Моделирование работы фотоэлектрической системы малой мощности при помощи пакета Simulink

Modeling the operation of a low power photoelectric system using the Simulink package
Цитировать:
Юсупов Д.Т., Юсупова Ф.Т. Моделирование работы фотоэлектрической системы малой мощности при помощи пакета Simulink // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2021. 7(88). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/12122 (дата обращения: 06.07.2022).
Прочитать статью:
DOI - 10.32743/UniTech.2021.88.7.12122

 

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.
Информация об авторах

мл. науч. сотр., ООО “Международный институт солнечной энергии”, Республика Узбекистан, г. Ташкент

Junior researcher, International Institute of Solar Energy LLC, Republic of Uzbekistan, Tashkent

докторант Ферганского политехнического института, Республика Узбекистан, г. Фергана

Doctoral candidate Of Fergana Polytechnic Institute, Republic of Uzbekistan, Fergana

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-54434 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ахметов Сайранбек Махсутович.
Top