Система управления преобразователем постоянного напряжения для солнечных панелей
Ключевые слова:
солнечная панель, преобразователь электроэнергии, режим прерывистого тока дросселя, стабилизация напряжения, нелинейная динамика, нелинейные колебания, система управления, метод точечных отображений
Аннотация
Статья посвящена вопросам совершенствования преобразователей электроэнергии для объектов солнечной энергетики с целью повышения качества выходного напряжения. Объектом исследования является непосредственный повышающий преобразователь напряжения для солнечных панелей с двухконтурной системой управления с внутренним контуром тока и внешним контуром напряжения. Преобразователь работает в режиме прерывистого тока дросселя и обеспечивает повышение и стабилизацию напряжения. Разработана методика выбора параметров регуляторов двухконтурной системы управления преобразователем. Рассмотрена нелинейная динамическая модель системы и проведено ее исследование. Установлено, что при малых сопротивлениях нагрузки в системе возникают нежелательные колебания, которые не предсказываются малосигнальной моделью, использованной при разработке методики расчета регуляторов. Предложена структура системы управления, позволяющая исключить указанные колебания за счет введения дополнительной системы управления нелинейными динамическими процессами, основанной на методе направления на цель. Определен оптимальный набор фазовых переменных, используемых при формировании корректирующих воздействий на выходе системы управления нелинейными динамическими процессами. Проведены исследования, показавшие эффективность принятых решений.
Литература
1. Левинзон С.В. Энергоресурсы: прогнозы и реальность. М.: Академия естествознания, 2018, 410 с.
2. Reddy D.V.S., Thangavel S. Review on Power Electronic Boost Converters. – Australian Journal of Electrical and Electronics Engineering, 2021, vol. 18, No. 3, pp. 127–137, DOI:10.1080/1448837X.2021.1935091.
3. Абдали А.Л.М. и др. Анализ методов управления производительностью преобразователей постоянного тока солнечных элементов и выбор оптимального метода. – Интеллектуальные системы в производстве, 2023, т. 21, № 1, с. 127–137.
4. Белов А.М., Нтавухоракомейе Н. Проектирование повышающего преобразователя постоянного тока контроллера солнечного заряда MPPT. – Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2020, № 6, с. 78–87.
5. Ramasami U. et al. Design of Boosted Multilevel DC-DC Converter for Solar Photovoltaic System. – International Journal of Photoenergy, 2022, vol. 2022(4), DOI:10.1155/2022/1648474.
6. Albert M.C.M. et al. Boost Converter with Combined Control Loop for a Stand-Alone Photovoltaic Battery Charge System. – IEEE 14th Workshop on Control and Modeling for Power Electronics, 2013, DOI:10.1109/COMPEL.2013.6626428.
7. Babaa S.E. et al. Overview of Boost Converters for Photovoltaic Systems. – Journal of Power and Energy Engineering, 2018, vol. 6, No. 04, рр. 16–31, DOI:10.4236/jpee.2018.64002.
8. Özdemir A., Erdem Z. Double-Loop PI Controller Design of the DC-DC Boost Converter with a Proposed Approach for Calculation of the Controller Parameters. – Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, 2018, vol. 232, No. 2, pp. 137–148, DOI:10.1177/0959651817740006.
9. Zhusubaliyev Zh.T., Mosekilde E. Bifurcations and Chaos in Piece-Wise-Smooth Dynamical Systems. Singapore: World Scientific Pub Co Inc, 2003, 376 p.
10. Белов Г.А. Теория импульсных преобразователей. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2016, 330 c.
11. Zhang J., Yang Y., Wang D. Dynamic Analysis and Chaos Control of the Switched-Inductor Boost Converter with the Memristive Load. – International Journal of Circuit Theory and Applications, 2021, vol. 49, No. 7, pp. 2007–2020, DOI:10.1002/cta.3022.
12. Samanta B. et al. Chaos Control on Current-Mode Controlled DC-DC Boost Converter Using TDFC. – IEEE Calcutta Conference, 2017, pp. 159–163, DOI: 10.1109/CALCON.2017.8280716.
13. Natsheh A.N., Janson N.B., Kettleborough J.G. Control of Chaos in a DC-DC Boost Converter. – IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2008, pp. 317–322, DOI: 10.1109/ISIE.2008.4676899.
14. Dattani J., Blake J.C.H., Hilker F.M. Target-Oriented Chaos Control. – Physics Letters A, 2011, vol. 375, No. 45, pp. 3986–3992, DOI:10.1016/j.physleta.2011.08.066.
15. Андриянов А.И., Краснов Н.А. Нейросетевая система управления нелинейной динамикой непосредственного понижающего преобразователя напряжения. – Известия высших учебных заведений. Приборостроение, 2013, т. 56, № 12, c. 33–38.
16. Dragan F. Controlling Chaos in a Current Mode Controlled Boost Converter Using Ott-Grebogi-Yorke and Derivate Methods. – 7th WSEAS International Conference on Automation & Information, 2006, pp. 62–65.
17. Андриянов А.И. Развитие теории управления нелинейными динамическими процессами импульсных систем электропитания: дис. … докт. техн. наук. Чебоксары, 2022, 515 с.
18. Кобзев А.В. и др. Модуляционные источники питания РЭА. Томск: Радио и связь, 1990, 336 с.
19. Севернс Р., Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания. М.: Энергоатомиздат, 1988, 294 с.
20. Astrom K.J., Wittenmark B. Computer Controlled Systems. New Jersey: Prentice-Hall, 2011, 576 p.
21. Ким Д.П. Теория автоматического управления. М.: Юрайт, 2022, 277 с.
#
1. Levinzon S.V. Energoresursy: prognozy i real'nost' (Energy Resources: Forecasts and Reality). М.: Akademiya estestvoznaniya, 2018, 410 p.
2. Reddy D.V.S., Thangavel S. Review on Power Electronic Boost Converters. – Australian Journal of Electrical and Electronics Engineering, 2021, vol. 18, No. 3, pp. 127–137, DOI:10.1080/1448837X.2021.1935091.
3. Аbdаli А.L.М. et al. Intellektual'nye sistemy v proizvodstve – in Russ. (Intelligent Systems in Production), 2023, vol. 21, No. 1, pp. 127–137.
4. Belov A.M., Ntavuhorakomeye N. Izvestiya SPbGETU «LETI» – in Russ. (Izvestiya SPbSETU "LETI"), 2020, No. 6, pp. 78–87.
5. Ramasami U. et al. Design of Boosted Multilevel DC-DC Converter for Solar Photovoltaic System. – International Journal of Photoenergy, 2022, vol. 2022(4), DOI:10.1155/2022/1648474.
6. Albert M.C.M. et al. Boost Converter with Combined Control Loop for a Stand-Alone Photovoltaic Battery Charge System. – IEEE 14th Workshop on Control and Modeling for Power Electronics, 2013, DOI:10.1109/COMPEL.2013.6626428.
7. Babaa S.E. et al. Overview of Boost Converters for Photovoltaic Systems. – Journal of Power and Energy Engineering, 2018, vol. 6, No. 04, рр. 16–31, DOI:10.4236/jpee.2018.64002.
8. Özdemir A., Erdem Z. Double-Loop PI Controller Design of the DC-DC Boost Converter with a Proposed Approach for Calculation of the Controller Parameters. – Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, 2018, vol. 232, No. 2, pp. 137–148, DOI:10.1177/0959651817740006.
9. Zhusubaliyev Zh.T., Mosekilde E. Bifurcations and Chaos in Piece-Wise-Smooth Dynamical Systems. Singapore: World Scientific Pub Co Inc, 2003, 376 p.
10. Belov G.А. Teoriya impul'snyh preobrazovateley (Theory of Pulse Converters). Cheboksary: Izd-vo Chuvash. un-ta, 2016, 330 p.
11. Zhang J., Yang Y., Wang D. Dynamic Analysis and Chaos Control of the Switched-Inductor Boost Converter with the Memristive Load. – International Journal of Circuit Theory and Applications, 2021, vol. 49, No. 7, pp. 2007–2020, DOI:10.1002/cta.3022.
12. Samanta B. et al. Chaos Control on Current-Mode Controlled DC-DC Boost Converter Using TDFC. – IEEE Calcutta Conference, 2017, pp. 159–163, DOI: 10.1109/CALCON.2017.8280716.
13. Natsheh A.N., Janson N.B., Kettleborough J.G. Control of Chaos in a DC-DC Boost Converter. – IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2008, pp. 317–322, DOI: 10.1109/ISIE.2008.4676899.
14. Dattani J., Blake J.C.H., Hilker F.M. Target-Oriented Chaos Control. – Physics Letters A, 2011, vol. 375, No. 45, pp. 3986–3992, DOI:10.1016/j.physleta.2011.08.066.
15. Andriyanov A.I., Krasnov N.А. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Priborostroenie – in Russ. (News of Higher Educational Institutions. Instrumentation), 2013, vol. 56, No. 12, pp. 33–38.
16. Dragan F. Controlling Chaos in a Current Mode Controlled Boost Converter Using Ott-Grebogi-Yorke and Derivate Methods. – 7th WSEAS International Conference on Automation & Information, 2006, pp. 62–65.
17. Andriyanov A.I. Razvitie teorii upravleniya nelineynymi dina-micheskimi protsessami impul'snyh sistem elektropitaniya: dis. … dokt. tekhn. nauk (Development of the Theory of Nonlinear Dynamic Processes Control of Pulsed Power Supply Systems: Dis. ... Dr. Sci. (Eng.). Cheboksary, 2022, 515 p.
18. Kobzev A.V. et al. Modulyatsionnye istochniki pitaniya REA (Modulation Power Supplies of REA). Tomsk: Radio i svyaz', 1990, 336 p.
19. Severns R., Blum G. Impul'snye preobrazovateli postoyannogo napryazheniya dlya sistem vtorichnogo elektropitaniya (Pulse DC Voltage Converters for Secondary Power Supply Systems). M.: Energoatomizdat, 1988, 294 p.
20. Astrom K.J., Wittenmark B. Computer Controlled Systems. New Jersey: Prentice-Hall, 2011, 576 p.
21. Kim D.P. Teoriya avtomaticheskogo upravleniya (Theory of Automatic Control). M.: Yurayt, 2022, 277 p.
2. Reddy D.V.S., Thangavel S. Review on Power Electronic Boost Converters. – Australian Journal of Electrical and Electronics Engineering, 2021, vol. 18, No. 3, pp. 127–137, DOI:10.1080/1448837X.2021.1935091.
3. Абдали А.Л.М. и др. Анализ методов управления производительностью преобразователей постоянного тока солнечных элементов и выбор оптимального метода. – Интеллектуальные системы в производстве, 2023, т. 21, № 1, с. 127–137.
4. Белов А.М., Нтавухоракомейе Н. Проектирование повышающего преобразователя постоянного тока контроллера солнечного заряда MPPT. – Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2020, № 6, с. 78–87.
5. Ramasami U. et al. Design of Boosted Multilevel DC-DC Converter for Solar Photovoltaic System. – International Journal of Photoenergy, 2022, vol. 2022(4), DOI:10.1155/2022/1648474.
6. Albert M.C.M. et al. Boost Converter with Combined Control Loop for a Stand-Alone Photovoltaic Battery Charge System. – IEEE 14th Workshop on Control and Modeling for Power Electronics, 2013, DOI:10.1109/COMPEL.2013.6626428.
7. Babaa S.E. et al. Overview of Boost Converters for Photovoltaic Systems. – Journal of Power and Energy Engineering, 2018, vol. 6, No. 04, рр. 16–31, DOI:10.4236/jpee.2018.64002.
8. Özdemir A., Erdem Z. Double-Loop PI Controller Design of the DC-DC Boost Converter with a Proposed Approach for Calculation of the Controller Parameters. – Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, 2018, vol. 232, No. 2, pp. 137–148, DOI:10.1177/0959651817740006.
9. Zhusubaliyev Zh.T., Mosekilde E. Bifurcations and Chaos in Piece-Wise-Smooth Dynamical Systems. Singapore: World Scientific Pub Co Inc, 2003, 376 p.
10. Белов Г.А. Теория импульсных преобразователей. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2016, 330 c.
11. Zhang J., Yang Y., Wang D. Dynamic Analysis and Chaos Control of the Switched-Inductor Boost Converter with the Memristive Load. – International Journal of Circuit Theory and Applications, 2021, vol. 49, No. 7, pp. 2007–2020, DOI:10.1002/cta.3022.
12. Samanta B. et al. Chaos Control on Current-Mode Controlled DC-DC Boost Converter Using TDFC. – IEEE Calcutta Conference, 2017, pp. 159–163, DOI: 10.1109/CALCON.2017.8280716.
13. Natsheh A.N., Janson N.B., Kettleborough J.G. Control of Chaos in a DC-DC Boost Converter. – IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2008, pp. 317–322, DOI: 10.1109/ISIE.2008.4676899.
14. Dattani J., Blake J.C.H., Hilker F.M. Target-Oriented Chaos Control. – Physics Letters A, 2011, vol. 375, No. 45, pp. 3986–3992, DOI:10.1016/j.physleta.2011.08.066.
15. Андриянов А.И., Краснов Н.А. Нейросетевая система управления нелинейной динамикой непосредственного понижающего преобразователя напряжения. – Известия высших учебных заведений. Приборостроение, 2013, т. 56, № 12, c. 33–38.
16. Dragan F. Controlling Chaos in a Current Mode Controlled Boost Converter Using Ott-Grebogi-Yorke and Derivate Methods. – 7th WSEAS International Conference on Automation & Information, 2006, pp. 62–65.
17. Андриянов А.И. Развитие теории управления нелинейными динамическими процессами импульсных систем электропитания: дис. … докт. техн. наук. Чебоксары, 2022, 515 с.
18. Кобзев А.В. и др. Модуляционные источники питания РЭА. Томск: Радио и связь, 1990, 336 с.
19. Севернс Р., Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания. М.: Энергоатомиздат, 1988, 294 с.
20. Astrom K.J., Wittenmark B. Computer Controlled Systems. New Jersey: Prentice-Hall, 2011, 576 p.
21. Ким Д.П. Теория автоматического управления. М.: Юрайт, 2022, 277 с.
#
1. Levinzon S.V. Energoresursy: prognozy i real'nost' (Energy Resources: Forecasts and Reality). М.: Akademiya estestvoznaniya, 2018, 410 p.
2. Reddy D.V.S., Thangavel S. Review on Power Electronic Boost Converters. – Australian Journal of Electrical and Electronics Engineering, 2021, vol. 18, No. 3, pp. 127–137, DOI:10.1080/1448837X.2021.1935091.
3. Аbdаli А.L.М. et al. Intellektual'nye sistemy v proizvodstve – in Russ. (Intelligent Systems in Production), 2023, vol. 21, No. 1, pp. 127–137.
4. Belov A.M., Ntavuhorakomeye N. Izvestiya SPbGETU «LETI» – in Russ. (Izvestiya SPbSETU "LETI"), 2020, No. 6, pp. 78–87.
5. Ramasami U. et al. Design of Boosted Multilevel DC-DC Converter for Solar Photovoltaic System. – International Journal of Photoenergy, 2022, vol. 2022(4), DOI:10.1155/2022/1648474.
6. Albert M.C.M. et al. Boost Converter with Combined Control Loop for a Stand-Alone Photovoltaic Battery Charge System. – IEEE 14th Workshop on Control and Modeling for Power Electronics, 2013, DOI:10.1109/COMPEL.2013.6626428.
7. Babaa S.E. et al. Overview of Boost Converters for Photovoltaic Systems. – Journal of Power and Energy Engineering, 2018, vol. 6, No. 04, рр. 16–31, DOI:10.4236/jpee.2018.64002.
8. Özdemir A., Erdem Z. Double-Loop PI Controller Design of the DC-DC Boost Converter with a Proposed Approach for Calculation of the Controller Parameters. – Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, 2018, vol. 232, No. 2, pp. 137–148, DOI:10.1177/0959651817740006.
9. Zhusubaliyev Zh.T., Mosekilde E. Bifurcations and Chaos in Piece-Wise-Smooth Dynamical Systems. Singapore: World Scientific Pub Co Inc, 2003, 376 p.
10. Belov G.А. Teoriya impul'snyh preobrazovateley (Theory of Pulse Converters). Cheboksary: Izd-vo Chuvash. un-ta, 2016, 330 p.
11. Zhang J., Yang Y., Wang D. Dynamic Analysis and Chaos Control of the Switched-Inductor Boost Converter with the Memristive Load. – International Journal of Circuit Theory and Applications, 2021, vol. 49, No. 7, pp. 2007–2020, DOI:10.1002/cta.3022.
12. Samanta B. et al. Chaos Control on Current-Mode Controlled DC-DC Boost Converter Using TDFC. – IEEE Calcutta Conference, 2017, pp. 159–163, DOI: 10.1109/CALCON.2017.8280716.
13. Natsheh A.N., Janson N.B., Kettleborough J.G. Control of Chaos in a DC-DC Boost Converter. – IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2008, pp. 317–322, DOI: 10.1109/ISIE.2008.4676899.
14. Dattani J., Blake J.C.H., Hilker F.M. Target-Oriented Chaos Control. – Physics Letters A, 2011, vol. 375, No. 45, pp. 3986–3992, DOI:10.1016/j.physleta.2011.08.066.
15. Andriyanov A.I., Krasnov N.А. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Priborostroenie – in Russ. (News of Higher Educational Institutions. Instrumentation), 2013, vol. 56, No. 12, pp. 33–38.
16. Dragan F. Controlling Chaos in a Current Mode Controlled Boost Converter Using Ott-Grebogi-Yorke and Derivate Methods. – 7th WSEAS International Conference on Automation & Information, 2006, pp. 62–65.
17. Andriyanov A.I. Razvitie teorii upravleniya nelineynymi dina-micheskimi protsessami impul'snyh sistem elektropitaniya: dis. … dokt. tekhn. nauk (Development of the Theory of Nonlinear Dynamic Processes Control of Pulsed Power Supply Systems: Dis. ... Dr. Sci. (Eng.). Cheboksary, 2022, 515 p.
18. Kobzev A.V. et al. Modulyatsionnye istochniki pitaniya REA (Modulation Power Supplies of REA). Tomsk: Radio i svyaz', 1990, 336 p.
19. Severns R., Blum G. Impul'snye preobrazovateli postoyannogo napryazheniya dlya sistem vtorichnogo elektropitaniya (Pulse DC Voltage Converters for Secondary Power Supply Systems). M.: Energoatomizdat, 1988, 294 p.
20. Astrom K.J., Wittenmark B. Computer Controlled Systems. New Jersey: Prentice-Hall, 2011, 576 p.
21. Kim D.P. Teoriya avtomaticheskogo upravleniya (Theory of Automatic Control). M.: Yurayt, 2022, 277 p.
