伏阵列最优电压STC ()	17.2 V
每一个光伏阵列最优电流STC ()	2.9
最优在STC	450 W

为了验证该方法的鲁棒性,我们提出了真正的太阳辐射和温度随机变化的情景。数据10和11展示真正的太阳辐射和温度的演化。

图12提出了实际和最优潮流的演变。这些结果表明,我_光伏当前忠实地遵循其引用构成我们控制的目的。最后,我们可以确认当前光伏收敛对其参考价值,这是由太阳辐射。

图13给出了精确运动的两个真实和最优大国PVG和变焦运动。这个数字可以让我们得出这样的结论:适当控制响应,给出两个大国之间的和谐的存在。

数据14和15代表的进化效率和真正的发电机的电压。这显然效率显示当前控制的效率值接近100%。

4.2。滞回电压控制器的概念

图16介绍了滞后电压控制器系统的总体结构与不同的块。

4.2.1。准备滞回电压调节器的设计

两个电压控制方案设计:首先是内部(或开环)控制,而第二个外部(或闭环)。然而两个电压控制选项是相同的在他们的基本与之前描述的电流调节器的设计;唯一的区别是,内部控制,我们控制的电压的电容器RC电路,过滤驱动直升机的控制信号。但是,外部控制,数量是衡量一个合适的传感器控制外部的监管机构。

外部监管机构,操作在一个封闭的循环,由控制电压的电阻负载,以便后者供应直流电压的参考价值。这个监管机构与上述电流调节器相同的结构,除了输入(t)是一个由一个合适的传感器电压测量的输出整流桥,与负载并联连接。这两种类型的电压调整器放置在同一个盒子如图17。控制的类型(内部或外部)是由一个简单的转换开关。

4.2.2。模拟光伏系统滞后电压控制

虽然使用相同的仿真参数作为当前的命令,和真实的场景中,我们发现这些结果分别显示太阳辐射的演变图18和温度图19。

实际和最优电压如图20.。这个结果显然证明了电压V_光伏总是在附近V_裁判尽管气候条件的变化。所以,我们可以得出关于这种类型的盈利能力的控制。

像往常一样,真正的和最佳的权力都记录下来。总是P_光伏权力是非常接近其参考如图21。

从两个大国之间的比率(测量有功功率和有功功率最优),我们记录的效率总是显示了很好的反应类型的命令基于电压的控制图22。

4.3。比较研究

在本部分中,我们将尝试比较(或多或少)这两种方法从权力的角度进行了研究。数据23和24清楚地表明“DeltaP”的演变,介绍了功率连续两个点之间的区别。然后,使用的场景,之后的电流控制显示更高的效率在最大功率电压控制如表所示2。


DeltaP	最小值	马克斯

滞环电流控制	0	40
滞回电压控制	−110	60

实现不同的缓解方法具有重要影响翻译的决定选择一个MPPT技术在别人。

因此,这些技术的特点是易于移植。虽然操作点靠近PPM,这类方法的主要缺点是有时的估计国际刑事法庭和Vco。

4.4。实验结果

图25给出了全局视图的光伏板安装在屋顶的实验室ERCO INSAT研究单位。这个太阳系是由十个相同的面板有特征表示在表1。

验证前面提出的模型,我们利用这种光伏板连接负载电阻。

图26显示了实验测试台用于实现和翻译研究提出MPPT表演。这个试验台由本质上的光伏发电机,照度传感器,温度传感器,一个电压,电流传感器,所有这一切都是设计和建造在ERCO-INSAT研究单位,推挽式变换器,巴克转换器,dSpace卡DS1104和控制面板,最后一个变量400 W功率的电阻负载。负载的变化值是确保通过文科开关。

4.5。光伏系统的实验结果与滞环电流控制

对于实验结果,我们使用五模块并联连接到提供电阻负载。这意味着在优质条件( 和 ),我们有 , ,和。

数据27和28分别显示温度和太阳辐射的进化。

电压和功率光伏的行为表明,翻译的MPPT算法健壮尽管太阳辐射和温度的快速变化。

数据29日和30.分别说明了光伏发电的发展和电压。

数据31日和32给两个真实和参考电流的变化和变异操作点的飞机P_光伏- - - - - -我_光伏。

翻译实验结果表明,提出的MPPT方法有太阳辐照下的快速响应快速变化。

4.6。实验结果滞后电压控制的光伏系统

相同的发电机与前面的方法,我们也试图实现这种技术,照明和温度场景显示数据33和34。

数据35和36分别呈现真正的电流的变化作为时间的函数,尤其是最大电压的监测。

5。结论

在这部作品中,插入一个适应阶段的兴趣源和负载之间的讨论。巴克和推挽式直升机的结构已被采用。滞环控制器的原理已经暴露,测试和实施。这些结果基本上可以展示这些控制方法的优点,提供良好的跟踪MPP和最重要的是一个很好的整合的实际电流和电压之间PVG和参考价值。

本研究的主要目的是开发翻译两个MPPT控制光伏系统为了获得最大功率与气候因素的随机场景。仿真结果以及实验验证表明一个非常伟大的效率滞后监管者实质上已确保很好的控制电流和电压导致权力的最优的提取。

最后,给出了实验验证来确认结果发现模拟。试验台是基于使用DS1104卡为了实现采用了控制结构。

命名法

E_年代:	太阳辐射(W / m²)
T_j:	二极管结温度(K°)
:	能隙的结(eV)
问:	电子电荷(1.6·10⁻¹³C)
:	玻尔兹曼常数(J / K°)
:	二极管品质因数
r_年代:	系列电阻器(Ω)
r_上海:	分流电阻(Ω)
我_cc:	短路电流(A)
我_ph值:	当前二极管(一个)
我_年代:	饱和电流二极管(A)
T_一个:	环境温度(°C)
:	热二极管的电压(V)
:	开路电压(V)
V_ω:	风速
米= 20:	推挽式变换器的比例。

数据可用性

光伏面板的参数用于支持本研究的结果中包括这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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