Энергетическая модель контроллера солнечной батареи

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- 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 ( I _З ) при избытке мощности СБ;

– заряд АБ снижающимся током при достижении напряжения АБ задаваемого уровня

( U _{аб 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 .

а

б

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 ( U _аб ), мощность солнечной батареи ( Р _сб ), ток солнечной батареи ( I _cб ), напряжение солнечной батареи ( U _cб ) и ток нагрузки модели контроллера ( I _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.

Рис. 2. Блок S-FunctionBuilder2

Логика функционирования модели определяется сигналами u0 ÷ u4. На эти входы поступают сигналы, являющиеся результатами сравнения величин Uаб , Рсб , Icб , Ucб , Iн с соответствующими уставками, и, 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 u4подаётся 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.

Рис. 3. Временные диаграммы, поясняющие работу модели

На временных диаграммах I_ab, P_sb и U_ab показаны ток АБ, мощность СБ и напряжение на выходе

АБ соответственно. На временных диаграммах видно, что на интервале времени [0÷t1] мощность СБ равна 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 [t1÷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.