ЕЛЕКТРОНСКОМ ФАКУЛТЕТУ У НИШУ ОБРАЗАЦ ЗА ПРИЈАВУ ТЕХНИЧКОГ РЕШЕЊА У складу са одредбама Правилника о поступку и начину вредновања, и квантитавном исказивању научноистраживачких резултата истраживача, који је донео Национални савет за научни и технолошки развој Републике Србије («Службени гласник РС», бр. 38/2008) достављам следеће податке. Обавезни подаци: Aутор/аутори решења: Миона Андрејевић Стошовић, Марко Димитријевић, Јелена Милојковић, Ванчо Литовски Назив техничког решења: Пројектовање кола за праћење максималне снаге самосталног фотонапонског система Категорија техничког решења (навести према одредбама Правилника садржаним у НАПОМЕНИ*): прототип, нове методе, софтвер, инструмент, нове генске пробе, микроорганизми и сл. развој софтвера - M85 За кога је решење рађено и у оквиру ког пројекта МНТР: Техничко решење је реализовано у ЛЕДА Лабораторији Електронског факултета Универзитета у Нишу. Ово решење проистекло је из рада на пројекту НАПРЕДНЕ ТЕХНОЛОГИЈЕ ЕЛЕКТРОНСКОГ МЕРЕЊА, УПРАВЉАЊА И КОМУНИКАЦИЈЕ НА ЕЛЕКТРИЧНОЈ ДИСТРИБУТИВНОЈ МРЕЖИ, који финансира Министарство за науку Републике Србије под шифром ТР32004. Ко решење користи тј. ко је прихватио примењује решење: Решење се користи у Лабораторији за пројектовање електронских кола на Електронском факултету у Нишу. Година када је решење урађено: 2014. Како су резултати верификовани(од стране кога тела): Решење је верификовао корисник истраживања EWG огранак Ниш, а његови поједини делови прихваћени су и од стране ресорног Министарства за науку Републике Србије усвајањем завршног извештаја за 2013. годину за пројекат под називом Напредне технологије електронског мерења, управљања и комуникације на електричној дистрибутивној мрежи под шифром ТР32004.
На који начин се резултати користе: Нови Метод је реализован као процедура (низ поступака) која уз помоћ софтверских алата доводи до успостављања режима максималне снаге у једном самосталном фотонапонском систему. Област на коју се техничко решење односи: Ово техничко решење се односи на пројектовање кола за праћење максималне снаге фотонапонских система. Проблем који се техничким решењем решава: Коло за праћење максималне снаге је један од најзначајнијих подсистема у самосталном фотонапонском систему. Ово техничко решење објашњава имплементацију једног алгоритма за праћење максималне снаге у читав фотонапонски систем. Предложено коло за праћење максималне снаге је верификовано имплементацијом у читав фотонапонски систем, и проверено је тако што се адаптирало на промене излазне отпорности система. Стање решености тог проблема у свету: Постоји неколико техника и алгоритама које омогућавају имплементацију идеје праћења максималне снаге. Најпознатији међу њима је такозвани Perturb and Observe (P&O) алгоритам. У том решењу се позитивни или негативни фиксни инкремент генерише на излазу фотонапонског панела након сваког периода семпловања. Ово решење у неким случајевима може бити контрапродуктивно јер фиксни инкремент може да изведе мирну радну тачку из области максималне снаге. Зато је у овом методу предложено решење које решава овај проблем, тј. инкремент није фиксни већ променљив. Објашњење суштине техничког решења и детаљан опис са карактеристикама, укључујући и пратеће илустрације и техничке цртеже: Типичан фотонапонски (PV) систем приказан је на слици 1. Може се видети са слике да се састоји од следећих главних подсистема: - PV панел, - линијски кондензатор C L, - DC/DC конвертор, - батерија, - оптерећење, овде представљено као отпорник R L, - МPPT контрола
i in PV panel v C in L DC/DC converter D Battery v in R L i in v in MPPT control PWM clock Слика 1. Шема самосталног PV система Сваки од делова система може бити реализован на више начина. Ово решење ставља акценат на модификацију система за праћење максималне снаге. Као што је познато, постоји неколико техника и алгоритама које омогућавају имплементацију идеје праћења максималне снаге. Најпознатији међу њима је такозвани Perturb and Observe (P&O) алгоритам (Слика 2.). У том решењу се позитивни или негативни фиксни инкремент генерише на излазу фотонапонског панела након сваког периода семпловања. У реалним колима овај инкремент се користи као информација за PWM осцилатор који регулише фактор испуне. Слика 2. Perturb and Observe (P&O) алгоритам Постоје четири гране у овом алгоритму које воде до два знака инкремента. Ако је (P k -P k-
1>0 и V k -V k-1 >0) и ако је (P k -P k-1 <0 and V k -V k-1 <0) инкремент је позитиван. Вредност инкремента је негативна ако је (P k -P k-1 <0 и V k -V k-1 >0) и ако је (P k -P k-1 >0 and V k -V k-1 <0). Пажљивим посматрањем можемо закључити да је знак инкремента повезан са знаком Q k =(P k -P k-1 )(V k -V k-1 ). Ако је Q k >0, инкремент је позитиван и ако је Q k <0, инкремент је негативан. Овај начин објашњења поједностављује читав дијаграм, као и електронско коло које имплементира овај алгоритам. Имајући све ово у виду, предлажемо модификацију овог алгоритма. Наиме, после израчунавања Q k најпре се прво врши поређење са прагом Q ref. Ако Q k није веће од Q ref нема потребе мењати фактор испуне. Aко је веће, користи се само знак Q k да би се креирао знак напонског инкремента. Имплементација ове идеје може довести и до тога да је правилним избором Q ref и V могуће имплементирати и веће инкременте, тј. може се очекивати бржи опоравак система. SPICE имплементација предложеног алгоритма приказана је на Слици 3. Укратко ћемо објаснити кораке алгоритма. Најпре, пошто мерени излазни напон и струја PV панела имају константну, споропроменљиву и брзо променљиву компоненту, имплементирамо функцију филтрирања да бисмо елиминисали компоненту високе фрекевенције. Ово се реализује L-R нископропусним филтром као што је приказано у горњем левом делу слике. Следеће узорковање се дешава после релативно дугог периода који се подешава на основу тога колико брзе промене температуре и осветљаја се очекују. Периода је означена са T s2s, тако да после T s2d имамо два нова узорка: p 2 и v 2. Са ове четири величине даље израчунавамо Q=(p 2 -p 1 )(v 2 -v 1 ). Тај сигнал се пореди са Q ref и резултат иде на лимитер, тако да v q узима вредности 0, 1V и -1V. Резултујућа вредност v q се користи да би се направио прираштај напона на C x : v x =k v q t/c x, где је t=t s3d -T s3s. Овај прираштај се води на улаз компаратора. Други улаз компаратора се побуђује излазним сигналом осцилатора који генерише симетричан наизменично линеарно растући и линеарно опадајући сигнал. Период осциловања је један период прекидања конвертора да би се добио ширински модулисани сигнал на излазу лимитера. Након семпловања на S 3, коришћењем S 4, семпловане вредности v 1, v 2, p 1, и p 2, се бришу и почиње нови циклус мерења. У овом случају је узета периода од 100ms да би укупно време симулације било што краће. У реалним системима овај интервал би требало да буде већи. Следећи скуп вредности параметара је коришћен да би се омогућила симулација кола са слике 3: a=1, r=1ω, C=1µF, L=1H, R=1kΩ, Q ref =0.5V, R s =10kΩ, C s =0.9nF, k=10-3, C x =14.3mF, T s1s =0ms, T s1d =5ms, T s2s =40ms, T s2d =45ms, T s3s =80ms, T s3d =85ms, T s4s =90ms, T s4d =95ms. Ово коло ће бити имплементирано у претходно поменут фотонапонски (PV) систем, а овде ћемо показати резултате симулација. Треба напоменути поново, циљ је добити максималну снагу на спрези панел-конвертор за сваки улазни сигнал, тј. за сваку вредност фотострује. Када смо започели истраживање у овој области, урадили смо велики број симулација да бисмо разумели понашање система. Један аспект истраживања био је утицај фактора испуне на снагу система на спрези панел-конвертор, тако да смо ту везу испитивали за различите вредности фактора испуне под условом да је улазна фотоструја константна. Део ових резултата дат је у Табели I за две различите вредности фотострује. Ови резултати су сада корисни јер знамо како снага зависи од фактора испуне, тако да можемо да истражимо нови MPPT контролер. Из табеле I може се видети да је максимална добијена снага P max =9.64W за вредности D=0.65 фактора испуне, када је I P =1.3A.
Табела I Зависност фактора испуне од снаге за I p =0.6A (лево) и I p =1.3A (десно) D P t (W) D P t (W) 0.1 0.416 0.1 0.475 0.2 0.82 0.2 0.911 0.3 1.45 0.3 1.61 0.4 2.53 0.4 2.98 0.5 4 0.5 5.27 0.55 4.27 0.6 8.65 0.6 3.35 0.65 9.64 0.7 1.56 0.7 7.29 0.8 0.59 0.8 2.51 0.9 0.11 0.9 0.58 Слика 3. Шема за моделовање кола за контролу
Сада ћемо проверити резултате симулације за тај случај. Са слике 4 се види таласни облик тренутне снаге на спрези панел-конвертор. Може се видети да је максимална снага 9.68W, што се слаже са резултатима датим у табели. 11W 10W 9W 8W 7W 6W 5W 4W 3W 2W 1W power(w) time(s) 0W 0ms 60ms 120ms 180ms 240ms 300ms --- D:\miona\Radovi\Telsiks\Co py of V2_sistem sa kontrolom men ja se Ip.cir --- Слика 4. Тренутна снага на спрези панел-конвертор за I P =1.3A На слици 5 се види ширински модулисани импулс који контролише систем, и са слике се види да је ширина импулса 0.65 (ширина импулса is 1.3*10-5 s, а периода је 2*10-5 s), као што је приказано у табели. Слика 5. Ширинско модулисани импулс 4.4W 4.0W 3.6W 3.2W 2.8W 2.4W 2.0W 1.6W 1.2W 0.8W 0.4W 0.0W power(w) time(s) 0ms 60ms 120ms 180ms 240ms 300ms --- D:\miona\Radovi\Telsiks\novoBACK\Sistem sa kontrolom men a se I dobro za 06.cir --- Слика 6. Тренутна снага на спрези панел-конвертор за I P =0.6A Резултати симулације су такође приказани за случај I P =0.6A (табела-лево и Слика 6).
Као што се види, резултати симулације такође одгороварају прерачунатим резултатима. Даље, испитивали смо како систем ради у ситуацији када се у систему промени излазна отпорност. Као што је познато, тачка максималне снаге се помера са променом излазне отпорности. Са слике 7 се види да је излазна отпорност смањена (10% - од 115.5Ω на 104Ω), тако да се и снага смањује. Вредност 115.5Ω је подешена тако да систем генерише максималну снагу. Са другом излазном отпорности, тачка максималне снаге се помера, тако да се снага на спрези панел-конвертор смањује. Вредност те снаге не може да порасте ни за једну промену у систему јер је њена максимална вредност за излазну отпорност од 115.5Ω. Слика 7. Тренутна снага на спрези панел-конвертор када се R P мења од 115.5Ω на 104Ω (I P =0.6A) Слика 8. Тренутна снага на спрези панел-конвертор када се R P мења од 115.5Ω на 127Ω (I P =0.6A) На Слици 8 је приказана провера пораста излазне отпорности (такође 10%), и ситуација је слична. Постоји мала промена у снази, али она поново опада, што је очекивано. На Слици 9 је проверена ситуација када се излазна отпорност доста мења (од 115.5Ω на 50Ω), тако да је смањење снаге очигледно због нагле промене у систему. Са последње три слике може се закључити да се систем понаша исправно у ситуацијама када се излазна отпорност из неког разлога мења. Слика 9. Тренутна снага на спрези панел-конвертор када се R P мења од 115.5Ω на 50Ω (I P =0.6A)