Система управления автономной фотоэлектрической установки

Я, Андрей Александрович Чепига, активно занимаюсь научной деятельностью в области электропривода и альтернативных источников энергии с 2018 года. На данный момент студент-магистр Национального исследовательского университета "Московский энергетический институт" по специальности "Электропривод и автоматика". Получил степень бакалавра в Донецком национальном техническом университете по специальности "Системы программного управления технологическим оборудованием и электропривод". Вашему вниманию хочу представить работу, выполненную 2 года назад в Донецке. Тогда же она впервые была представлена на конкурсе Student Simulink Challenge 2019. Однако, мой корабль с работой на борту под названием "Гений монтажа" разбился о рифы регламента (не прошел по длительности видеоролика). И я понял, что самое время ее представить здесь, в рамках конкурса StudentHub_2021. Данный проект представлен в виде небольшого описания на сайте, а всем заинтересовавшимся могу предложить оценить прилагающийся к нему видеоряд (https://youtu.be/aCmRj9tD-vI).

Структурная схема фотоэлектрической установки приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структурная схема автономной фотоэлектрической установки в режиме управления потребителями

Система управления реализует следующий принцип: оценивая ток короткого замыкания солнечной панели при помощи датчика тока ДТ1 можно определить плотность солнечной энергии и на основании этой плотности оценить максимальную мощность фотоэлектрической установки. При этом используется тот факт, что ток короткого замыкания пропорционален плотности солнечной энергии. Вычислив мощность, потребляемую аккумулятором на основании текущего энергопотребления установки, можно оценить разность между максимальной мощностью фотоэлектрической установки при данной освещенности и мощностью, потребляемой аккумулятором. Эта разность показывает резервы мощности, которые в дальнейшем позволяют определить, какое число потребителей может быть подключено к выходу автономной установки, для того, чтобы обеспечить ее функционирование как можно ближе к точке максимальной мощности. Преимущество такого подхода заключается в возможности оптимизации работы фотоэлектрического модуля без использования датчика освещенности.

Программное обеспечение системы управления потребителями на базе платы STM32F4 DISCOVERY разработано методом модельно-ориентированного программирования при использовании пакета прикладных программ MATLAB, его графической среды имитационного моделирования Simulink и пакета расширений Waijung Blockset, которое позволяет задействовать в разработке аппаратные средства микроконтроллера STM32.
Преимущества средств модельно-ориентированного программирования по сравнению с традиционными средствами разработки программного обеспечения:

• удобство и наглядность представления структуры системы управления и ее программного обеспечения, а также взаимодействия их составных частей;
• возможность непосредственного использования математических моделей или их составных частей при разработке прикладного программного обеспечения;
• наличие библиотеки функционально завершенных блоков, выполняющих типовые вычислительные функции, функции использования аппаратных средств микроконтроллера и функции связи с периферийными устройствами технических систем;
• простота адаптации исполняемой модели к различной элементной базе;
• упрощение и ускорение разработки, так как не требуется знание языков программирования и особенностей структуры микроконтроллера.

Программное обеспечение представлено в графической форме в виде исполняемой модели, которая воспроизводит логику алгоритма управления. Верхний уровень исполняемой модели показан на рисунке 2.

Рисунок 2 – Верхний уровень исполняемой модели

Блок Target Setup предназначен для настройки конфигурации микроконтроллера и средств генерирования программного кода. В списке MCU производится выбор модели контроллера, в списке Clock Configuration – настройка частоты процессора, во вкладке Sample Time – настройка программного цикла или шага дискретизации по времени. Параметры блока представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 – Блок Target Setup с соответствующими настройками

Сигналы с датчиков напряжения и тока передаются на АЦП отладочной платы STM32F4 DISCOVERY. Так как эти сигналы являются аналоговыми, а для последующей обработки программой необходимо сформировать цифровые сигналы, был задействован блок преобразования АЦП Regular ADC. Его параметры представлены на рисунке (рис 4).

Рисунок 4 – Параметры блока АЦП

Преобразованные цифровые данные из блока АЦП имеют 12-битное представление (максимальное выходное значение 4095). Однако принимая во внимание, что цифровые данные, полученные от АЦП необходимо преобразовать в значения тока и напряжения с учетом коэффициентов передачи датчиков тока и напряжения, были задействованы результирующие коэффициенты ?=3∙13,937/4095 для датчика напряжения и ?=3∙0,954/4095 для датчика тока. Для аналого-цифрового преобразования были задействованы АЦП3 и АЦП7 (pin A3 и pin A7).
Преобразованные сигналы напряжения и тока поступают на входы подсистем «Среднее значение», в которых происходит расчет среднего значения импульсных сигналов с датчиков тока и напряжения (рис. 5). Обе подсистемы идентичны.

Рисунок 5 – Расчет среднего значения импульсных сигналов с датчиков

Среднее значение тока рассчитывается по следующей формуле (для вычисления напряжения применяется аналогичная формула):

где ? – период дискретности.

Поступающий на вход сигнал интегрируется посредством дискретного интегратора Discrete-Time Integrator с передаточной функцией  где ?=?_?∙? (?_? – коэффициент непрерывного интегратора). Период интегрирования для дискретного интегратора выбран равным 1 с, и определяется как произведение периода тактового генератора (0,05 с) на максимальное значение счетчика (20). На время вычисления среднего значения на следующем периоде усреднения, элемент памяти на основе блока Switch позволяет удерживать текущее значение усредненной величины. Период дискретности для интегратора выбирался с учетом длительности самого короткого импульса тока, который имеет место при полном заряде аккумулятора. Длительность такого импульса была получена по осциллограмме и равняется 1 мс. Период дискретности был выбран в пять раз меньше и равняется 0,2 мс.
Перемножив величины тока и напряжения, можно получить текущую активную мощность солнечной панели. Проинтегрировав сигнал мощности, в свою очередь можно получить значение генерируемой установкой энергии. Так как сигнал мощности дискретный, для интегрирования необходимо использовать дискретный интегратор Discrete-Time Integrator. Параметры блока приведены на рисунке 6.

Рисунок 6 – Параметры блока Discrete-Time Integrator

Для отображения данных о выработке энергии был проведен расчет коэффициента T_i:

Для сброса интегратора используется кнопка, расположенная на отладочной плате. Для опроса ее состояния используется блок Digital Input. Его параметры приведены на рисунке 7.

Рисунок 7 – Параметры блока Digital Input

В настройках этого блока выбирается используемый порт, пин, на который будет приходить сигнал и скорость передачи данных. Аналогичный блок Digital Input1 задействован для опроса сигналов с панели управления. Его параметры представлены на рисунке 8.

Рисунок 8 – Параметры блока Digital Input1

Для решения задачи вывода информация о напряжении U, токе I, активной мощности Р, и энергии Е на цифровой дисплей LCD была создана отдельная подсистема «Индикация» (рис. 9). Для передачи информации на цифровой дисплей был задействован ряд специальных блоков из библиотеки Waijung Blockset.

Рисунок 9 – Подсистема «Индикация»

Блок Character LCD Setup описывает свойства LCD дисплея. Данный блок используется для конфигурации контрольных пинов для управления дисплеем. В настройках данного блока указаны количество символов дисплея. Параметры представлены на рисунке 10.

Рисунок 13 – Параметры блока Character LCD Setup

Перед передачей сигналов на дисплей, их необходимо преобразовать в формат string. Для хранения этих данных используются блоки Volatile Data Storage. В настройках этих блоков, в поле Storage Type указывается формат сохраняемых данных, в поле Storage Name имя хранилища, в поле Size указывается размер буфера для хранения данных в байтах (рис. 14).

Рисунок 14 – Параметры блока Volatile Data Storage

Сигналы, которые необходимо передать в буфер в формате string, подаются на входы блоков обработки данных строкового типа String Buffer Processing, в параметрах которых указывается функция буферной строки, а также выбирается имя хранилища из ранее заданных в блоке Volatile Data Storage и формат вывода данных на дисплее (рис. 15)

Рисунок 15 – Параметры блока String Buffer Processing

Для отображения сигналов напряжения U, тока I, мощности P и энергии E были задействованы блоки LCD-Write-Blocks (рис. 16). На вход cmd подается сигнал очистки дисплея перед выводом информации. На вход xpos подается номер символа положения курсор на строке, на вход ypos подается номер строки.

Рисунок 16 – Параметры блока LCD-Write-Block

На вход str подается информация, считывающаяся из буфера при помощи блока Volatile Data Storage Read. Его параметры приведены на рисунке 17.

Рисунок 17 – Параметры блока Volatile Data Storage Read

Система управления потребителями реализует алгоритм, приведенный на рисунке 18.

Рисунок 18 – Алгоритм управления потребителями

Программа реализующая алгоритм управления потребителями, находится в подсистеме «Управление» (рис. 19).

Рисунок 19 – Система управления потребителями

На входы подсистемы поступают значения мощности, тока, и сигналы с тумблеров, расположенных на панели управления автономной фотоэлектрической установкой, и реализующих переключение ручного и автоматического режимов управления потребителями, а также подключение/отключение потребителей в ручном режиме.

Как уже отмечалось ранее, ток короткого замыкания пропорционален плотности солнечной энергии, которая в свою очередь влияет на максимальную мощность солнечной панели. На основании этого факта и с учетом известных из паспортных данных параметров солнечно панели, можно вывести коэффициент пропорциональности максимальной мощности к току короткого замыкания.
Плотность солнечной энергии рассчитывается по следующей формуле:

где c₀ – коэффициент пропорциональности (зависит от солнечной панели);

I_кз – ток короткого замыкания солнечной батареи.

Коэффициент пропорциональности c₀ для номинальных условий:

Максимальную мощность можно найти по следующему выражению

где A – площадь поверхности солнечного элемента;
? – КПД солнечной панели;
? – коэффициент пропорциональности мощности к току короткого замыкания.

Коэффициент ?:

где ?=1,307 м – длина солнечной панели; ?=0,652 м – ширина солнечной панели.

Блок Pulse Generator с периодом 200 секунд создает импульсный сигнал длительностью в 2 секунды. Длительность выбрана таким образом, чтобы за это время успел пройти один полный период интегрирования для дискретных интеграторов, определяющего среднее значения тока и напряжения. Данный импульс передает разрешающий сигнал на замер значения текущей мощности, и с задержкой 3 секунды – на реле (4), замыкающее солнечную панель накоротко, что позволяет измерить значение максимальной мощности. Полученное значение тока короткого замыкания умножается на коэффициент k, установленный в блоке Gain и таким образом определяется значение максимальной мощности. При спаде сигнала генератора импульсов, значение текущей мощности и значение максимальной мощности (с задержкой в 3 секунды) сохраняются в элементах памяти на время длительности одного периода генератора импульсов.
На рисунке 20 представлена временная диаграмма одного цикла работы системы управления потребителями.

Рисунок 20 – Временная диаграмма одного цикла работы системы управления потребителями

Значения текущей мощности, максимальной мощности, а также значения мощностей потребителей (трех лампочек 21 Вт, 19 Вт и 14 Вт), передаются в подсистему «Алгоритм управления» (рис. 21). Кроме того, в подсистему также передается выходной сигнал логического элемента ИЛИ-НЕ принимающего значение 1 при отсутствии сигнала с генератора импульсов. Этот сигнал используется в качестве разрешающего для передачи новых данных в алгоритм управления.

Рисунок 21 – Формирование управляющих сигналов для подключения оптимального числа потребителей

Для определения резервной мощности необходимо из максимальной мощности вычесть текущую мощность аккумулятора. Также стоит учесть, что на момент ее измерения какой-либо из потребителей уже мог быть подключены, о чем можно судить по состоянию управляющих сигналов K1, K2 и K3.

где P1, P2, P3 – мощность потребителей 1, 2 и 3 соответственно.

Так как в начальный момент запуска системы управления информация о состоянии управляющих сигналов K1, K2 и K3 отсутствует, но при этом они уже задействуются в расчете, то возникает так называемая алгебраическая петля. Для ее устранения задействованы блоки задержки сигнала на один период дискретизации Unit Delay.
Далее происходит поэтапная оценка резерва мощности и возможности подключения потребителей исходя из их приоритета, на основании чего формируются управляющие сигналы для подключения потребителей.

Разработанная автономная фотоэлектрическая установка представлена на рисунке 22:

Рисунок 22 – Автономная фотоэлектрическая установка

В ходе проведенных испытаний разработанной системы управления были получены осциллограммы тока и напряжения солнечной батареи при заряженном состоянии аккумулятора (рис. 23), при включенном потребителе мощностью 14 Вт (рис. 24) и при включенном потребителе мощностью 21 Вт (рис. 25).

Рисунок 23 – На рисунке представлены осциллограммы а) тока и б) напряжения солнечной батареи при заряженном состоянии аккумулятора

Рисунок 24 – На рисунке представлены осциллограммы а) тока и б) напряжения солнечной батареи при включенном потребителе мощностью 14 Вт

Рисунок 25 – На рисунке представлены осциллограммы а) тока и б) напряжения солнечной батареи при включенном потребителе мощностью 21 Вт

А что же дальше? Смотрите в видео...