Калкыма фотоэлектрдик система (Floating Photovoltaic, FPV) — фотоэлектрдик модулдар көл, суу сактагыч же ушуга окшош суу беттеринде понтондордун жана бекитүү системаларынын үстүндө иштетилген күн энергиясын өндүрүү түзүлүшү. Бул изилдөөдө изилдөөчүлөр FPV системасынын максималдуу кубат чекитин тезирээк жана азыраак термелүү менен көзөмөлдөө үчүн Өркүндөтүлгөн Perturb and Observe (Improved Perturb and Observe, IP&O) алгоритмин эки индукторлуу жогорулатуучу өзгөрткүч (Dual Inductor Boost Converter, DIBC) менен бириктирип, электрдик жүрүм-турумун MATLAB/Simulink чөйрөсүндө моделдешкен. Булакта DIBC 180–200 V кириш диапазонунан 300 V DC чыгышын алуу үчүн долбоорлонгон; эки 694 µH индуктор, 20 kHz коммутация жыштыгы жана %33.3–40 толтуруу коэффициентинин диапазону колдонулган.

IP&O ыкмасынын негизги айырмасы — классикалык P&O сыяктуу P–V ийри сызыгынын кеңири бөлүгүндө издөө жүргүзүүнүн ордуна, максималдуу кубат чекити жайгашат деп күтүлгөн тар аймакка көңүл буруу. Булак V_MPP болжол менен 0.76V_OC тегерегинде болот деген адабияттагы божомолду колдонуп, издөө аймагын P–V ийри сызыгынын болжол менен %10 бөлүгү менен чектейт. MATLAB/Simulink натыйжаларында IP&O салттуу P&O го салыштырмалуу чокулук ашып кетүүнү болжол менен %70, турукташуу убактысын %23, чокуга жетүү убактысын %7 жана көтөрүлүү убактысын %5 азайтканы; ошондой эле чокулук чоңдукту %12 азайтканы билдирилген.

Бул натыйжалар DIBC жана MPPT башкаруу түзүмүнүн MATLAB/Simulink модели үчүн алынган. Макалада Tamil Nadu штатындагы Kondampatti жергесинде чыныгы калкыма PV платформасы көрсөтүлгөнү менен, берилген кеңири IP&O–DIBC динамикалык көрсөткүчтөр салыштыруусу чыныгы кубат өзгөрткүч жабдуусунун узак мөөнөттүү натуралык сыноосу эмес. Мындан тышкары, макаланын аталышындагы “metaheuristic-driven” деген сөз айкашына карабастан, ыкма бөлүмүндө өзүнчө жана так аныкталган метаэвристикалык оптималдаштыруу алгоритми берилген эмес.

Калкыма фотоэлектрдик система деген эмне?

Калкыма фотоэлектрдик система — PV модулдарын кургактагы туруктуу таянычтардын ордуна суу үстүндө иштеген понтондорго же калкыма платформаларга жайгаштырган фотоэлектрдик энергия өндүрүү системасы. Каралган изилдөөдөгү FPV архитектурасы күн панелдерин, понтондорду, бекитүү системасын, электр кабелдерин, MPPT менен башкарылуучу DC–DC өзгөрткүчтү жана кийинки DC–AC кубат өзгөртүү баскычын жалпы энергия чынжырында көрсөтөт.

Булак кургактагы PV орнотмолорунун жер аянтына муктаждыгы FPV үчүн негизги түрткүлөрдүн бири экенин белгилейт. Суу бетиндеги системаларда модулдун температурасына суунун муздатуу таасири пайдалуу болушу мүмкүн экени да талкууланат. Макала адабияттарга таянып, калкыма PV панелдер кургактагы системалардан орточо %11 жогору натыйжалуулук көрсөтө аларын билдирет; бул %11 мааниси ушул изилдөөнүн Kondampatti деги өз тажрыйбасынан алынган жаңы өлчөө эмес.

Изилдөөдөгү чыныгы FPV платформасы

Булакта жабдуулук ишке ашыруу катары берилген платформа Түштүк Индиянын Tamil Nadu штатындагы Kondampatti суу сактагычында жайгашкан. Система болжол менен 29 m² аянтты ээлейт жана авторлор бул суу сактагычтын бетинин болжол менен %20 сына туура келерин белгилешет.

Булактын үчүнчү бетиндеги 8(a)-сүрөт төрт узун понтон көтөрүп турган алты панелдүү FPV платформасынын изометриялык көрүнүшүн көрсөтөт. Төртүнчү бетиндеги 8(b)-сүрөт болсо орнотмонун алдынан көрүнүшүн жана негизги өлчөмдөрүн көрсөтөт.

PV элементинин электрдик модели

Изилдөөдө PV элементи фототок булагы, тескери багыттагы диод, удаалаш каршылык R_s жана параллелдүү каршылык R_p аркылуу моделденген. Булактын 3-сүрөтү ушул эквиваленттүү чынжырды көрсөтөт.

Идеалдуу PV элементи үчүн 1-теңдеме:

\[ I=I_{pv,cell}-I_{o,cell} \left[ \exp\left(\frac{qV}{akT}\right)-1 \right] \tag{1} \]

I_pv,cell түшкөн нурлануу жараткан токту, I_o,cell диоддун тескери каныгуу тогун, q электрондун зарядын, k Boltzmann туруктуусун, T PN өтмөгүнүн температурасын, a диоддун идеалдуулук коэффициентин жана V элементтин чыгыш чыңалуусун билдирет. Булак q = 1.6×10⁻¹⁹ C, k = 1.38×10⁻²³ J/K жана 1 ≤ a ≤ 1.5 маанилерин берет.

Практикалык PV модели үчүн удаалаш жана параллелдүү каршылыктар 2-теңдемеге кошулат:

\[ I=I_{pv} -I_o \left[ \exp\left(\frac{V+R_sI}{V_ta}\right)-1 \right] -\frac{V+R_sI}{R_p} \tag{2} \]

R_s удаалаш каршылыкты, R_p параллелдүү каршылыкты жана V_t жылуулук чыңалуусун билдирет. Теңдеме чыныгы PV элементиндеги омдук жана агып кетүү жоготуулары идеалдуу диод моделине кантип кошуларын көрсөтөт.

Эки индукторлуу жогорулатуучу өзгөрткүч кантип иштейт?

Эки индукторлуу жогорулатуучу өзгөрткүч — эки индукторду жана коммутациялануучу жарым өткөргүч түзүмдү колдонуп, төмөн DC кириш чыңалуусун жогорураак DC чыгыш деңгээлине өзгөрткөн DC–DC күч электроникасынын топологиясы. Каралган системада DIBC PV массивинен келген чыңалууну 300 V деңгээлине жогорулатуу жана MPPT алгоритми аныктаган иш чекитин кубат баскычына колдонуу үчүн пайдаланылат.

Булактын 4-сүрөтүндө DIBC түзүмүндөгү V_s кириш булагы, L₁ жана L₂ индукторлору, M_s негизги MOSFET и, диоддор жана C₁–C₄ конденсаторлору көрсөтүлгөн. Макала өзгөрткүч үзгүлтүксүз өткөрүү режиминде эки иш абалына ээ экенин белгилейт.

Кичине сигналдуу абалдар мейкиндигинин модели

Булак DIBC нин сызыктандырулган, кичине сигналдуу, абалдар мейкиндигинде орточолонгон моделин 3-теңдеме менен берет:

\[ \begin{bmatrix} \dot V_C\\ \dot I_L \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \dfrac{1-D}{C} & -\dfrac{1}{CR_L}\\ 0 & -\dfrac{1-D}{L} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} I_L\\ V_C \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} 0\\ \dfrac{V_C}{L} \end{bmatrix}D \tag{3} \]

R_L жүктүн каршылыгын, D толтуруу коэффициентин, V_C конденсатордун чыңалуусун, I_L индуктордун тогун, C чыпканын сыйымдуулугун жана L индуктивдүүлүктү билдирет. Бул туюнтма булакта басылган түрүндө сакталган; макала штрих/кичине сигнал белгилөөлөрүнүн бардык кеңири аныктамаларын өзүнчө бербейт.

DIBC нин жогорулатуу режиминдеги чыңалуусун башкаруу үчүн булак 4-теңдемеде төмөнкү берүү функциясынын түзүмүн берет:

\[ \frac{V_C'}{D} = \frac{V_C}{CL} \frac{1-D} {s^2+\dfrac{s}{R_LC}+\dfrac{(1-D)^2}{LC}} \tag{4} \]

Бул жерде s — жыштык аймагынын өзгөрмөсү жана булак s = jω = j2πf_s байланышын колдонот.

IP&O MPPT салттуу P&O дон кандай айырмаланат?

IP&O салттуу Perturb and Observe алгоритминин PV ийри сызыгынын кеңири бөлүгүндө кичине чыңалуу өзгөртүүлөрү менен максималдуу кубат чекитин издешинин ордуна, ал чекит жайгашат деп күтүлгөн тар P–V аймагын алдын ала аныктап, издөө аймагын кичирейтет. Изилдөөдө V_MPP болжол менен 0.76V_OC болот деген адабияттагы кабыл алуу колдонулуп, издөө аймагы жалпы кубат ийри сызыгынын болжол менен %10 у менен чектелген.

Салттуу P&O логикасы

Салттуу P&O алгоритми k учурундагы чыңалуу менен кубатты мурунку k−1 үлгүсүнө салыштырат:

• P(k) жана P(k−1) аркылуу ΔP аныкталат.
• V(k) жана V(k−1) аркылуу ΔV аныкталат.
• Кубат көбөйсө, өзгөртүү ошол эле багытта улантылат.
• Кубат азайса, чыңалууну өзгөртүүнүн багыты алмаштырылат.
• Бул аракет MPP тегерегинде тынымсыз кайталанат.

Булактын 5-сүрөтү ушул чечим дарагын көрсөтөт. Салттуу P&O нун негизги алсыздыгы — өзгөртүүнүн чоң кадамдарында MPP тегерегинде туруктуу термелүү жарата алышы.

IP&O нун чектелген издөөсү

Булактын 6-сүрөтү P–V ийри сызыгын Area 1, Area 2 жана Area 3 деп үч аймакка бөлүп, MPP ни камтыган Area 2 ни издөө аймагы катары тандайт. Максат — MPP ден алыс ийри сызык бөлүктөрүн карап чыгууга убакыт коротпоо.

IP&O жүрүшүндө адегенде V₁ жана V₂ чектери аныкталат. PV чыңалуусу менен тогу өлчөнүп, P(k) эсептелет, андан соң ΔP жана ΔV аныкталат. Иш чекити V₁–V₂ аралыгынан тышкары болсо, толтуруу коэффициенти иш чекитин Area 2 ге кайтара турган багытта өзгөртүлөт; Area 2 ичинде болсо кадимки P&O чечим логикасы колдонулат.

Булак тексти үч аймакты аныктаганы менен, кийинки сүйлөмдөрдүн биринде “Areas 3 and 4” деген сөз айкашын колдонот. 6-сүрөттө Area 4 жок болгондуктан, бул карама-каршылык булактан тышкаркы божомол менен оңдолгон эмес.

Изилдөөнүн ыкмасы жана натыйжалары

PV панелинин жана өзгөрткүчтүн чыңалуу деңгээлдери

3.3-бөлүмдө изилдөөдө колдонулган поликристаллдык панелдин V_m = 38.73 V жана I_m = 8.40 A экени белгиленет. Ошол эле бөлүмдө чыныгы иштөө учурунда модулдун чыңалуусу чөйрөнүн температурасына жана күн нурлануусуна жараша болжол менен 27–32 V арасында өзгөрөрү жазылган.

Ал эми DIBC долбоорунда 180–200 V кириш колдонулган. Булак жалгыз панелдин деңгээлиндеги 27–32 V менен өзгөрткүчтүн киришиндеги 180–200 V ортосундагы удаалаш/параллелдүү PV массивинин туташуусун кеңири бербейт. Ошондуктан Verianla текстинде туташуу топологиясы булактан тышкаркы божомол менен түзүлгөн эмес.

Булактагы панель спецификациясынын дал келбестиги

Булак натуралык системаны алты 330 Wp панелден турган болжол менен 2 kW орнотмо катары да сүрөттөйт. Бирок стандарттуу сыноо шарттарынын таблицасындагы 245.88 W мааниси негиз кылынса, алты панелдин суммасы болжол менен 1.48 kW болот. Булак бул айырма башка панелден, башка сыноо шартынан же жазуу катасынан келип чыкканын түшүндүрбөйт.

MATLAB/Simulink системасы

Булактын төртүнчү бетиндеги 9-сүрөттө температура жана нурлануу кириштери PV моделине туташтырылат, PV чыңалуусу менен тогунан MPPT башкаруу сигналы түзүлөт, толтуруу коэффициенти коммутация баскычына өткөрүлөт жана DIBC аркылуу жогорулатылган DC чыңалуусу кийинки кубат өзгөртүү баскычына жөнөтүлөт.

Булак долбоорлонгон DIBC үчүн MATLAB бөлүмүндө төмөнкү берүү функциясын билдирет:

\[ T(s)= \frac{349.2} {4.286\times10^{-6}s^2+0.001948s+1} \tag{32} \]

Бул теңдеме макалада “Equation 32” деп номерленген. Мурунку акыркы теңдеме Equation 4 болгондуктан, 5–31 аралыгынын жоктугу булак ичиндеги номерлөө дал келбестиги болуп саналат.

IP&O динамикалык жоопту канчалык жакшырткан?

Булактын MATLAB/Simulink салыштыруусуна ылайык, IP&O салттуу P&O го салыштырмалуу, айрыкча ашып кетүү жана турукташуу жүрүм-турумунда, тезирээк динамикалык жооп көрсөткөн. Макала чокулук чоңдук үчүн %12, чокулук ашып кетүү үчүн %70, турукташуу убактысы үчүн %23, чокуга жетүү убактысы үчүн %7 жана көтөрүлүү убактысы үчүн %5 азаюуну билдирет; бул натыйжалар симуляцияга негизделген убакыт аймагынын көрсөткүчтөрү.

Графиктеги маанилер түздөн-түз 12-сүрөттөн окулат; ошондуктан графикте так бирдиги же аныктамасы жок чокулук ашып кетүү маанисине булакта болбогон жаңы бирдик кошулган эмес.

Кириш толкун формалары

Булак нурлануу жана температура шарттарын 5 ms тегерегинде өзгөртүп, DIBC кириш чыңалуусунун 180 V тан 200 V ка өтүшүн изилдейт. 10(a)-сүрөт 0–10 ms аралыгындагы кириш чыңалуусу менен тогун, ал эми 10(b)-сүрөт 4.9995–5.0005 ms арасындагы пульсациянын кеңири жүрүм-турумун көрсөтөт.

Ушул кыска убакыт терезесинде булак:

• кириш чыңалуусунун пульсациясын болжол менен 2.5 V,
• кириш тогунун пульсациясын болжол менен 1.25 A

деп билдирет.

Чыгыш толкун формалары

11-сүрөттө IP&O менен башкарылуучу DIBC нин чыгыш чыңалуусу жана чыгыш тогу көрсөтүлгөн. 4.9995–5.0005 ms деталдык терезесинде:

• чыгыш чыңалуусунун пульсациясы болжол менен 2.2 V,
• чыгыш тогунун пульсациясы болжол менен 0.1 A

деп билдирилген.

Бул натыйжалар булактын MATLAB/Simulink моделинин ичинде DIBC нин өзгөргөн кириш шарттарына карабастан жогорулатылган DC чыгышын сактоо жүрүм-турумун көрсөтөт. Бирок бул пульсация маанилери чыныгы күч электроникасы прототибинин осциллограф менен өлчөнгөн толкун формалары катары берилген эмес.

Аталыштагы “metaheuristic-driven” деген сөз айкашын кандай чечмелөө керек?

Макаланын түпнуска аталышында “metaheuristic-driven” деген сөз айкашы бар. Буга карабастан, ыкма бөлүмдөрүндө өзүнчө метаэвристикалык издөө алгоритми, популяция, максаттык функция, ылайыктуулук функциясы, итерациялардын саны же оптималдаштыруу параметрлери аныкталган эмес. Чыныгы башкаруу ыкмасы IP&O катары түшүндүрүлөт. Ошондуктан булак ачык ишке ашырылган метаэвристикалык MPPT оптималдаштыруусунан көрө издөө аймагы чектелген өркүндөтүлгөн P&O ыкмасын көрсөтөт.

Изилдөө негиздеген тыянактар

Изилдөө берилген MATLAB/Simulink моделинин чегинде IP&O ыкмасы салттуу P&O го салыштырмалуу MPP тегерегиндеги динамикалык жүрүм-турумду жакшырта аларын негиздейт. Булак ошондой эле DIBC топологиясы долбоорлонгон 180–200 V кириш жана 300 V чыгыш шарттары үчүн симуляцияланганын, эки 694 µH индуктор жана 20 kHz коммутация жыштыгы менен моделденгенин көрсөтөт.

Kondampatti де чыныгы FPV таяныч платформасынын орнотулушу изилдөөнүн калкыма PV колдонуу контекстин физикалык жактан негиздейт. Бирок булактын кеңири электрдик көрсөткүчтөр салыштыруусу MATLAB/Simulink те жүргүзүлгөн.

Изилдөө негиздебеген жалпылоолор

Изилдөө IP&O бардык PV системаларында же бардык атмосфералык шарттарда салттуу P&O дон бирдей пайыздар менен артык экенин далилдебейт. Натыйжалар колдонулган PV жана өзгөрткүч моделине, белгиленген башкаруу параметрлерине жана симуляция сценарийине көз каранды.

Макалада суу сактагычтагы узак мөөнөттүү чыныгы энергия өндүрүшү, жылдык энергия утушу, чыныгы DIBC натыйжалуулугу, MOSFET/индуктор температурасы, коммутация жоготуулары, EMI өлчөөсү же чыныгы чөйрөдөгү тез көлөкөлөнүү сыноосу билдирилген эмес. Ошондуктан симуляциядагы төмөнүрөөк убакыт аймагынын көрсөткүчтөрүн түздөн-түз жылдык энергия натыйжалуулугунун ошончолук өсүшү катары чечмелөөгө болбойт.

Булактын келечектеги иш сунушу — чөйрөнүн кескин өзгөрүшүндө жакшыраак динамикалык жооп алуу үчүн жасалма интеллектке негизделген божомолдоочу башкаргычты учурдагы түзүм менен бириктирүү.

Булак жана ыкма жөнүндө эскертүү

Булакты илимий чечмелөөдө өзгөчө үч чек сакталууга тийиш. Биринчиден, чыныгы FPV платформасы менен DIBC/IP&O нун Simulink көрсөткүчтөрү бирдей далил түрү эмес. Экинчиден, аталышта “metaheuristic-driven” деген сөз айкашы болгону менен, ыкма бөлүмүндө өзүнчө метаэвристикалык оптималдаштыруу алгоритми аныкталган эмес. Үчүнчүдөн, макаланын ар башка бөлүмдөрүндөгү PV панелинин чыңалуу, ток жана кубат маанилери бири-бирине толук дал келбейт; бул маанилерди булактан тышкаркы божомол менен бириктирүүгө болбойт.

Макала ошондой эле үч аймактуу IP&O графиги үчүн тексттин бир жеринде “Area 4” деген сөз айкашын колдонуп, Equation 4 төн түздөн-түз Equation 32 ге өтөт. Бул жагдайлар Verianla тарабынан унчукпай оңдолгон эмес, булак ичиндеги отчеттук дал келбестиктер катары сакталган.