Моделирование работы фотоэлектрической системы малой мощности при помощи пакета Simulink

АННОТАЦИЯ

Была разработана математическая модель фотоэлектрических систем, которая включает фотоэлектрические модули, устройство повышающего преобразователя, LC-фильтр, инвертор, состоящий из IGBT, и использование электричества. Проведена экспериментальная проверка расчетных соотношений MATLAB‐модели на солнечной панели типа Trina Solar TSM-250W.

ABSTRACT

A mathematical model of photovoltaic systems was developed, which includes photovoltaic modules, a boost converter device, an LC filter, an IGBT inverter, and the use of electricity. An experimental check of the calculated relations of the MATLAB-model on a solar panel of the Trina Solar TSM-250W type has been carried out.

Ключевые слова: солнечная панель, MATLAB Simulink; вольт-амперная характеристика, ток, амплитудная напряжения, инвертор, имитационное моделирование

Keywords: solar panel, MATLAB Simulink; current-voltage characteristic, current, peak voltage, inverter, simulation

Введение

В настоящее время располагаемая генерирующая мощность республики Узбекистана составляет 12,9 ГВт из них: ТЭС – 11 тыс. МВт или 84,7 %; ГЭС – 1,85 тыс. МВт или 14,3 %; блок-станции и изолированные станции – более 133 МВт или 1 %.

В период 2020-2030 годы будет уделено особое внимание развитию генерации на основе ВИЭ, особенно солнечной энергии. Для достижения показателей развития возобновляемой энергетики определены целевые параметры ежегодно вводимых мощностей объектов ВИЭ в 2020-2030 годах, предусматривающие строительство 3 ГВт ветровых и 5 ГВт солнечных электростанций.

Принимая во внимание быстрый рост способности потребителей вырабатывать электрическую энергию для собственных нужд и поставки излишка ее объема в единую электроэнергетическую систему, а также в целях стимулирования активизации внутри республиканского инвестиционного потенциала, утверждена целевая программа по установке порядка 150 тысяч солнечных ФЭС (мощностью по 2-3 кВт) и водонагревателей (в среднем 200 литров) в 2-2,5 процентах домохозяйств в 2021 -2025 годах.

С учетом установки населением объектов ВИЭ к 2026 году предусматривается покрытие потребления 4,3 процентов домохозяйств по республике в объеме порядка 800 млн.кВт.ч в год за счет внедрения частично изолированных объектов ВИЭ [2].

Моделирование солнечных элементов позволяет производить энергию в изменяющейся среде (воздействие окружающей среды, температура и световой поток), что необходимо для синтеза систем управления. MATLAB - это программа с возможностью моделирования солнечной энергетической системы с помощью программы Simulink [4,3].

Целью исследования является создание математической имитационной модели автономной фотоэлектрической системы на базе доступных данных производителей электрооборудования с учетом комплексных воздействий, приводящих к изменению выходных характеристик системы. Для построения модели необходимо решить ряд задач:

1) возможность построения вольт-амперной (ВАХ) и вольт-ваттной (ВВХ) характеристик в допустимом диапазоне рабочих температур;

2) с помощью созданной модели сделать краткосрочное прогнозирование вырабатываемой мощности фотоэлектрических модулей [1].

Основное содержание

В работе при моделировании фотоэлектрической системы использовался готовый блок PV Array в среде MATLAB Simulink. Для верификации модели использовались известные технические характеристики поликристаллической солнечной панели Trina Solar TSM-250PA05.08  250 Вт 24 В.

Рисунок 1. Вольт-амперные и вольт-ваттные характеристики фотоэлектрического модуля Trina Solar -250PA при изменении солнечной радиации и температуры поверхности модуля

Математическая имитационная модель фотоэлектрической системы состоит из 5 основных компонентов: солнечной батареи, инвертора, LRC фильтра и потребителя RL. Модель оформлена в виде блочной структуры, представленной на рис. 2.

Рисунок 2. Модель автономной однофазной фотоэлектрической системы

Исходными данными для расчета характеристик солнечной батареи являются входные значения солнечной радиации от I=200 Вт/м² до I=1000 Вт/м² и рабочая температура полупроводника меняемой от t=20°С до t=40 °С, а также параметры модуля, приведенные в его технической документации. Солнечная батарея состоит из 8 фотоэлектрических модулей с номинальной мощностью 250 Вт и номинальным напряжением 25 В, соединенных в 8 последовательно соединенных модуля. В модуле 60 последовательно соединенных фотоэлементов.

На рисунке 3 показана, зависимость солнечного излучения и температуры окружающей среды, подаваемых на солнечный модуль, от времени. Он разработан с учетом того, что время восхода солнца для весенних дней составляет 12 часов. Его временной интервал был взят с 06:00 до 18:00.

Рисунок 3. График солнечной радиации и температуры окружающей среды, передаваемый на солнечный модуль, с временной зависимостью

Световое излучение солнца увеличивается с 6:00 до 22:00. С 10:00 до 14:00 световое излучение принимается на высоком уровне, после 14:00 световое излучение уменьшается. Пиковая температура окружающей среды приходится на период с 12:00 до 14:00 утра. В остальное время его температура колеблется.

Рисунок 4. Осциллограммы напряжение и тока на выходе инвертора

На выходе инвертора значение амплитудное напряжение 378,9 В и ток максимальный составило 12,76 А. В качестве нагрузки был использован блок RL c настройками параметров по потреблению активной мощности 2000 Вт и индуктивной мощности 0,01 Вар.

Выводы

Построена компьютерная Matlab-модель солнечной панели, состоящие из фотоэлектрических модулей общей максимальной мощностью 2000 Вт (8 модулей по 250 Вт каждый), моделировались с помощью программы MATLAB Simulink. Это устройство оснащено инвертором, состоящим  из транзисторов IGBT, LC фильтром, уменьшающим высшие гармоники. В процессе моделирования в среде MATLAB Simulink были получены зависимости тока и мощности фотоэлектрического модуля от напряжения при изменении солнечной радиации и температуры поверхности модуля, графики тока, напряжения и мощности от времени на всех элементах фотоэлектрической системы.

Согласно результатам, полученным при разработке программы MATLAB SIMULINK, осциллограммы солнечной батареи нанесены на графики зависимости мощности, напряжения и тока от времени.

Результаты моделирования фотоэлектрической системы по параметрам напряжения, тока и мощности фотоэлектрических модулей хорошо согласуется с экспериментальным данными, полученными на солнечной станции установленной мощностью 2000 Вт, который расположенной на территории Международного института солнечной энергии, г. Ташкента Узбекистан.

Список литературы:

1. Бутаков С.В. Моделирование автономной фотоэлектрической системы в программной среде MATLAB Simulink / С.В. Бутаков, А.С. Червочков // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». – 2019. – Т. 19, № 4. – С. 112–119. DOI: 10.14529/power190413.
2. Концепция обеспечения Республики Узбекистан электрической энергией на 2020-2030 годы.  https://minenergy.uz/ru/lists/view/77.
3. Юсупов Д.Т., Юсупова Ф.Т. Разработка математической модели солнечного фотоэлектрического модуля на основе программы MATLAB . Научный технический журнал ФерПИ, 2021. Том 25. №1. 219-223 стр.
4. Mahajan P.B., Bhole A.A. Modeling of Photovoltaic Module //International  Research  Journal of Engineering and Technology (IRJET). 2015. Vol. 02. Nr 03. P. 496–500.