УДК 621.316:62-8:004.9

 

С.А. Іванець, канд. техн. наук

О.В. Красножон, аспірант

Чернігівський національний технологічний університет, м. Чернігів, Україна

ВИКОРИСТАННЯ НЕЧІТКОЇ ЛОГІКИ В СИСТЕМАХ ВІДСТЕЖЕННЯ ТОЧКИ МАКСИМАЛЬНОЇ ПОТУЖНОСТІ ФОТОЕЛЕКТРИЧНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ

С.А. Иванец, канд. техн. наук

А.В. Красножон, аспирант

Черниговский национальный технологический университет, г. Чернигов, Украина

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕЧЁТКОЙ ЛОГИКИ В СИСТЕМАХ ОТСЛЕЖИВАНИЯ ТОЧКИ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Serhii Ivanets, PhD in Technical Sciences

Oleksii Krasnozhon, PhD student

Chernihiv National Technological University, Chernihiv, Ukraine

THE USING OF FUZZY LOGIC FOR DEVELOPMENT OF PHOTOVOLTAIC MAXIMUM POWER POINT TRACKING SYSTEMS

Розглянуто підхід з використанням апарату нечіткої логіки для вирішення проблем, що виникають при побудові системи відстеження точки максимальної потужності фотоелектричних перетворювачів. Запропоновано та обґрунтовано вибір необхідної кількості лінгвістичних змінних для нечіткого пристрою управління, вибір кількості і параметрів функцій приналежності для кожної лінгвістичної змінної, використання нечітких правил у вигляді, запропонованому вченими Такагі і Сугено.

Ключові слова: фотоелектричний перетворювач, точка максимальної потужності, лінгвістична змінна, функція приналежності, нечітке правило, зворотний зв’язок, DC/DC-інвертор, Matlab.

Рассмотрен подход с использованием аппарата нечёткой логики для решения проблем, возникающих при построении систем отслеживания точки максимальной мощности фотоэлектрических преобразователей. Предложен и обоснован выбор необходимого количества лингвистических переменных для нечёткого устройства управления, выбор количества и параметров функций принадлежности для каждой лингвистической переменной, использование нечётких правил в виде, предложенном учёными Такаги и Сугено.

Ключевые слова: фотоэлектрический преобразователь, точка максимальной мощности, лингвистическая переменная, функция принадлежности, нечёткое правило, обратная связь, DC/DC-инвертор, Matlab.

The approach of using the fuzzy logic appliance for solving problems, that arise during the construction of the photovoltaic maximum power point tracking system was examined. The choice of the absolutely indespensable quantity of the variable linguistic for the indistinct operation mechanism and quantity and membership function parameters selection for each variable linguistic using the indistinct rules in form suggested by scientists Takagi and Sugeno were offered and well substantiated.

Key words: photovoltaic, maximum power point, linguistic variable, membership function, fuzzy rule, feedback, DC/DC-inverter, Matlab.

Вступ. Останнім часом в енергетичній галузі України значно зростає попит на використання фотоелектричних перетворювачів. Такий підхід є виправданим за умов використання їх для забезпечення енергетичних потреб малопотужних споживачів. До того ж такий спосіб генерації електричної енергії значно менше забруднює довкілля [1]. Як відомо, найголовнішими недоліками в роботі фотоелектричних перетворювачів є істотно низький коефіцієнт корисної дії (не більше 19 % поглиненої сонячної енергії може бути перетворено в електричну) та висока чутливість до зміни факторів навколишнього середовища.

Усі зазначені недоліки обумовлені тим, що як фотоелектричний перетворювач використовується напівпровідник, властивості якого істотно залежать від температури й освітленості (густини потужності падаючого сонячного випромінювання). Із аналізу вольт-амперної характеристики типового фотоелектричного перетворювача можна зробити висновок, що за умови постійної густини потужності сонячного випромінювання існує певна точка, в якій фотоелектричний перетворювач може генерувати максимальну електричну потужність. Точка максимальної потужності визначається за величиною навантаження, що підключено до вихідних клем фотоелектричного перетворювача. Оскільки неможливо постійно забезпечувати стабільну освітленість сонячного випромінювання, тому для дотримання фотоелектричного перетворювача в такій точці необхідно постійно регулювати величину опору навантаження. Саме з цією метою створюється система управління фотоелектричним перетворювачем, більш відома як система відстеження точки максимальної потужності (в іноземній літературі такі системи отримали назву MPPT – Maximum Power Point Tracker).

Аналіз наявних методів побудови систем відстеження точки максимальної потужності. Ідея використання напівпровідникових фотоелектричних перетворювачів енергії не є новою, вона з’явилася ще на початку 70-х років XX століття. Однак найбільш активно методи побудови систем відстеження точки максимальної потужності розвиваються в останні 10–15 років [2]. Найпоширеніші методи побудови таких систем можна об’єднати в такі групи: методи, що ґрунтуються на зворотному зв’язку за напругою; методи, що ґрунтуються на зворотному зв’язку за струмом; методи, що ґрунтуються на спостереженнях за коливаннями потужності. Розглянемо більш детально кожну із груп методів [3].

Суттю методів, що ґрунтуються на зворотному зв’язку за напругою, є порівняння величин робочої напруги фотоелектричного перетворювача (напруги на його вихідних клемах) з величиною опорної напруги. На основі знака та модуля отриманої різниці напруг робиться висновок про те, яким чином слід змінювати величину опору навантаження перетворювача.

Як відомо, фотоелектричний перетворювач є джерелом постійної напруги, однак він може забезпечувати живлення як для навантаження, що споживає постійний струм, так і для навантаження по змінному струму. Тому між вихідними клемами фотоелектричного перетворювача та навантаженням необхідно встановлювати пристрій перетворення електричної енергії – DC/AC-перетворювач, або DC/DC-перетворювач. Кожний з таких пристроїв забезпечує регулювання величини напруги, а в деяких випадках – ще й її форми.

Отже, у випадку, якщо навантаження працює на постійному струмі, регулювання величини його опору може здійснюватись за рахунок DC/DC-перетворювача. Оскільки величина напруги на його виході формується за допомогою ШІМ (широтно-імпульсної модуляції), то отриману різницю напруг можна перетворити у необхідні параметри ШІМ.

Група методів, що ґрунтуються на зворотному зв’язку за струмом, багато в чому схожа на попередньо розглянуті методи. Вони також включають у себе порівняння величин струму короткого замикання перетворювача з величиною вихідного струму.

Як відомо, струм короткого замикання – це максимально можливий струм, що може генеруватися фотоелектричний перетворювач за умови короткого замикання його ви­хідних клем. Очевидно, що він є чітко визначеним для кожного значення густини потужності падаючого сонячного випромінювання. Тому внаслідок порівняння величин струмів можна зробити висновок, наскільки оптимальним за величиною струму є поточ­ний режим роботи фотоелектричного перетворювача. Корегування режиму роботи також може здійснюватися за допомогою параметрів ШІМ DC/DC-перетворювача.

Методи, що ґрунтуються на спостереженнях за коливаннями потужності, є найбільш точними, але й найбільш складними. Їх суть полягає в постійному спостереженні за коливаннями вихідних величин напруги та струму фотоелектричного перетворювача (оскільки потужність перетворювача є добутком цих величин), причому ці коливання провокуються самим керуючим пристроєм.

Всі ці методи є ітераційними: на кожному кроці коливання напруги та струму провокується таким чином, щоб вихідна потужність перетворювача збільшувалась, після цього вимірюється значення вихідної потужності і порівнюється зі значенням, отриманим на попередньому кроці. В такому разі точкою генерації максимальної потужності буде така, в якій значення потужності починає зменшуватися порівняно із попереднім значенням. Величина, на яку збільшується коливання потужності на кожному кроці, є невеликою за модулем.

На основі проведеного аналізу можна зробити висновок, що характерною рисою всіх зазначених методів є необхідність вимірювання однієї чи декількох вихідних величин фотоелектричного перетворювача з метою подальшого регулювання режиму генерації електричної енергії. Саме ж регулювання потужності відбувається через підбір оптимального опору навантаження при заданій густині потужності сонячного випромінювання і температурі перетворювача.

Мета статті. Аналіз наведених вище методів побудови систем відстеження точки максимальної потужності фотоелектричного перетворювача вказує на те, що їх використання в енергетичній галузі є дуже важливим. Крім того, на сьогодні в деяких провідних країнах (США, Швеція, Італія) активно запроваджуються фотоелектричні мініелектростанції [4; 5]. Вони дозволяють істотно заощадити кошти пересічних споживачів, наприклад, завдяки скороченню обсягів споживання електричної енергії з основної мережі живлення. Широкої популярності також набувають елементи живлення (зарядні пристрої), побудовані на основі фотоелектричних перетворювачів.

Водночас, для цієї задачі можливо застосувати математичний апарат нечіткої логіки, ефективність використання якого для побудови систем управління була неодноразово доведена на практиці, тому доцільним буде розглянути можливість використання апарату нечіткої логіки для задачі пошуку точки максимальної потужності фотоелектричного перетворювача.

Отже, метою цієї статті є розглянути підхід з використанням математичного апарату нечіткої логіки для вирішення основних проблем, що виникають під час побудови системи відстеження точки максимальної потужності фотоелектричного перетворювача.

Виклад основного матеріалу. Складовим елементом будь-якого фотоелектричного перетворювача є фотоелектричний модуль, який є джерелом напруги, а не струму, тому доцільним буде розглянути її вольт-амперну характеристику. Залежність вихідної напруги від струму можна представити у вигляді:

(1)

де Наукова бібліотека ЧНТУ © 2012