Обеспечение экстремального регулирования мощности первичных источников энергии при их совместной работе на общую нагрузку

Ведение. В автономных системах электроснабжения (PSS) широко используются возобновляемые источники энергии. Например, в PSS космических и беспилотных летательных аппаратов в качестве первичных источников энергии широко используются солнечные панели [1–3]. В свою очередь, возобновляемые источники энергии, такие как Солнце, ветер, волны, реки, приливы и т. д., обеспечивают энергией наземные автономные объекты [2–5]. При этом известны решения, допускающие совместное, гетерогенное использование некоторых типов источников.

Использование различных комбинаций разнородных источников энергии позволяет снизить зависимость потребителя от изменяющихся внешних условий, влияющих на выход полезной мощности [3–7]. В PSS космического применения первичными источниками (PS) энергии являются солнечные панели (SP) [8–11]. При этом конструктивные особенности или технологии монтажа последних зачастую приводят к различиям в характеристиках этих SP.

Обеспечение совместной, сбалансированной работы первичных источников энергии с различными характеристиками в различных условиях эксплуатации обуславливает решения ряда актуальных научно-технических задач. При этом основной задачей является обеспечение контроля мощности каждой PS.

Постановка задачи. Автономные системы электропитания включают в себя первичные источники энергии, аккумуляторную батарею (SB), кабельную сеть и PS-контроллеры, выполненные в виде преобразователей с управляющими устройствами.

Ниже приведены алгоритмы работы и структура SP-контроллеров, входящих в состав автономной системы электропитания с солнечными батареями, использующимися в качестве первичных источников энергии. В данном случае алгоритм работы SP-контроллера должен обеспечивать заряд батареи как постоянным током заданного значения, так и уменьшающимся током. При этом требуется сохранение определенного фиксированного напряжения в случае, когда текущая мощность батареи превышает суммарную потребляемую мощность. В случае, когда текущая мощность SP меньше общей мощности, потребляемой нагрузкой и аккумулятором, контроллер SP работает в режиме поиска максимальной мощности и обеспечивает отбор максимальной мощности от SP.

PSS микроспутников и малых космических аппаратов обычно включают несколько секций солнечных панелей, расположенных с каждой стороны космического аппарата [8–10]. Поэтому секции SP такого космического корабля находятся в различных условиях освещения и вносят различный вклад в общую мощность солнечных элементов. Кроме того, секции SP могут иметь разные характеристики и максимальную мощность, которую может генерировать каждая секция SP. Это зависит не только от индивидуальных характеристик секции, но также и от ориентации секции на Солнце.

Когда несколько SP с различными характеристиками подключены к общей нагрузке параллельно с использованием общего преобразователя напряжения [4; 8; 9], положение рабочих точек на характеристике мощности каждого источника энергии не может контролироваться индивидуально, поскольку контроллер SP в этом случае будет обеспечивать контроль положения рабочей точки по результирующей силовой характеристике параллельно подключенного SP. В режиме выбора экстремальной мощности это приводит к уменьшению общей мощности передаваемой SP нагрузки. Таким образом, необходимо использовать отдельные контроллеры SP, которые могут обеспечивать независимое регулирование положения рабочих точек по характеристикам мощности для SP.

Достижения современной микропроцессорной техники позволяют уменьшить размеры управляющего устройства и реализовать управление SP-контроллером на основе микроконтроллера [12]. Применение микропроцессорного ядра позволяет реализовать не только пошаговый алгоритм поиска экстремума мощности SP [13–15], но и более сложные алгоритмы, которые ускоряют процесс поиска экстремума и увеличивают мощность. Это позволяет регулировать уровень, генерируемый SP, при уменьшении амплитуды колебаний рабочей точки на вольт-амперной характеристике SP в окрестности точек максимальной мощности [16; 17]. Ускорение процесса поиска экстремума особенно важно в случае вращения космического аппарата вокруг своей оси с определенной угловой скоростью [9; 10]. Авторами предложен подход к реализации системы электропитания с несколькими источниками энергии и разработаны алгоритмы управления для контроллеров SP.

Решение проблемы. При решении задачи раздельного регулирования мощности используется структурная схема автономной PSS, приведенная на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема автономной системы энергоснабжения с несколькими первичными источниками энергии

• Fig. 1.    Structural diagram of autonomous power supply system with several primary

energy sources

Согласно рис.  1, источники энергии PS1 и PSn соединены последовательно с контроллерами PS (CPS1 и CPSn). Выходные порты контроллеров CPS1-CPSn подключены к SB и к силовой нагрузке (PL). Это обеспечивает независимое управление источниками энергии и следующие режимы работы контроллера:

– режим зарядки аккумулятора постоянным током заданного фиксированного значения;

– режим поиска экстремальной мощности солнечной батареи.

Рис. 2. Блок-схема алгоритма зарядки аккумулятора фиксированного тока

• Fig. 2.    Flowchart of the algorithm of specified fixed current battery charging mode

В соответствии с алгоритмом контроллер SP считывает сигналы напряжения и тока батареи, после чего проверяется условие достижения максимального значения напряжения заряда. Если это условие выполнено, контроллер SP отключает батарею от источника энергии. Если условие не выполняется, то проверяется равенство текущего значения тока и установленного значения оптимального тока заряда. Если текущее значение тока находится в заданном диапазоне, то оно приравнивается к оптимальному зарядному току с некоторой ошибкой, тогда требуемое соотношение циклов остается постоянным. Если ток заряда меньше указанного с учетом погрешности, то коэффициент заполнения импульса увеличивается на определенную величину, в противном случае он уменьшается. Величина изменения коэффициента заполнения импульсов за один шаг алгоритма задается программно и не изменяется во время работы.

Если на первичном источнике обнаружен дефицит мощности, то контроллер SP выбирает предельную мощность солнечной батареи, функционирующей в соответствии с разработанным алгоритмом поиска предельной мощности. В этом режиме рабочая точка на характеристике мощности SP колеблется в ближайшем пределе к точке максимальной мощности. Для данного режима часть мощности SP, превышающая мощность, потребляемую нагрузкой, поступает на заряд батареи. На рис. 3 приведена блок-схема пошагового алгоритма работы контроллера в режиме поиска экстремальной мощности [16].

Рис. 3. Блок-схема алгоритма отслеживания точки максимальной мощности

• Fig. 3.    Flowchart of maximum power point tracking algorithm

В режиме поиска экстремальной мощности контроллер считывает сигналы тока и напряжения SP, а затем умножает их. Если сигналы измеряются впервые, то текущая мощность определяется как мощность, полученная от SP на предыдущем этапе. Затем определяется приращение коэффициента заполнения импульсов управления k , которое определяется контроллером на основе принципов нечеткой логики, затем вновь вычисляется текущая мощность SP. Если мощность увеличилась до значения, сравнимого со значением, сохраненным на предыдущем этапе, то коэффициент заполнения импульсов увеличивается. В случае, когда измеренная мощность уменьшается, направление движения рабочей точки изменяется в соответствии с характеристикой мощности SP и, следовательно, наблюдается уменьшение коэффициента заполнения импульсов управления.

Значение шага k в режиме поиска экстремальной мощности вычисляется блоком управления нечеткой логики [18–20], входные переменные которого являются производной мощности по напряжению dP / dV для одного шага поиска экстремума, а также абсолютное изменение мощности dP для этого шага. Нечеткие слагаемые значений шага k в зависимости от значений слагаемых входных переменных контроллера приведены в таблице.

Значения k ступенчатых членов в режиме отслеживания точки максимальной мощности

dP/dV dP	NL (Negative large)	NS (Negative small)	NZ (Near zero)	PS (Positive small)	PL (Positive large)
NL (Negative large)	Highest	High	Middle	High	Highest
NM (Negative moderate)	High	Middle	Low	Mode Middle rate	High
NS (Negative small)	Middle	Low	Lowest	Low	Middle
NZ (Near zero)	Low	Lowest	Lowest	Lowest	Low
PS (Positive small)	Middle	Low	Lowest	Low	Middle
PM (Positive moderate)	High	Middle	Low	Middle	High
PL (Positive large)	Highest	High	Middle	High	Highest

Выбор текущих режимов работы контроллеров SP определяется блоком управления режимами работы (USOM). Блок-схема алгоритма работы USOM контроллеров SP приведена на рис. 4.

Рис. 4. Блок-схема алгоритма выбора режима работы контроллеров солнечных батарей

• Fig. 4.    Flowchart of solar controllers operation modes selection algorithm

Блок выбора режима на каждом шаге определяет SP-контроллер с наибольшим значением текущей мощности. Если выбранный SP-контроллер работает в режиме зарядки аккумулятора с фиксированным током, а текущее значение зарядного тока ISB меньше, чем указанный ISB.set, то этот контроллер переводится в режим поиска экстремальной мощности. Выбор SP-контроллера с наивысшим значением мощности обусловлен потенциально наибольшим увеличением тока, подаваемого на нагрузку, и зарядом батареи после переключения его в режим поиска экстремальной мощности. Это позволяет сократить время переключения режимов работы других контроллеров SP в случае перевода одного контроллера в режим поиска экстремальной мощности и достигает заданного значения зарядного тока ISB.set. Если контроллеры работают в режиме поиска экстремальной мощности, а значение тока зарядки ISB все еще меньше указанного ISB.set, то режим работы контроллера не изменяется, поскольку в этом случае невозможно обеспечить дальнейшее увеличение мощности. В случае, когда контроллеры SP работают в режиме поиска экстремальной мощности и значение зарядного тока ISB превышает установленное значение ISB.set, все контроллеры SP переключаются в режим зарядки аккумулятора с фиксированным током. Каждый цикл блока выбора режима заканчивается временной задержкой, необходимой для завершения переходных процессов после изменения режима работы контроллера SP.

Для отработки предложенных алгоритмов управления в среде MATLAB / Simulink была разработана имитационная модель системы электропитания с двумя первичными источниками, приведенная на рис. 5.

Рис. 5. Имитационная модель системы электроснабжения с двумя первичными источниками энергии

• Fig. 5.    Simulation model of the power supply system with two primary energy sources

Имитационная модель системы электропитания содержит два первичных источника энергии, реализованных на основе солнечных панелей SP1 и SP2, которые представляют собой несколько последовательно соединенных солнечных элементов из библиотеки компонентов Simscape [21]. SP1 и SP2 подключены к контроллерам CSP1 и CSP2, которые работают на общую нагрузку PL, реализованную в виде резисторов R2 и R3. Так же в состав модели включен аккумулятор SB с внутренним сопротивлением R1. Контроллеры SP состоят из блоков управления (CU1 и CU2) вместе с преобразователями напряжения CSP1 и CSP2 и представляют собой блоки, алгоритмы функционирования которых соответствуют алгоритмам управления, приведенным на рис. 2 и 3 соответственно. Преобразователи CSP1 и CSP2, входящие в состав контроллеров CSP1 и CSP2, имеют схемы понижающего преобразователя напряжения [4; 8; 13–16]. В свою очередь, USOM – это функциональный блок, который содержит m-код встроенной функции для среды Simulink [22]. На вход блока выбора режима поступают сигналы о текущем режиме работы каждого контроллера, текущих значениях мощности каждого источника энергии, а также текущем значении тока солнечной батареи ISB. Программа функционирования USOM реализована в соответствии с блок-схемой, приведенной на рис. 4.

Сравнительные результаты и анализ работы алгоритмов поиска экстремальных мощностей с фиксированным и переменным шагом приведены на рис. 6.

Рис. 6. Изменение мощности солнечной панели в режиме отслеживания точки максимальной мощности

• Fig. 6.    Change in solar panel power in the maximum power point tracking mode

Анализ временных диаграмм работы алгоритма поиска экстремальной мощности показал, что использование переменного шага в алгоритме, основанном на нечеткой логике, повышает скорость поиска точки максимальной мощности на 50,8 %. Алгоритм поиска экстремальной мощности с переменным шагом, разработанный с использованием нечеткой логики, также снижает недоиспользование мощности SP, вызванное колебаниями рабочей точки относительно точки максимальной мощности SP, на 2,8 %.

На рис. 7 приведены временные диаграммы функционирования аккумуляторной батареи I SB и демонстрируется процесс изменения режимов работы контроллеров SP.

Рис. 7. Изменение тока батареи в процессе переключения режимов работы солнечных контроллеров

• Fig. 7.    Change in battery current in the process of solar controllers modes switching

В интервале времени от t = 0 до t0 контроллеры системы электропитания не изменяют коэффициент заполнения управляющих импульсов преобразователей и ток заряда батареи ISB остается постоянным. В момент времени t0 оба контроллера энергосистемы переводятся в режим зарядки аккумулятора с заданным фиксированным током. В это время происходит постепенное увеличение коэффициента заполнения управляющих импульсов, что приводит к увеличению тока ISB до значения оптимального зарядного тока ISB.set = 10 А. В момент времени t1 происходит процесс увеличения коэффициента заполнения импульсов, так как значение зарядного тока ISB становится равным ISB.set с некоторой предопределенной ошибкой. В момент времени t2 подключается дополнительная нагрузка, что приводит к скачкообразному увеличению тока нагрузки и уменьшению тока зарядки ISB, после чего контроллер начинает процесс увеличения коэффициента заполнения импульсов для достижения заданного оптимального значения ISB.set с зарядным током. В момент времени t3 рабочие точки характеристик солнечных элементов SP1 и SP2 расположены вблизи точки максимальной мощности, но контроллеры в соответствии с алгоритмом управления продолжают процесс увеличения коэффициента заполнения импульсов до момента времени t4, когда наблюдается максимальное значение коэффициента заполнения. Поскольку оптимальное значение зарядного тока ISB.set = 10 A не было достигнуто во время работы алгоритма режима зарядки SB, в момент времени t5 контроллер SP с наибольшим значением текущей мощности (в данном случае SP1) переключается в режим поиска экстремальной мощности и рабочая точка на силовой характеристике SP1 начинает двигаться к точке максимальной мощности солнечной батареи. К моменту времени t6 рабочая точка на характеристике SP1 достигает окрестности точки максимальной мощности, что, однако, не приводит к достижению заданного оптимального значения ISB.set зарядного тока ISB. Кроме того, в момент времени t7 контроллер SP с более низким значением текущей мощности (SP2) переключается в режим поиска экстремальной мощности и рабочая точка на характеристике SP2 начинает двигаться к точке максимальной мощности. К моменту времени t8 рабочая точка на характеристике SP2 достигает окрестности точки максимальной мощности. В момент времени t9 дополнительная нагрузка отключается, что приводит к скачкообразному уменьшению тока нагрузки и увеличению тока зарядки ISB. В момент времени t10 блок выбора режима в соответствии с алгоритмом работы переключает оба контроллера в режим зарядки аккумулятора с фиксированным током, после чего начинается процесс уменьшения коэффициента заполнения импульсов для достижения указанного оптимального значения ISB.set по зарядному току. К моменту времени t11 зарядный ток ISB батареи снова достигает своего оптимального значения ISB.set = 10 А с некоторой предопределенной ошибкой.

Заключение.

• 1.    Показана возможность эксплуатации нескольких источников и накопителей электроэнергии в составе единой автономной системы электроснабжения. Представлено решение проблемы организации их согласованной работы, что позволяет организовать более эффективные в сравнении с известными режимы эксплуатации и обеспечить снижение расхода энергии от возобновляемых источников энергии.

• 2.    Разработана модель системы электроснабжения, включающая два источника энергии с различными характеристиками. При избытке мощности, генерируемой первичным источником энергии, контроллер источника энергии работает в режиме зарядки аккумулятора с заданным фиксированным током. В случае дефицита мощности первичного источника питания контроллер работает в режиме поиска предельной мощности. Структура системы электроснабжения позволяет независимо работать двум источникам энергии. Таким образом, контроллеры источников энергии могут работать в различных режимах, обеспечивая повышенную гибкость системы электропитания, при этом использование алгоритма управления на основе нечеткой логики повышает скорость поиска точки максимальной мощности, а также повышает точность расчетов при функционировании алгоритма.

• 3.    Экспериментальное исследование разработанной модели подтвердило работоспособность алгоритмов управления контроллерами солнечных батарей во всех режимах работы. Продемонстрирована эффективность алгоритмов выбора режимов работы контроллеров в различных условиях. Определено, что разработанные алгоритмы обеспечивают эффективное регулирование мощности первичных источников энергии в зависимости от различных условий работы автономных систем энергоснабжения.