Энергетическая модель контроллера солнечной батареи

Аннотация

Рассмотрена энергетическая модель контроллера солнечной батареи, методика моделирования и исследования энергетических процессов в системах электропитания, разработанная с помощью системы проектирования MatLab 7.9.

Полный текст

Автономные системы электропитания на основе солнечных батарей (СБ) находят все более широкое применение. Это связано, во-первых, с тем, что в последние десятилетия значительно расширился спектр электротехнических устройств и приборов, применяемых в различных областях деятельности человека, использующих энергию СБ, и, во-вторых, со значительным снижением их стоимости. В состав таких систем, помимо СБ, входит аккумуляторная батарея (АБ), кабельная сеть, коммутатор нагрузки и кон троллер солнечной батареи. Несмотря на то, что перечисленные выше элементы применяются достаточно давно, изучение особенностей их функционирования и разработка математических моделей остаются актуальными и сегодня [1]. Постановка задачи. При проектировании и эксплуатации автономных систем электропитания (СЭП) на основе солнечных батарей необходимо: -обеспечить энергобаланс в СЭП при известных энергетических характеристиках основных и буфер 111 Вестник СибГАУ. № 1(47). 2013 ных источников энергии и временной диаграмме энергопотребления со стороны нагрузки; - оценить влияние деградационных изменений энергетических характеристик основных и буферных источников на работу СЭП; - выбрать солнечные и аккумуляторные батареи исходя из условия обеспечения энергобаланса. - разработать и реализовать алгоритмы управления и обеспечения заданных режимов элементов СЭП. Для решения указанных проблем целесообразно использовать методы компьютерного имитационного моделирования. Для разработки математической модели системы необходимы модели составляющих её элементов. С разработанной моделью солнечной батареи можно ознакомиться в [2], а в качестве моделей аккумуляторных батарей используются модели батарей, входящих в состав библиотеки SimPowerSystems пакета MatLab 7.9 [3]. Модель контроллера солнечной батареи рассматривается в настоящей статье. Логика функционирования модели контроллера должна учитывать: - работу контроллера в режиме экстремального регулирования мощности СБ при дефиците мощности СБ; - заряд АБ постоянным током ограничения задаваемой величины ( I3 ) при избытке мощности СБ; - заряд АБ снижающимся током при достижении напряжения АБ задаваемого уровня ( Uæ max ) в условиях избытка мощности СБ; - прерывание процесса заряда АБ при снижении напряжения СБ ниже уровня напряжения АБ; - учёт изменения КПД силовой цепи контроллера в зависимости от напряжений на СБ и АБ, а также мощности, потребляемой от СБ. Решение задачи. Для решения поставленной задачи используется среда визуального моделирования Simulink, входящая в состав пакета MATLAB 7.9. Одним из главных его достоинств является возможность моделирования, сочетающего методы структурного и имитационного моделирования. Такой подход, в отличие от пакетов схемотехнического моделирования, позволяет существенно упростить модель, а, следовательно, повысить её устойчивость и скорость работы. Модель контроллера солнечной батареи. Блок SOLAR_CONTROLLER представлен на рис. 1, а. На его входы поступают сигналы U_N_SB - напряжение с выхода модели солнечной батареи, используемое экстремальным регулятором мощности, и U_AB -напряжение аккумуляторной батареи, используемое преобразователем тока АБ. Основными элементами блока SOLAR_CONTROLLER являются экстремальный регулятор мощности СБ и конвертер тока заряда АБ. Модель экстремального регулятора мощности СБ описана в [2]. Модель конвертера тока АБ [4], которая выполняет описанные выше функции, за исключением функции экстремального регулирования мощности представлена на рис. 1, б. > > SOLAR_KONTROLLER а ) U_AB ) P_SB ) l_SB l_AB > ) U_SB ) l_LOAD Рис. 1. Структура модели контроллера СБ а - блок SOLAR_CONTROLLER; б - блок CURRENT_CONVERTER На величину тока заряда АБ влияют следующие параметры: напряжение на выходе АБ ( 0лб ), мощность солнечной батареи ( Рсб ), ток солнечной батареи ( Ic6 ), напряжение солнечной батареи ( Uc6 ) и ток нагрузки модели контроллера ( !н ). Важнейшей составляющей подсистемы CURRENT_CONVERTER является блок PR_L, реализованный с помощью блока S-Function Builder2 на языке С++ [5; 6]. Рассмотрим принцип работы Блока S-FunctionBuilder2 (рис. 2). На входы блока поступают 8 сигналов. ) иО ) u1 ) u2 ) u3 ) u4 ) l_pad ) l_sb > l_LÜAD S-Function Buildeiï Рис. 2. Блок S-FunctionBuilder2 Логика функционирования модели определяется сигналами u0 ^ u4. На эти входы поступают сигналы, являющиеся результатами сравнения величин 0лб, Рсб , Ic6 , Uc6 , IB с соответствующими уставками, и, U_AB P_SB l_SB l_AB U_SB 1 LOAD CURRENT_CONVERTER б U_N_SB l_AB U AB 112 Авиационная и ракетно-космическая техника в зависимости от результатов сравнения, модель функционирует в одном из следующих пяти режимов: - если напряжение на выходе АБ меньше максимально возможного напряжения АБ и мощность, генерируемая солнечной батареей, меньше суммарной мощности аккумуляторной батареи и нагрузки, на вход u0 подается сигнал «1» (на входы u1, u2, u3 и u4 подается «0»), и система работает в режиме экстремального регулирования; - если напряжение на выходе АБ меньше максимально возможного напряжения АБ, и мощность, генерируемая солнечной батареей, больше суммарной мощности аккумуляторной батареи и нагрузки, на вход u1 подается сигнал «1» (на входы u0, u2, u3 и u4 подается «0»), и контроллер заряжает АБ постоянным задаваемым током; - если напряжение на выходе АБ равняется максимально возможному напряжению АБ и мощность, генерируемая солнечной батареей, больше суммарной мощности аккумуляторной батареи и нагрузки, на вход u2 подается сигнал «1» (на входы u1, u2, u3, u4 подается «0»), и контроллер заряжает АБ снижающимся током; - если мощность, потребляемая нагрузкой, превышает мощность СБ, то на вход и4подаётся сигнал «1» (на входы u0, u1, u2 и u3 подается «0»), и модель работает в режиме разряда АБ; - во всех остальных случаях системы сигнал «1» подается на вход u3 (на входы u0, u1, u2 и u4 подается «0»), и заряда АБ не происходит. Исходный код программы блока S-FunctionBuil-der2 с комментариями: if (u0[0] == 1) // если выполняется условие u0 -> контроллер работает в режиме экстремального регулирования I_ab[0] = I_sb[0]-I_nagruzki_modeli[0]; // и ток заряда АБ равен разнице тока солнечной батареи и тока нагрузки else if (u1[0] == 1) // если выполняется условие u1 -> контроллер заряжает АБ постоянным током I_ab[0] = 4; // величина постоянного задаваемого тока = 4 А else if (u2[0] == 1) // если выполняется условие u2 -> напряжение АБ достигло своего максимального значения I_ab[0] = I_pad[0]; // и контроллер заряжает АБ падающим током else if (u3[0] == 1) // если выполняется условие u3 -> система не заряжает АБ I_ab[0] = 0; // ток АБ = 0 if (u4[0] == 1) // если выполняется условие u4 -> АБ работает в режиме разряда I_ab[0] =I_sb[0]-I_nagruzki_modeli[0]; // величина тока разряда определяется мощностью нагрузки. Тестирование модели контроллера тока заряда АБ. Для проверки правильности функционирования модели контроллера солнечной батареи в соответствии с оговоренными в постановке задач алгоритмами проведено тестирование модели контроллера СБ. Логика функционирования модели описана выше. На рис. 3 приведены временные диаграммы, поясняющие работу модели контроллера солнечной батареи при максимальной мощности СБ 120 Вт, максимально допустимом напряжении АБ 14 В и ограничением на зарядный ток 4 А. 4 1_аЬ, А 3 2 1 0 P_sb, Вт 80 -60 -40 -20 -0 time, з Рис. 3. Временные диаграммы, поясняющие работу модели На временных диаграммах I_ab, P_sb и U_ab пока- АБ соответственно. На временных диаграммах видно, заны ток АБ, мощность СБ и напряжение на выходе что на интервале времени [0^t1] мощность СБ равна 113 Вестник СибГАУ. № 1(47). 2013 нулю. Ток АБ также равен нулю, и заряда АБ не происходит. Начиная с момента времени t1 СБ начинает генерировать мощность. С ростом мощности СБ растет ток заряда АБ. На интервале времени [ti^t2] система работает в режиме экстремального регулирования. В момент времени t2 ток заряда АБ достигает задаваемого уровня ограничения, поэтому на интервале [t2^t3] контроллер заряжает АБ постоянным током. В момент времени t3 напряжение АБ достигает максимально допустимой величины, поэтому на интервале [t3^t4] контроллер заряжает АБ падающим током. К моменту времени t4 ток АБ становится равным нулю, следовательно, заряд АБ прекращается. Поскольку в данной модели нагрузка отсутствует, и, следовательно, ток нагрузки равен нулю, в тестировании не рассмотрен режим разряда АБ. Таким образом, убеждаемся, что модель функционирует в соответствии с алгоритмами, оговорёнными в постановке задачи. Разработана модель контроллера солнечной батареи с использованием функциональных блоков в программном пакете автоматизированного проектирования MATLAB 7.9. Она обеспечивает возможность задавать ток заряда аккумуляторной батареи в трех режимах работы: экстремального регулирования, заряда аккумуляторной батареи постоянным током и заряда аккумуляторной батареи падающим током, что подтверждают результаты тестирования. Эта модель контроллера может быть использована в составе моделей систем электропитания для решения задач, связанных с обеспечением энергобаланса и отработки алгоритмов управления в таких системах.