СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
SOLAR ENERGY
Статья поступила в редакцию 07.07.15. Ред. рег. № 2284 The article has entered in publishing office 07.07.15. Ed. reg. No. 2284
УДК 621.311.29 doi: 10.15518/isjaee.2015.13-14.004
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СОЛНЕЧНОЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ С КОНТРОЛЛЕРОМ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ
С.Г. Обухов, И.А. Плотников
Национальный исследовательский Томский политехнический университет 634050 Томск, пр. Ленина, д. 30 Тел.: (3822) 563-501, e-mail: serob99@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 10.07.15 Заключение совета экспертов: 13.07.15 Принято к публикации: 16.07.15
В статье представлены результаты моделирования и исследования режимов работы солнечной фотоэлектрической станции с контроллером поиска точки максимальной мощности. Рассмотрены наиболее распространенные методы поиска точки максимальной мощности солнечных батарей: метод постоянного напряжения; метод напряжения холостого хода; метод короткого замыкания; метод случайных возмущений; метод приращения проводимости. Построена комплексная модель фотоэлектрической станции, включающей в себя солнечную батарею, силовой преобразователь с контроллером управления. Приведены результаты моделирования рабочих режимов системы при изменении солнечной инсоляции и температуры солнечной батареи.
Выполненный обзор различных методов поиска точки максимальной мощности солнечной батареи и анализ их функционирования при различных климатических условиях может быть полезен широкому кругу специалистов в области фотоэнергетики. Все предложенные модели компонентов фотоэлектрических систем реализованы в MATLAB/Simulink, что позволяет использовать их после несложной доработки для исследования систем произвольной конфигурации с другими типами преобразователей и контроллеров поиска точки максимума отбора мощности.
Ключевые слова: солнечный элемент, солнечная панель, фотоэлектрическая электростанция, контроллер поиска точки максимума отбора мощности, MATLAB.
MODELING AND STUDY OF MODES OF SOLAR PHOTOVOLTAIC POWER PLANT WITH A MAXIMUM POWER POINT TRACING CONTROLLER
S.G. Obukhov, I.A. Plotnikov
National Research Tomsk Polytechnic University 30 Lenin ave., Tomsk, 634050, Russia Tel.: (3822) 563-501, e-mail: serob99@mail.ru
Referred: 10.07.15 Expertise: 13.07.15 Accepted: 16.07.15
The results of modeling and investigation of solar photovoltaic power plant modes with maximum power tracking controller are represented. The most widespread methods for maximum power point tracking of solar panels are considered. The DC voltage method, no-load method, short circuit method, method of random disturbances and conductance increment method are reviewed. Complex photovoltaic plant model, including solar panel, power converter with controller, is created. The results of system's operating modes simulation when changing the insolation and the temperature of the solar cell are represented.
The review of the various methods to search for the maximum power of the solar cell conducted and the analysis of their performance under different climatic conditions can be useful for a wide circle of professionals in the field of photovoltaics. All the proposed models of photovoltaic systems components are implemented in MATLAB/Simulink, which allow their use after a simple revision for the investigation of any systems with other types of converters and maximum power tracking controllers.
Keywords: solar cell, solar panel, photovoltaic power plant, maximum power tracking controller, MATLAB.
Сергей Геннадьевич
Обухов Sergey G. Obukhov
Сведения об авторе: д-р техн. наук, доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий Национального исследовательского Томского политехнического университета. Образование: Томский политехнический институт (1985). Область научных интересов: энергетика, возобновляемая энергетика. Публикации: 83.
Information about the author: Doctor of Science (Technology), associate professor of the Department of electrical industries, National Research Tomsk Polytechnic University. Education: Tomsk Polytechnic Institute (1985). Research area: energy, renewable energy. Publications: 83.
Игорь Александрович Плотников Igor A. Plotnikov
Сведения об авторе: канд. техн. наук, доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий Национального исследовательского Томского политехнического университета. Образование: Томский политехнический институт (1984).
Область научных интересов: энергетика, возобновляемая энергетика, силовая электроника. Публикации: 72.
Information about the author: PhD (Technology), associate professor of the Department of electrical industries, National Research Tomsk Polytechnic University. Education: Tomsk Polytechnic Institute (1984). Research area: energy, renewable energy, power electronics. Publications: 72.
Введение
Фотоэлектрическое преобразование солнечного излучения является одной из самых перспективных технологий производства электрической энергии. В сравнении с другими технологиями возобновляемой энергетики ее конкурентными преимуществами являются доступность, большой срок службы, возможность создания генерирующих установок на широкий диапазон мощностей с максимальным приближением к объектам электропотребления. Рынок солнечной энергетики активно развивается, а фотоэлектрические станции (ФЭС) находят практическое применение в качестве источников питания самых разнообразных объектов в различных областях человеческой жизнедеятельности [1, 2].
В составе большинства современных ФЭС используется контроллер поиска точки максимальной мощности (ПТММ) (MPPT controller). Необходимость его применения вызвана тем, что вольт-амперные характеристики (ВАХ) солнечных батарей (СБ) являются нелинейными и изменяются в зависимости от значений солнечной инсоляции и температуры. В общем случае для каждой из возможных комбинаций величины температуры и интенсивности солнечного излучения на ВАХ имеется единственная точка максимальной мощности (ТММ), на которой
все компоненты электростанции могут работать с максимальной эффективностью, вырабатывая максимально возможную мощность. Работа в ТММ, обеспечиваемая контроллером ПТММ, позволяет увеличить выработку электроэнергии ФЭС на 15-25%.
Контроллер ПТММ представляет собой силовой преобразователь с экстремальной системой автоматического управления [3], которая, как правило, реализуется с использованием микропроцессорной техники. К настоящему времени разработано множество методов поиска ТММ СБ, часть из которых практически реализована и доступна для потребителя в коммерчески выпускаемых контроллерах ПТММ [4]. При этом известные методы поиска ТММ, а соответственно, и контроллеры, отличаются друг от друга по целому ряду показателей: количеству измерительных датчиков, сложности аппаратной реализации, скорости сходимости, диапазонам эффективной работы, стоимости и т.д. [4-6]. К сожалению, большинство представленных на рынке контроллеров ПТММ импортного производства. В современных условиях развития экономики, ориентированной на импортозамещение, актуальной является задача разработки отечественных контроллеров ПТММ для ФЭС.
Цель исследований, представленных в настоящей статье, состояла в моделировании и изучении режимов работы солнечной ФЭС с контроллером ПТММ.
Обзор известных методов поиска ТММ солнечных батарей
Известные методы поиска ТММ солнечных батарей можно разделить на две группы: косвенные и поисковые [5].
Наибольшее применение из косвенных методов поиска ТММ получили методы постоянного напряжения [7, 8], напряжения холостого хода [9, 10], тока короткого замыкания [7, 9], температурный метод [11, 12], метод вычисления максимума мощности [13, 14]. В косвенных методах выходная мощность СБ непосредственно не измеряется и, соответственно, ТММ может быть определена только с некоторым приближением. Однако косвенные методы надежны, просты в реализации и обеспечивают высокое быстродействие [15, 16].
К поисковым алгоритмам относится классический метод случайных возмущений [17, 18] и его многочисленные модификации [12, 19], метод приращения проводимости [20, 21], методы искусственного интеллекта, построенные на нечеткой логике [22, 23] и с применением нейронных сетей [23, 24], и др. [25, 26]. Поисковые методы позволяют более точно отслеживать ТММ, но их практическая реализация сложнее. Кроме того, поисковые методы могут приводить к ошибке нахождения направления поиска ТММ в условиях резкого изменения освещенности, а также определения глобального максимума мощности при частичном затемнении модулей СБ. В некоторых случаях применяют комбинированные методы, в которых используются как косвенные, так и поисковые алгоритмы [15, 16, 27]. Принцип работы наиболее популярных алгоритмов ПТММ описан в [5, 7, 10], результаты сравнения их характеристик представлены в [4, 6, 12, 15, 16, 26]. Рассмотрим наиболее популярные алгоритмы ПТММ, используемые в промышленных контроллерах.
Метод постоянного напряжения (constant voltage - CV) является самым простым из известных методов поиска ТММ солнечных батарей. Для управления преобразователем в данном методе используется сигнал рассогласования между текущим значением напряжения СБ VPV и фиксированным опорным напряжением VmF, величина которого принимается равной напряжению в ТММ VMPP используемых фотоэлектрических модулей (из технической спецификации) или задается в соответствии с предполагаемыми внешними условиями: уровнем инсоляции и температуры. Метод основан на предположении, что вариации освещенности и температуры СБ в процессе эксплуатации незначительны и постоянное опорное напряжение обеспечивает хорошее приближение к реальному напряжению в ТММ. Таким образом, рабочая точка на характеристике СБ практически никогда не совпадает с реальной ТММ и неизбежны потери энергии. Блок-схема алгоритма CV представлена на рис. 1.
Рис. 1. Блок-схема алгоритма метода постоянного напряжения (CV) Fig. 1. Algorithm of constant voltage (CV)
Анализ ВАХ фотоэлектрических модулей показывает, что влияние уровня освещенности на величину VMPP незначительно, в то время как
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.