Системаи фотоэлектрии шинокунанда (Floating Photovoltaic, FPV) сохтори истеҳсоли энергияи офтобӣ мебошад, ки дар он модулҳои фотоэлектрӣ дар рӯи кӯл, обанбор ё сатҳҳои обии монанд болои понтонҳо ва системаҳои маҳкамкунӣ кор мекунанд. Дар ин таҳқиқот муҳаққиқон барои зудтар ва бо лаппиши камтар пайгирӣ кардани нуқтаи тавоноии максималии системаи FPV алгоритми Такмилёфтаи Perturb and Observe (Improved Perturb and Observe, IP&O)-ро бо табдилдиҳандаи баландбардорандаи дуиндукторӣ (Dual Inductor Boost Converter, DIBC) муттаҳид намуда, рафтори электриро дар муҳити MATLAB/Simulink моделсозӣ кардаанд. Дар манбаъ DIBC барои гирифтани баромади 300 V DC аз фосилаи вуруди 180–200 V тарҳрезӣ шудааст; ду индуктори 694 µH, басомади коммутатсияи 20 kHz ва фосилаи коэффитсиенти пуршавии %33.3–40 истифода шудаанд.

Фарқи асосии равиши IP&O дар он аст, ки ба ҷойи ҷустуҷӯ дар қисми васеи каҷхати P–V, чунон ки P&O-и классикӣ мекунад, ба минтақаи танге диққат медиҳад, ки мавҷудияти нуқтаи тавоноии максималӣ дар он интизор аст. Манбаъ фарзияи адабиётро истифода мебарад, ки V_MPP тақрибан дар атрофи 0.76V_OC аст, ва майдони ҷустуҷӯро ба тақрибан %10-и каҷхати P–V маҳдуд мекунад. Дар натиҷаҳои MATLAB/Simulink гузориш шудааст, ки IP&O нисбат ба P&O-и анъанавӣ аз ҳад гузаштани қулларо тақрибан %70, вақти қароргириро %23, вақти расидан ба қулларо %7 ва вақти болоравиро %5 кам кардааст; инчунин бузургии қулларо %12 коҳиш додааст.

Ин натиҷаҳо барои модели MATLAB/Simulink-и сохтори идоракунии DIBC ва MPPT ба даст омадаанд. Гарчанде дар мақола платформаи воқеии шинокунандаи PV дар Kondampatti, Tamil Nadu нишон дода мешавад, муқоисаи муфассали пешниҳодшудаи нишондиҳандаҳои динамикии IP&O–DIBC озмоиши дарозмуддати саҳроии таҷҳизоти воқеии табдилдиҳандаи тавоноӣ нест. Ҳамчунин, бо вуҷуди ибораи “metaheuristic-driven” дар унвони мақола, дар бахши усул алгоритми ҷудогона ва равшан таърифшудаи оптималсозии метаэвристикӣ пешниҳод намешавад.

Системаи фотоэлектрии шинокунанда чист?

Системаи фотоэлектрии шинокунанда системаи истеҳсоли энергияи фотоэлектрӣ мебошад, ки модулҳои PV-ро ба ҷойи такягоҳҳои собити рӯизаминӣ ба понтонҳо ё платформаҳои шинокунандаи рӯи об ҷойгир мекунад. Меъмории FPV дар таҳқиқоти баррасишуда панелҳои офтобӣ, понтонҳо, системаи маҳкамкунӣ, ноқилҳои электрӣ, табдилдиҳандаи DC–DC бо идоракунии MPPT ва марҳалаи минбаъдаи табдили тавоноии DC–AC-ро дар як занҷири умумии энергия нишон медиҳад.

Манбаъ қайд мекунад, ки эҳтиёҷ ба замин дар иншооти рӯизаминии PV яке аз ангезаҳои асосии FPV мебошад. Ҳамчунин баррасӣ мешавад, ки дар системаҳои рӯи об ҳарорати модул метавонад аз таъсири хунуккунии об баҳра барад. Мақола дар асоси адабиёт хабар медиҳад, ки панелҳои шинокунандаи PV метавонанд ба ҳисоби миёна нисбат ба системаҳои рӯизаминӣ %11 самаранокии баландтар нишон диҳанд; ин қимати %11 ченкунии нави аз озмоиши худи ин таҳқиқот дар Kondampatti гирифташуда нест.

Платформаи воқеии FPV дар таҳқиқот

Платформае, ки дар манбаъ ҳамчун татбиқи таҷҳизотӣ оварда шудааст, дар обанбори Kondampatti, Tamil Nadu, Ҳиндустони Ҷанубӣ ҷойгир аст. Система тақрибан 29 m² масоҳатро ишғол мекунад ва муаллифон қайд мекунанд, ки ин тақрибан ба %20-и сатҳи обанбор мувофиқат мекунад.

Расми 8(a) дар саҳифаи сеюми манбаъ намои изометрии платформаи FPV-и шашпанеларо нишон медиҳад, ки рӯи чор понтони дароз нигоҳ дошта мешавад. Расми 8(b) дар саҳифаи чорум намои пеши маҷмӯъ ва андозаҳои асосии онро нишон медиҳад.

Модели электрии ҳуҷайраи PV

Дар таҳқиқот ҳуҷайраи PV тавассути манбаи фотоҷараён, диоди самташ баръакс, муқовимати пайдарпайи R_s ва муқовимати мувозии R_p моделсозӣ шудааст. Расми 3-и манбаъ ҳамин занҷири ҳамарзишро нишон медиҳад.

Барои ҳуҷайраи идеалии PV муодилаи 1:

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

I_pv,cell ҷараёни аз радиатсияи воридшаванда ҳосилшуда, I_o,cell ҷараёни баръакси сершавии диод, q заряди электрон, k собитаи Boltzmann, T ҳарорати гузариши PN, a коэффитсиенти идеалии диод ва V шиддати баромади ҳуҷайраро ифода мекунанд. Манбаъ қиматҳои q = 1.6×10⁻¹⁹ C, k = 1.38×10⁻²³ J/K ва 1 ≤ a ≤ 1.5-ро медиҳад.

Барои модели амалии PV муқовиматҳои пайдарпай ва мувозӣ ба муодилаи 2 илова мешаванд:

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

R_s муқовимати пайдарпай, R_p муқовимати мувозӣ ва V_t шиддати ҳароратиро ифода мекунанд. Муодила нишон медиҳад, ки талафоти омӣ ва ихроҷи ҷараён дар ҳуҷайраи воқеии PV чӣ гуна ба модели диоди идеалӣ илова мешаванд.

Табдилдиҳандаи баландбардорандаи дуиндукторӣ чӣ гуна кор мекунад?

Табдилдиҳандаи баландбардорандаи дуиндукторӣ топологияи электроникаи қудратии DC–DC мебошад, ки бо истифодаи ду индуктор ва сохтори нимноқилии коммутатсияшаванда шиддати пасти вуруди DC-ро ба сатҳи баландтари баромади DC табдил медиҳад. Дар системаи баррасишуда DIBC барои баланд кардани шиддати аз массиви PV омада то сатҳи 300 V ва татбиқи нуқтаи кори аз тарафи алгоритми MPPT муайяншуда ба зинаи қудратӣ истифода мешавад.

Дар расми 4-и манбаъ дар сохтори DIBC манбаи вуруди V_s, индукторҳои L₁ ва L₂, MOSFET-и асосии M_s, диодҳо ва конденсаторҳои C₁–C₄ нишон дода шудаанд. Мақола қайд мекунад, ки табдилдиҳанда дар режими гузарониши пайваста ду ҳолати корӣ дорад.

Модели фазои ҳолатҳо барои сигнали хурд

Манбаъ модели хаттигардонидашудаи DIBC-ро барои сигнали хурд, ки дар фазои ҳолатҳо миёнагирӣ шудааст, бо муодилаи 3 медиҳад:

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

R_L муқовимати сарборӣ, D коэффитсиенти пуршавӣ, V_C шиддати конденсатор, I_L ҷараёни индуктор, C ғунҷоиши филтр ва L индуктивиятро нишон медиҳанд. Ин ифода дар шакли дар манбаъ чопшуда нигоҳ дошта шудааст; мақола ҳамаи таърифҳои муфассали аломатҳои штрих/сигнали хурдро алоҳида намедиҳад.

Барои идоракунии шиддат дар режими баландбардории DIBC манбаъ дар муодилаи 4 сохтори зерини функсияи интиқолро медиҳад:

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

Дар ин ҷо s тағйирёбандаи соҳаи басомад мебошад ва манбаъ робитаи s = jω = j2πf_s-ро истифода мебарад.

IP&O MPPT аз P&O-и анъанавӣ чӣ фарқ дорад?

IP&O ба ҷойи он ки монанди алгоритми анъанавии Perturb and Observe дар қисми васеи каҷхати PV бо тағйирдиҳиҳои хурди шиддат нуқтаи тавоноии максималиро ҷустуҷӯ кунад, минтақаи танги P–V-ро, ки мавҷудияти ин нуқта дар он интизор аст, пешакӣ муайян карда, майдони ҷустуҷӯро хурд мекунад. Дар таҳқиқот бо истифодаи қабули адабиёт, ки V_MPP тақрибан 0.76V_OC мебошад, минтақаи ҷустуҷӯ ба тақрибан %10-и каҷхати умумии тавоноӣ маҳдуд шудааст.

Мантиқи анъанавии P&O

Алгоритми анъанавии P&O шиддат ва тавоноиро дар лаҳзаи k бо намунаи қаблии k−1 муқоиса мекунад:

• Бо истифодаи P(k) ва P(k−1), ΔP муайян мешавад.
• Бо истифодаи V(k) ва V(k−1), ΔV муайян мешавад.
• Агар тавоноӣ афзояд, тағйирдиҳӣ дар ҳамон самт идома меёбад.
• Агар тавоноӣ кам шавад, самти тағйирдиҳии шиддат иваз мешавад.
• Ин амал дар атрофи MPP пайваста такрор мешавад.

Расми 5-и манбаъ ин дарахти қарорро нишон медиҳад. Заъфи асосии P&O-и анъанавӣ дар он аст, ки ҳангоми қадамҳои калони тағйирдиҳӣ метавонад дар атрофи MPP лаппиши доимӣ ба вуҷуд орад.

Ҷустуҷӯи маҳдуди IP&O

Расми 6-и манбаъ каҷхати P–V-ро ба се минтақаи Area 1, Area 2 ва Area 3 ҷудо карда, Area 2-ро, ки MPP-ро дар бар мегирад, ҳамчун минтақаи ҷустуҷӯ интихоб мекунад. Мақсад сарф накардани вақт барои пӯйиши қисмҳои каҷхат аст, ки аз MPP дуранд.

Дар ҷараёни IP&O аввал ҳудудҳои V₁ ва V₂ муайян мешаванд. Бо чен кардани шиддат ва ҷараёни PV, P(k) ҳисоб шуда, баъдан ΔP ва ΔV муайян мешаванд. Агар нуқтаи корӣ берун аз фосилаи V₁–V₂ бошад, коэффитсиенти пуршавӣ ба самте тағйир дода мешавад, ки нуқтаи кориро ба Area 2 баргардонад; дар дохили Area 2 мантиқи одии қарори P&O татбиқ мешавад.

Гарчанде матни манбаъ се минтақаро таъриф мекунад, дар яке аз ҷумлаҳои баъдӣ ибораи “Areas 3 and 4”-ро истифода мебарад. Азбаски дар расми 6 Area 4 вуҷуд надорад, ин номувофиқатӣ бо фарзияи берун аз манбаъ ислоҳ нашудааст.

Усул ва натиҷаҳои таҳқиқот

Сатҳҳои шиддати панели PV ва табдилдиҳанда

Дар бахши 3.3 қайд мешавад, ки барои панели поликристаллии дар таҳқиқот истифодашуда V_m = 38.73 V ва I_m = 8.40 A мебошанд. Дар ҳамон бахш навишта шудааст, ки ҳангоми кори воқеӣ шиддати модул вобаста ба ҳарорати муҳит ва радиатсияи офтоб тақрибан дар ҳудуди 27–32 V тағйир меёбад.

Баръакс, дар тарҳи DIBC вуруди 180–200 V истифода шудааст. Манбаъ пайвастшавии пайдарпай/мувозии массиви PV-ро байни 27–32 V дар сатҳи як панел ва 180–200 V дар вуруди табдилдиҳанда муфассал намедиҳад. Аз ин рӯ, дар матни Verianla топологияи пайвастшавӣ бо фарзияи берун аз манбаъ сохта нашудааст.

Номувофиқатии мушаххасоти панел дар манбаъ

Манбаъ инчунин системаи саҳроиро ҳамчун дастгоҳи тақрибан 2 kW, ки аз шаш панели 330 Wp иборат аст, тавсиф мекунад. Аммо агар қимати 245.88 W-и ҷадвали шароити стандартии озмоиш асос гирифта шавад, маҷмӯи шаш панел тақрибан 1.48 kW мешавад. Манбаъ шарҳ намедиҳад, ки ин фарқ аз панели дигар, шароити дигари озмоиш ё хатои навишт бармеояд ё не.

Системаи MATLAB/Simulink

Дар расми 9-и саҳифаи чоруми манбаъ воридотҳои ҳарорат ва радиатсия ба модели PV пайваст мешаванд, аз шиддат ва ҷараёни PV сигнали идоракунии MPPT ҳосил мешавад, коэффитсиенти пуршавӣ ба зинаи коммутатсия интиқол ёфта, шиддати DC-и тавассути DIBC баландшуда ба марҳалаи минбаъдаи табдили тавоноӣ фиристода мешавад.

Манбаъ барои DIBC-и тарҳрезишуда дар бахши MATLAB функсияи интиқоли зеринро гузориш мекунад:

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

Ин муодила дар мақола ҳамчун “Equation 32” рақамгузорӣ шудааст. Азбаски муодилаи охирини пешина Equation 4 аст, набудани фосилаи 5–31 номувофиқатии дохилии рақамгузории манбаъ мебошад.

IP&O посухи динамикиро то чӣ андоза беҳтар кард?

Мувофиқи муқоисаи MATLAB/Simulink-и манбаъ, IP&O нисбат ба P&O-и анъанавӣ, бахусус дар рафтори аз ҳад гузаштан ва қароргирӣ, посухи динамикии зудтар нишон додааст. Мақола барои бузургии қулла %12, аз ҳад гузаштани қулла %70, вақти қароргирӣ %23, вақти расидан ба қулла %7 ва вақти болоравӣ %5 коҳишро гузориш мекунад; ин натиҷаҳо меъёрҳои соҳаи вақт мебошанд, ки ба симулятсия асос ёфтаанд.

Қиматҳои график бевосита аз расми 12 хонда мешаванд; бинобар ин, барои қимати аз ҳад гузаштани қулла, ки дар график воҳид ё таърифи равшан надорад, воҳиди нави дар манбаъ набуда илова нашудааст.

Шаклҳои мавҷи вуруд

Манбаъ бо тағйир додани шароити радиатсия ва ҳарорат дар атрофи 5 ms гузариши шиддати вуруди DIBC-ро аз 180 V ба 200 V таҳқиқ мекунад. Расми 10(a) шиддат ва ҷараёни вурудро дар фосилаи 0–10 ms, расми 10(b) бошад, рафтори муфассали пулсатсияро байни 4.9995–5.0005 ms нишон медиҳад.

Дар ин равзанаи кӯтоҳи вақт манбаъ:

• пулсатсияи шиддати вурудро тақрибан 2.5 V,
• пулсатсияи ҷараёни вурудро тақрибан 1.25 A

гузориш мекунад.

Шаклҳои мавҷи баромад

Дар расми 11 шиддати баромад ва ҷараёни баромади DIBC бо идоракунии IP&O нишон дода шудаанд. Дар равзанаи тафсилоти 4.9995–5.0005 ms:

• пулсатсияи шиддати баромад тақрибан 2.2 V,
• пулсатсияи ҷараёни баромад тақрибан 0.1 A

гузориш шудааст.

Ин натиҷаҳо дар дохили модели MATLAB/Simulink-и манбаъ рафтори DIBC-ро дар нигоҳ доштани баромади баландшудаи DC бо вуҷуди тағйирёбии шароити вуруд нишон медиҳанд. Аммо ин қиматҳои пулсатсия ҳамчун шаклҳои мавҷи прототипи воқеии электроникаи қудратӣ, ки бо оссиллограф чен шудаанд, пешниҳод намешаванд.

Ибораи “metaheuristic-driven” дар унвон чӣ гуна бояд тафсир шавад?

Дар унвони аслии мақола ибораи “metaheuristic-driven” мавҷуд аст. Бо вуҷуди ин, дар бахшҳои усул алгоритми ҷудогонаи ҷустуҷӯи метаэвристикӣ, популятсия, функсияи мақсад, функсияи мутобиқат, шумораи итератсияҳо ё параметрҳои оптималсозӣ таъриф нашудаанд. Усули воқеии идоракунӣ ҳамчун IP&O шарҳ дода мешавад. Аз ин рӯ, манбаъ бештар равиши такмилёфтаи P&O бо майдони маҳдуди ҷустуҷӯро нишон медиҳад, на оптималсозии метаэвристикии MPPT-и равшан татбиқшударо.

Хулосаҳое, ки таҳқиқот асоснок мекунад

Таҳқиқот асоснок мекунад, ки дар доираи модели додашудаи MATLAB/Simulink равиши IP&O метавонад рафтори динамикиро дар атрофи MPP нисбат ба P&O-и анъанавӣ беҳтар кунад. Манбаъ инчунин нишон медиҳад, ки топологияи DIBC барои шароити тарҳрезишудаи вуруди 180–200 V ва баромади 300 V симулятсия шуда, бо ду индуктори 694 µH ва басомади коммутатсияи 20 kHz моделсозӣ шудааст.

Сохта шудани платформаи воқеии такягоҳии FPV дар Kondampatti заминаи татбиқи PV-и шинокунандаро дар таҳқиқот аз ҷиҳати физикӣ дастгирӣ мекунад. Аммо муқоисаи муфассали нишондиҳандаҳои электрии манбаъ дар MATLAB/Simulink анҷом дода шудааст.

Умумисозиҳое, ки таҳқиқот асоснок намекунад

Таҳқиқот исбот намекунад, ки IP&O дар ҳамаи системаҳои PV ё дар ҳамаи шароити атмосферӣ аз P&O-и анъанавӣ бо ҳамон фоизҳо бартарӣ дорад. Натиҷаҳо ба модели истифодашудаи PV ва табдилдиҳанда, параметрҳои муайяншудаи идоракунӣ ва сенарияи симулятсия вобастаанд.

Дар мақола истеҳсоли воқеии дарозмуддати энергия дар обанбор, фоидаи солонаи энергия, самаранокии воқеии DIBC, ҳарорати MOSFET/индуктор, талафоти коммутатсия, ченкунии EMI ё озмоиши зуд сояафканӣ дар муҳити воқеӣ гузориш намешавад. Аз ин рӯ, меъёрҳои пасттари соҳаи вақт дар симулятсияро бевосита ҳамчун афзоиши ҳамандозаи самаранокии солонаи энергия тафсир кардан мумкин нест.

Пешниҳоди манбаъ барои кори оянда муттаҳид кардани идорагари пешгӯйикунанда дар асоси зеҳни сунъӣ бо сохтори мавҷуда мебошад, то ҳангоми тағйироти шадиди муҳит посухи динамикии беҳтар таъмин шавад.

Эзоҳ дар бораи манбаъ ва усул

Дар тафсири илмии манбаъ, бахусус, се ҳудуд бояд риоя шаванд. Якум, платформаи воқеии FPV ва нишондиҳандаҳои Simulink-и DIBC/IP&O як навъи далел нестанд. Дуюм, гарчанде унвон ибораи “metaheuristic-driven”-ро дорад, дар бахши усул алгоритми ҷудогонаи оптималсозии метаэвристикӣ таъриф намешавад. Сеюм, қиматҳои шиддат, ҷараён ва тавоноии панели PV дар бахшҳои гуногуни мақола ба ҳам пурра мувофиқ нестанд; ин қиматҳо набояд бо фарзияи берун аз манбаъ муттаҳид карда шаванд.

Мақола инчунин барои графики семинтақавии IP&O дар як ҷои матн ибораи “Area 4”-ро истифода мебарад ва аз Equation 4 бевосита ба Equation 32 мегузарад. Ин нуқтаҳо аз тарафи Verianla хомӯшона ислоҳ нашуда, ҳамчун номувофиқатиҳои дохилии гузоришдиҳии манбаъ нигоҳ дошта шудаанд.