CC BY
3PPSUTLSC-2024
PRACTICAL PROBLEMS AND SOLUTIONS TO THE USE OF THEORETICAL LAWS IN THE SCIENCES OF THE 2IST CENTURY
tashkent, e-e may 2004 www.in~academy.uz
МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СОЛНЕЧНЫМИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПАНЕЛЯМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНСТРУМЕНТОВ MATLAB
Р.П.Бабаходжаев Э.Б.Саитов У.Ахмедов О.Мамасолиев
Ташкенский университет прекладной наук E-mail: [email protected] https://doi.org/10.5281/zenodo.13444941 Аннотация: Разработана уникальная процедура моделирования и имитации солнечной панели с 36 ячейками и мощностью 50 Вт с использованием аналитических методов. Обобщенное выражение эквивалентной схемы солнечной ячейки было проверено и реализовано без каких-либо влиятельных предположений в среде Simulink/MATLAB R2020a. Подход основан на извлечении всех необходимых параметров путем использования доступных параметров из паспортов коммерческих фотоэлектрических панелей и оценки наклонов как при коротком замыкании, так и при разомкнутой цепи вольт-амперной характеристики, обычно предоставляемой большинством производителей солнечных панелей в стандартных условиях испытаний (STC). При моделировании учитывались как эффекты солнечного излучения, так и температуры. Была решена система связанных нелинейных одновременных уравнений для тока насыщения диода, коэффициента идеальности диода, а также последовательных и шунтирующих сопротивлений. Для точного моделирования фотоэлектрического модуля, используемого в нашем моделировании и анализе, впервые были извлечены необходимые зависящие от температуры параметры. При облученности STC 1000 Вт/м2 смоделированная кривая I-V оказалась идентичной экспериментальной, предоставленной производителем солнечной панели. Максимальная выходная мощность фотоэлектрического модуля увеличивается с 8,75 Вт до 50 Вт, когда облученность изменяется от 200 Вт/м2 до 1000 Вт/м2 при температуре STC. При температурах выше STC и для той же солнечной облученности выходная мощность фотоэлектрического модуля снизилась примерно на 14,5% только тогда, когда рабочая температура достигла значения 65 °C. Однако, поскольку температура ниже STC, выходная мощность выросла примерно на 7,4% сверх максимальной мощности номинальной фотоэлектрической панели. Расчетный температурный коэффициент мощности составил около -0,39%/oC, что довольно близко к значению, предоставленному производителем солнечной панели.
Ключевые слова: цифровое моделирование, электрические характеристики, математическое моделирование, программное обеспечение MATLAB, фотоэлектрический элемент/панель, возобновляемая энергия.
1. ВВЕДЕНИЕ
Из опыта известно, что солнечные элементы генерируют максимальную энергию, только когда они располагаются точно перпендикулярно направлению солнечных лучей, а это может случиться только один раз в день. В остальное время эффективность работы солнечных элементов составляет менее 10 %. Значительно повысить эффективность солнечного модуля можно, если снабдить его поворотным механизмом, оснащенным автоматической системой слежения за солнцем.
Система слежения за солнцем - это устройство для ориентирования панели солнечных батарей или для удержания солнечного отражателя или линзы повернутыми к солнцу, подобно гелиостату. Также, это один из способов повышения производительности солнечных элементов. От устройств, снабженных такой системой, требуется высокая точность, чтобы быть уверенным в том, что собранные солнечные лучи падают прямо на соответствующее приспособление.
Проведём моделирование системы
автоматического управления средствами программного пакета МЛТЬЛБ (рис.1.). Воспользуемся расширением данного программного продукта - средой моделирования 8ишИпк [1].
m-
аоянои-шкЬсоиллгоме Г
Рис. 1. Модель системы автоматического управления в среде 81тиИпк
Используя встроенные средства среды Б1ти1шк получим график переходного процесса системы, при воздействии на неё единичного ступенчатого сигнала (рис. 2).
Из графика можем определить следующие параметры система автоматического управления: • величина статической ошибки - 0,0037 %;
PRACTICAL PROBLEMS AND SOLUTIONS TO THE USE OF THEORETICAL LAWS IN THE SCIENCES OF THE 2IST CENTURY
TASHKENT. О-в MAY 2024
• время переходного процесса - 0.00542 с;
• колебательность присутствует;
• коэффициент перерегулирования - 6.81%. Исходя из этих данных, можно сделать вывод о
том, что система автоматического управления не соответствует техническому заданию (по пунктам величина статической ошибки и время переходного процесса) и нуждается в корректировке. В качестве корректирующего звена выберем ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциальный) регулятор.
¡уам !Ш_1 {црвк««»
но №1 Рая ю ОДи РЖ г. ся, г«.» р«« г -, сипи Ран — Рм» т*м> 0 Т27 СМуМхх*«*) 8И
Рис. 2. График переходного процесса системы при воздействии на неё единичного ступенчатого сигнала
Для настройки ПИД регулятора - определения значений пропорционального, дифференциального и интегрального коэффициентов - воспользуемся встроенными средствами среды Simulink.
Подбор коэффициентов будем осуществлять с помощью блока NCD OutPort. Включим его в схему, как показано на рисунке 3.
Ш-'
0 тяооыи«1« ЯЛПлОЯв
Рис. 3. Схема, собранная для настройки ПИД регулятора
Зададим настройки блока NCD OutPort (рис. 4, 5) и ПИД регулятора PID Controller (рис. 6).
ime bxii Limils
Tïïieenikrti lei Figi«- S/flem two. Отрои 1 Гг» «ад forts
|№3]
T пр 1:Ьс!
I Tin«M
Done
Рис. 5. Настройки блока NCD OutPort
Рис. 6. Параметры ПИД регулятора PID Controller
В блоке NCD OutPort зададим ограничения для графика переходного процесса (рис. 7).
Блок NCD OutPort производит автоматическую коррекцию параметров Кр, Ki и Kd.
Рис.4. настройки блока NCD OutPort
Рис. 7. Настройка границ в блоке NCD OutPort
Значения коэффициентов, полученных оптимизацией в блоке NCD ОиРоА:: Кр = 0.000001 И = 9, 00021 М = 10, 003
После корректировки переходная функция удовлетворяет техническому заданию (рис. 7). Получены следующие характеристики:
1) Время переходного процесса - 0.147 с.
2) Установившееся значение - 1 с-1.
3) Количество колебаний - 0.
4) Коэффициент перерегулирования - 0.
5) Статическая ошибка - 0.
PRACTICAL PROBLEMS AND SOLUTIONS TO THE USE OF THEORETICAL LAWS IN THE SCIENCES OF THE 2IST CENTURY
TASHKENT, в-8 MAY 2024
StapRawoM frax hpü t\ri To ОДя* fart
\ It - tpi ■',»-( H, ijlpl Pert ----- SiTJdn two_i- L«> tvJ f-ort to IWi ft* V*» I
\ i
Hi 06
Рис. 7. Реакция системы на единичное ступенчатое воздействие
Определим передаточную функцию разомкнутой системы:
Wрaз = ,№уС (р) • двигателя (Р) ^ ^^редуктора (р) • WпИД-регулятора (р)
W <*> Т~~7-ТП
Определим передаточную функцию замкнутой системы:
W,..®-__
l + W0c(p)Wpa3(p)
1 KJp2 + K„p + Ki
«U(p)=
г с*
Hi
1+lJ
1 Kd-pJ + Kr-p + Ki
uyc Ki P2 + VVi + V^i
Uj, d ръ + ■ Kd + nf d -^J p2 + ■ Kt + C'e ■ 11, p + Up-Kj
W3„( P) = -
24-10-р2 + 24-0,000001-р + 24 -9
0,000018910
p3 + 1 240+
0,0022776 10"
p2 + 0,0001589 p + 216
0,0386 ^ 0,0386
Характеристическое уравнение замкнутой системы имеет вид:
^г-■ V/ + ^ ^ р2'^ иг**> ^ = 0
0,0000189-10"6
0,0386
p3 +1 240 +
0,0022776-10"6 I 2
0,0386
p2 + 0,0001589 p + 216
= 0 = 0
Transfer Funcllon Proportie»
SppfttJiCAfciüri Mrtthüd
fï" Pofcrwm«! II R
Г m,si Filr Г .im F le-
m
Fit F*er
I Tapped Detoji R Dfcraete dT |001 Foie* and Zno*
] BtQWSC Data ■■ J
I U и Э2 bit pfecinoo I Use »«ted faced port
|k>Mil: rjdôj ¿ед4й № iightji
NumiAt«: |1 - ЭЭЭЭ09Э87Эбг17 -.99962005600533 1{ЭЭЭЭ1003678545 ji л ^щ^ушо^ эг ■ эдзее-то 99995502097613
J
J
M^lp
1 К p +K p+E
Рис. 9. Переход в 2-пространство средствами
Итогом этого преобразования станет дискретная
IIS Шаемгп! ЕВИ
< > < 1
Рис. 10 Дискретная передаточная функция,
полученная средствами У1$81т
Смоделируем схему цифровой системы автоматического управления в БшшИпк (рис. 11).
, ' гП
* «s«.-»- ■.■т. шшащ» TJ
0.000000004896- p3 + 240.000000)5901- p2 + 0,0001589-p + 21i
Рис. 11. Структурная схема ЦСАУ
Как известно, непрерывная система устойчива, если все корни ее характеристического уравнения лежат в левой полуплоскости. При исследовании дискретных систем вместо р используется новая переменная z = . Конформное преобразование z
= отображает левую полуплоскость плоскости р в область, ограниченную окружностью единичного радиуса на плоскости z, при этом мнимая ось отражается в саму эту окружность [1]. Следовательно, для того чтобы системы была устойчива необходимо и достаточно, чтобы корни характеристического уравнения лежали внутри единичной окружности.
Для исследования ЦСАУ необходимо провести 7-преобразование передаточной функции непрерывной системы. Для этого воспользуемся средствами математического пакета У1Б81т (рис. 9).
PRACTICAL PROBLEMS AND SOLUTIONS TO THE USE OF THEORETICAL LAWS IN THE SCIENCES OF THE 2IST CENTURY
TASHKENT, в-8 MAY 2024
.) L Tl Yirwcr: uni ¡tied
He £<* SmAnt Wndow Help ûâ ß ß
System irtlledj Pote : 0 555 Omnpng 1 0 Frequency (redteec> 0 589
System LrtBedJ
Pöte : -0.602
Dweina 00701
Ov*fshootC%)" SO2
Frequency (ratifiée ^ lli
f 6 systems detetwi from ihe
Рис. 12. Проверка устойчивости ЦСАУ
Как видно из рис. 12, все корни характеристического уравнения лежат внутри единичной окружности, следовательно,
проектируемая цифровая система устойчива.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Saitov E.B., Akhmedov U.M. Tracking maximum power point of photovoltaic modules, AIP Conference Proceedings, 2023, 2789, 060005, https://doi.org/10.1063/5.0145470
[2] Zikrillayev N., Ayupov K.a Mamarajabova Z.b, Yuldoshev I.a, Saitov E.a, Sabitova I.a Adaptation and optimization of a photovoltaic system for a country house, E3S Web of Conferences, 2023, 383, 04054, https://doi.org/10.1051/e3sconf/202338304054
[3] Saitov, E., Kudenov, I., Qodirova, F., Askarov, D., Sultonova, M. Analysis of the performance and economic parameters of different types of solar panels taking into account degradation processes. E3S Web of Conferences, 2023, 383, 04059 https://doi.org/10.1051/e3sconf/202338304059
[4] Saitov, E., Khushakov, G., Masharipova, U., Mamasaliyev, O., Rasulova, S. Investigation of the working condition of large power solar panel cleaning device. E3S Web of Conferences, 2023, 383, 04060, https://doi.org/10.1051/e3sconf/202338304060
[5] Zikrillayev, N., Saitov, E., Toshov, J., Muradov, B., Muxtorov, D. Autonomous Solar Power Plant for Individual use Simulation in LTspice Software Package Booster Voltage Converter. Proceedings of International Conference on Applied Innovation in IT, 2023, 11(1), pp. 207-211, https://doi:10.25673/101939
[6] Yuldoshov, B., Saitov, E., Khaliyarov, J., Toshpulatov, S., Kholmurzayeva, F. Effect of Temperature on Electrical Parameters of Photovoltaic Module. Proceedings of International Conference on Applied Innovation in IT, 2023, 11(1), pp. 291-295, https://doi:10.25673/101957
[7] Saitov, E., Jurayev, O., Axrorova, S., Ismailov, J., Baymirzaev, B. Conversion and use of Solar Energy Calculation Methodology for Photovoltaic Systems, Proceedings of International Conference on Applied Innovation in IT, 2023, 11(1), pp. 227-232, https://doi: 10.25673/101942
[8] Zikrillayev, N.F., Shoabdurahimova, M.M., Kamilov, T., Norkulov, N., Saitov, E.B. Obtaining manganese silicide films on a silicon substrate by the diffusion method. Physical
Sciences and Technology, 2022, 9(2), pp. 89-93, https://doi.org/10.26577/phst.2022.v9.i2.011
[9] Zikrillayev, N.F., Saitov, E.B., Ayupov, K.S., Yuldoshev, I.A. Determination of the resistance of external parameters to the degradation of the parameters of silicon photocells with input nickel atoms. Physical Sciences and Technology, 2022, 9(1), pp. 30-36, https://doi.org/10.26577/phst.2022.v9.i1.04
[10] Saitov, E.B., Kodirov, Sh., Beknazarova, Z.F., Nortojiyev, A., Siddikov, N. Developing Renewable Sources of Energy in Uzbekistan Renewable Energy Short Overview: Programs and Prospects. AIP Conference Proceedings, 2022, 2432, 020015, https://doi.org/10.1063Z5.0090438
[11] E. B. Saitov; T. B. Sodiqov. Modeling an autonomous photovoltaic system in the MATLAB Simulink software environment, AIP Conf. Proc. 2432, 020022 (2022), https://doi.org/10.1063/5.0089914
[12] E. B. Saitov, Sh. Kodirov, B. M. Kamanov, N. Imomkulov, I. Kudenov, Increasing the efficiency of autonomous solar photovoltaic installations for power supply of agricultural consumers, AIP Conf. Proc. 2432, 040036 (2022), https://doi.org/10.1063/5.0090439
[13] F. Zikrillayev, E. B. Saitov, J. B. Toshov, B. K. Ilyasov, M. B. Zubaydullayev, A software package for determining the optimal composition and parameters of a combined autonomous power supply system based on renewable energy sources, AIP Conf. Proc. 2432, 020021 (2022), https://doi.org/10.1063/5.0090460
[14] Zikrillayev Nurullo, Toshov Javohir, Saitov Elyor, Sodikov Temur, Development and selection of equipment for a peak autonomous photo power plant, AIP Conf. Proc. 2552, 030020 (2023) https://doi. org/10.1063/5.0117594
[15] Turabdjanov Sadritdin, Toshov Javohir, Saitov Elyor, Axmedov Usmonjon, Research of electrophysical parameters of different types of solar panels taking into account degradation processes, AIP Conf. Proc. 2552, 030019 (2023), https://doi.org/10T 063/5.0117592
[16] Yu.M.Kurbonov, E.B.Saitov and B.M.Botirov, Analysis of the influence of temperature on the operating mode of a photovoltaic solar station, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Volume 614, 1st International Conference on Energetics, Civil and Agricultural Engineering 2020 14-16 October 2020, Tashkent, Uzbekistan, Citation 2020 IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 614 012034, https://doi: 10.1088/1755-1315/614/1/012034
[17] E.B. Saitov, Optimal model for additional operation of the storage system for photovoltaic wind power plants, E3S Web of Conferences 220, 01080 (2020), https://doi.org/10.1051/e3sconf/202022001080
[18] E.B.Saitov, Y.B.Sobirov, I.A.Yuldoshev, I.R. Jurayev and Sh.Kodirov, Study of Solar Radiation and Wind Characteristics in Various Regions of Uzbekistan, E3S Web of Conferences 220, 01061 (2020), https://doi.org/10.1051/e3sconf/202022001061
[19] E.B.Saitov, J.B.Toshov, A.O.Pulatov, B.M.Botirov and Yu.M.Kurbanov, Networked interactive solar panels over the roof photovoltaic system (PVS) and its cost analysis at Tashkent state technical University, E3S Web of Conferences 216, 01133 (2020), https://doi. org/10.1051/e3 sconf/202021601133
[20] E.B. Saitov, Renewable energy development in Uzbekistan: current status, problems and solutions, E3S Web of Conferences 216, 01134 (2020), https://doi. org/10.1051/e3 sconf/202021601134
[21] Sanjar Shoguchkarov, Isroil Yuldoshev, Elyor Saitov and Alisher Boliev, The effect of the surface geometry of a photovoltaic battery on its efficiency, E3S Web of
PPSUTLSC-2024
PRACTICAL PROBLEMS AND SOLUTIONS TO THE USE OF THEORETICAL LAWS IN THE SCIENCES OF THE 2IST CENTURY
tashkent, o-8 may 2004 www.in~academy.uz
Conferences 216, 01149 (2020),
https://doi.org/10.1051/e3sconf/202021601149
[22] I.Sapaev, E.Saitov, N.Zoxidov and B.Kamanov, Matlab-model of a solar photovoltaic station integrated with a local electrical network, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 883, International Scientific Conference Construction Mechanics, Hydraulics and Water Resources Engineering (CONMECHYDRO - 2020) 23-25 April 2020, Tashkent Institute of Irrigation and Agricultural Mechanization Engineers, Tashkent, Uzbekistan, https://doi: 10.1088/1757-899X/883/1/012116
[23] Javoxir Toshov and Elyor Saitov, Portable autonomous solar power plant for individual use, E3S Web of Conferences 139, 01087 (2019), https://doi.org/10.1051/e3sconf/201913901087
[24] M. K. Bakhadyrkhanov, S. A. Valiev, N. F. Zikrillaev, S. V. Koveshnikov, E. B. Saitov & S. A. Tachilin, Silicon photovoltaic cells with clusters of nickel atoms, Direct Conversion of Solar Energy into Electric Energy, Published: 22 February 2017. Volume 52, pages 278-281, (2016), https://doi.org/10.3103/S0003701X1604006X
