Диссертация: Моделирование и управление фотогальванической системой генерации электроэнергии, подключенной к энергосистеме.

Актуальность темы исследования и степень проработанности. Энергия необходима для качественной человеческой жизни, поэтому надежное и доступное энергоснабжение имеет решающее значение для устойчивости современного общества. Потребность в энергии является одной из основных проблем, с которой сталкивается человечество изо дня в день и из-за истощения запасов ископаемого топлива ее решение будет более сложным. Ископаемые виды топлива, такие как природный газ и нефть, очень важны для производства электроэнергии, несмотря на загрязнение воздуха и другие проблемы. Единственная энергия, которая решит растущие энергетические проблемы в мире, — это возобновляемые источники энергии. Фотоэлектрическая технология является одним из наиболее новых возобновляемых источников энергии для выработки электроэнергии во всем мире. Наиболее значительными преимуществами являются постоянство, глобальная доступность, чистота, отсутствие загрязнения и минимальные требования к обслуживанию. Однако технология использования солнечной энергии все еще остается несколько дорогостоящей. Поэтому важно извлечь как можно больше энергии из солнечной батареи, чтобы повысить эффективность системы и снизить стоимость инвестиций. Точное моделирование фотоэлектрического модуля является основной целью, поскольку оно позволяет инженерам оптимизировать производительность системы и максимизировать её экономическую эффективность. Определение параметров модели фотоэлектрического модуля является сложной задачей для исследователей, чтобы получить модель, которая как можно ближе имитирует характеристики фотоэлектрического модуля в широком диапазоне радиационных и температурных условий. Это связано с тем, что задача извлечения параметров фотоэлектрической (photovoltaic, далее – PV) модели представлена неявными нелинейными задачами, решение которых может быть получено с помощью довольно сложных численных и аналитических методов. В связи с этим моделирование фотоэлектрической системы должно быть точным и простым в использовании, не требующим итерационных методов, дополнительной обязательной информации и пользователей, не обладающих специальными знаниями, а только значениями данных, приведенными в технической документации фотоэлектрических модулей. Для достижения максимальной эффективности солнечных систем фотоэлектрические модули должны работать в точке максимальной мощности (maximum power point, далее – MPP), которая обычно является уникальной точкой на кривой мощность-напряжение (P-V). Метод отслеживания точки максимальной мощности (maximum power point tracking, далее – MPPT) используется для определения точки MPP путем управления рабочим циклом DC/DC-преобразователя. Эффективные системы MPPT должны быть простыми, точными, экономически реализуемыми, чтобы отслеживать MPP независимо от погодных условий. Среди всех методов MPPT алгоритм возмущения и наблюдения (perturbation and observation, далее – P&O) широко применяется благодаря своей простоте, низким затратам и легкости реализации. Однако алгоритм P&O страдает от дрейфа при резком изменении освещенности и колебаний вокруг MPP при установившемся режиме, что приводит к потере фотоэлектрической мощности. В последнее время широкое распространение получили MPPT-контроллеры на основе искусственного интеллекта (ИИ) для систем фотоэлектрических генераторов. По сравнению с традиционными MPP-трекерами, трекеры на основе ИИ имеют меньшие колебания вокруг MPP, высокую скорость отслеживания и наименьшее время расчета. Адаптивная нейро-нечеткая система (adaptive neural fuzzy inference system, далее –ANFIS) широко используется для фотоэлектрических систем среди различных методов искусственного интеллекта. Тем не менее, получение точной обучающей выборки и настройка модели ANFIS представляет значительные трудности для разработки эффективной технологии ANFIS-MPPT. В дополнение к эффективности системы, контроль мощности, выдаваемой в сеть, и низкий уровень общих гармонических искажений тока, вводимого в сеть, являются еще одной важной характеристикой подключенной к сети фотоэлектрической системы. Качество вырабатываемой мощности в основном нормируется практическим опытом и стандартами по частоте, напряжению и гармоникам. В данной работе для достижения этой цели будет использован стандарт IEEE 929. Разработка новых эффективных алгоритмов и математических моделей поведения фотоэлектрического модуля, в различных ситуациях является актуальной темой для современной теоретической электротехники и соответствует разделу "В рамках научной специальности разрабатываются ... прикладные аспекты интеграции информационных технологий и объектов электротехники, электроэнергетики ...", "паспорт специальности 05.09.05 - Теоретическая электротехника". Близкой тематикой в России занимались Бессель В. В., Донцов, О. А., Козюков Д. А., Краснобаев Ю. В., Кристофер Д. Р., Кучеров В. Г., Малинин Г. В., Мигунов Я. Н., Мингалеева Р. Д., Обухов, С. Г, Пост С. С., Русскин В. А., Семёнов С. М., Серебрянников А. В., Цыганков, Б. К., а также зарубежные ученые: Abdourraziq M. A., Chang G. W., Deihimi M. H., Enany M. A., Farahat M. A., Filho E. R., Gazoli J. R., Kharb R. K., Liu Y. J., Meyabadi A. F., Naghizadeh R. A., Nguyen T. K., Shimi S. L., Villalva M. G., Yeh Y. K., и другие исследователи.
Цель данной работы. Основная цель работы предоставление точной модели системы фотоэлектрического генератора для прогнозирования характеристик фотоэлектрической системы. Кроме того, разработка стратегии управления для максимизации энергии, получаемой от системы фотоэлектрических генераторов, и подачи энергии требуемого качества в сеть для соблюдения требований из стандарта IEEE 929.
Для достижения поставленной цели решались следующие научные задачи: 1. Литературный обзор предыдущих работ по методам извлечения параметров фотоэлектрического модуля. 2. Всесторонний обзор различных методов MPPT, используемых при эксплуатации фотоэлектрических энергосистем. 3. Анализ требований и стандартов, касающиеся подключения систем фотоэлектрических генераторов к внешней сети. 4. Построение нового метода на основе одно-диодной модели для расчета параметров модели и моделирования работы фотоэлектрического модуля. В предлагаемом методе для этой цели используются только паспортные значения, без каких-либо приближений или упрощений, которые могут повлиять на достоверность результатов. 5. Для повышения точности и скорости отслеживания системы MPPT в установившихся и динамически меняющихся погодных условиях предлагается алгоритм многоступенчатого изменения шага (multi-variable-step, далее – MV-S), основанный на алгоритме P&O. Предложенный алгоритм представляет собой довольно простое правило реализации для определения наилучшего параметра размера шага для отслеживания MPP. 6. Исследование эффективного метода MPPT на основе ANFIS, в этом методе контур управления MPPT упрощается за счет исключения PI-регулятора. Кроме того, предложенная модель ANFIS основана на надежных обучающей выборке, полученной с помощью алгоритма MV-S. 7. Разработка эффективного подхода к управлению трехфазным инвертором, подключенным к сети, для системы фотоэлектрических генераторов, чтобы обеспечить высокий коэффициент мощности и высокое качество электроэнергии, выдаваемой в сеть.
Научная новизна работы и теоретическая значимость работы заключаются в том, что: 1. Представлен новый комплексный метод идентификации параметров фотоэлектрического модуля в различных климатических условиях. Предложенный метод использует только значения из технической документации, не требуя графических данных и сложных методов для извлечения неизвестных параметров фотоэлектрической модели. 2. Предлагается новый метод MV-S на основе алгоритма P&O для определения точного значения масштабного коэффициента с использованием довольно простого правила реализации для отслеживания MPP. Предложенный метод успешно отслеживает MPP в различных условиях, включая повышение или понижение уровня солнечной радиации при постоянных или переменных значениях температуры. 3. Впервые разработан высокоэффективный MPP-трекер на основе ANFIS с прямым управлением для фотоэлектрических генераторов. Рабочий цикл повышающего преобразователя регулируется напрямую; следовательно, в этом методе исключается PI-контур управления. Обучающие данные для предложенного метода извлекаются с помощью алгоритма MV-S, чтобы избежать ошибок, обычно включаемых в экспериментальный набор данных. 4. Была разработана усовершенствованная методология управления для фотоэлектрической системы, подключенной к сети, на основе метода ANFIS-MPPT для соблюдения высокого коэффициента мощности и высокого качеством электроэнергии, выдаваемой в сеть.
Практическое значение работы состоит в том: - создание точной модели системы фотоэлектрического генератора для прогнозирования характеристик фотоэлектрической системы и разработке стратегии управления для максимизации энергии, полученной от системы фотоэлектрических генераторов и подачи электроэнергии требуемого во внешнюю сеть для соблюдения требований стандарта IEEE 929; - Полученные результаты могут быть использованы при модернизации солнечной электроподстанции в Бенбане (Египет), а также при проектировании новых станций в условиях технических, климатических и социально-экономических ограничений, параметров нагрузки; - результаты работы могут быть использованы в учебном процессе при реализации специальных образовательных программ.
Методология и методы исследования. Были использованы теоретические основы электротехники, математическое моделирование фотоэлектрического модуля, сравнительный анализ, алгоритмы MPPT, такие как P&O и ANFIS, и методы систем управления. Моделирование фотоэлектрического модуля и алгоритмы MPPT, используемые в данной работе, реализованы в виде mфайла MATLAB. Силовые цепи и элементы системы управления реализованы с помощью MATLAB/Simulink. Для проверки результатов, полученных в данной работе, проведен сравнительный анализ с другими недавно опубликованными в литературе методами.
Основные положения, выносимые на защиту: 1. Показано, что точное моделирование фотоэлектрического модуля является основной целью проектирования фотоэлектрической системы, так как позволяет проектировщику оптимизировать работу системы и максимизировать экономическую эффективность системы. Кроме того, фотоэлектрический модуль должен работать в точке максимальной мощности, чтобы достичь наивысшей эффективности солнечной системы, которая обычно является единственной точкой на характеристике P-V. Более того, в фотоэлектрической системе, подключенной к сети, сетевой инвертор предназначен для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока, чтобы соответствовать напряжению и частоте сети. Фотоэлектрический инвертор должен обеспечивать высокое качество электроэнергии, чтобы соответствовать стандартным рекомендациям по гармоникам, как диктует стандарт IEEE 929. 2. Представлен новый простой метод для идентификации параметров фотоэлектрических модулей в меняющихся климатических условиях. Метод основан на данных каталогов производителей и не требует графических данных и сложных методов для извлечения неизвестных параметров фотоэлектрической модели. 3. Результаты применения предложенной модели подтверждают надежность предложенной методики. Различия между расчетными и полученными от производителей или измеренными данными всегда меньше, чем допуск, обычно декларируемый стандартами. 4. Представленный метод может быть использован в качестве полезного инструмента оценки, особенно для разработчиков фотоэлектрических систем и исследователей, при изменяющихся внешних условиях, благодаря значительным преимуществам в моделировании работы фотоэлектрических систем. 5. Предложен новый метод MV-S для определения точного значения масштабного коэффициента с использованием довольно простого правила реализации при отслеживании MPP. Предложенный подход успешно отслеживает точку максимальной мощности в различных условиях, включая повышение или понижение уровня солнечной радиации при постоянных или меняющихся значениях температуры. 6. Разработан высокоэффективный трекер точки максимальной мощности на основе адаптивной нейро-нечеткой системы с прямым управлением для фотоэлектрических генераторов. Рабочий цикл повышающего преобразователя регулируется напрямую; следовательно, в этом методе исключается PI-контуре управления. 7. Предложена методология управления трехфазной фотоэлектрической системой, подключенной к сети, с помощью адаптивной нейронной системы отслеживания точки максимума мощности для подачи энергии требуемого качества во внешнюю сеть в соответствии со стандартом IEEE 929. Показано, что предложенная методология управления обеспечивает превосходный устойчивый отклик, высокое быстродействие, низкое полное гармоническое искажение тока, работу с единым коэффициентом мощности, точное и надежное отслеживание точки максимальной мощности.