Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования
• 3. Описание автономной фотоэлектрической установки
• 3.1 Выбор (обоснование применения) в качестве главной управляющей единицы отладочной платы STM32F4 DISCOVERY
• 3.2 Структурная схема автономной фотоэлектрической установки
• 4. Разработка системы управления потребителями на базе отладочной платы STM32F4 DISCOVERY
• 4.1 Аппаратная реализация системы управления потребителями
• 4.2 Программная реализация системы управления потребителями
• 5. Результаты практических испытаний разработанной системы управления
• Выводы
• Список источников

Введение

Применение фотоэлектрических установок для производства электроэнергии позволяет комплексно решать актуальные на сегодняшний день вопросы энергоснабжения, защиты окружающей среды и экономии ископаемых источников энергии.

1. Актуальность темы

Одним из мероприятий, направленных на оптимизацию и повышение эффективности работы фотоэлектрической установки, является создание системы управления потребителями. С этой целью были рассчитаны параметры структурных элементов автономной фотоэлектрической установки при заданных электропотребителях и уровне инсоляции для заданной местности, разработана и создана аппаратная часть системы управления автономной фотоэлектрической установки, и, методом модельно-ориентированного программирования, разработан и реализован алгоритм управления потребителями.

2. Цель и задачи исследования

Объектом разработки и исследования является автономная фотоэлектрическая установка.

Цель исследования – разработать и создать систему управления потребителями на базе микроконтроллера для оптимизации работы автономной фотоэлектрической установки.

Методы исследования и разработки основаны на общих положениях промышленных систем управления, промышленной электроники, вычислительных методах и использовании современных программных пакетов.

3. Описание автономной фотоэлектрической установки

Автономная фотоэлектрическая установка (рис. 1), представляют собой фотоэлектрическую систему, которая не подключена к центральной электросети и состоит из солнечных панелей, преобразующих солнечную энергию в электроэнергию, и аккумуляторной системы, накапливающей эту энергию [1]. Также могут быть установлены контроллер заряда, предотвращающий глубокий разряд и перезаряд аккумулятора, и инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный. [2]

3.1 Выбор (обоснование применения) в качестве главной управляющей единицы отладочной платы STM32F4 DISCOVERY

В данной работе стояла задача реализовать управление потребителями для оптимизации работы автономной фотоэлектрической установки. Было решено использовать микропроцессорную систему управления, где в качестве главной вычислительной и управляющей единицы служит микроконтроллер STM32F407, имеющийся на борту отладочной платы STM32F4 DISCOVERY. Это решение было принято по следующим причинам [3, 4]:

1. оптимальные вычислительные возможности микроконтроллера для решения задачи управления автономной фотоэлектрической установкой;
2. имеется запас вычислительных мощностей, что в дальнейшем позволит расширить возможности системы управления;
3. относительно низкая стоимость;
4. благодаря небольшим размерам отладочная плата имеет достаточно высокую степень интеграции, что позволяет реализовать конечный блок системы управления с минимальными габаритами в сравнении с использованием ПК.

3.2 Структурная схема автономной фотоэлектрической установки

Структурную схему автономной фотоэлектрической установки (рис. 2) можно условно разделить на две части: силовую и систему управления. В силовой части происходит генерация электроэнергии солнечной панелью, накопление ее в аккумуляторах, и передача потребителям.

Система управления включает в себя датчики тока и напряжения, отладочную плату STM32F4 DISCOVERY, плату управления реле и операторскую панель.

4. Разработка системы управления потребителями на базе отладочной платы STM32F4 DISCOVERY

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 [5]. 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. Алгоритм управления потребителями представлен на рисунке 3.

4.1 Аппаратная реализация системы управления потребителями

На практике при подключении нагрузки к микроконтроллеру возникает задача, связанная с тем, что микроконтроллер как правило не может обеспечить мощность, необходимую для нормальной работы внешней нагрузки.

Для реализации управления релейными элементами была разработана схема управления с использованием сборки составных транзисторов Дарлингтона ULN2003 [6] и оптопары PC814 [7].

Схема управления одного канала представлена на рисунке 4.

Такая реализация позволяет малыми токами с выходов микроконтроллера управлять мощными реле (напряжением 12 или 24 В). Оптическая развязка реализована для защиты микроконтроллера в случае пробоя микросхемы ULN2003.

4.2 Программная реализация системы управления потребителями

Программное обеспечение системы управления потребителями было разработано методом модельно-ориентированного программирования при использовании пакета прикладных программ Matlab, его графической среды имитационного моделирования Simulink и пакета расширений Waijung Blockset [8]. Структурная схема системы управления в пакете Matlab представлена на рисунке 5.

Аналоговые сигналы с датчиков напряжения и тока передаются на АЦП микроконтроллера, считываются и оцифровываются с помощью блока Regular ADC (рис. 6), нормируются соответствующими коэффициентами и передаются в подсистемы расчета среднего значения. Период усреднения равен одной секунде, при этом на время расчета среднего значения на последующем периоде усреднения текущее среднее значение сохраняется в элементе памяти.

После усреднения рассчитываются значения текущей мощности и выработанной энергии. Полученные данные тока, напряжения, мощности и энергии передаются в систему индикации. Данные тока и мощности, а также сигналы с операторской панели передаются в подсистему, реализующую алгоритм управления и формирующую сигналы управления релейными элементами.

В подсистеме индикации (рис. 7) данные фотоэлектрической установки преобразуются в строковый формат данных, сохраняются в буферную память и затем передаются непосредственно на LCD-дисплей.

В подсистеме управления (рис. 8) выполняется измерение текущей и расчет максимальной мощностей, формируется порядок и длительность всех процессов измерения и длительность одного цикла работы системы управления. Также в данной системе реализован алгоритм управления операторской панелью, исключающий одновременную работу ручного и автоматического режимов работы системы управления.

В подсистеме алгоритма управления (рис. 9) происходит поэтапная оценка резерва мощности и возможности подключения потребителей исходя из их приоритета, на основании чего формируются управляющие сигналы для подключения потребителей.

На рисунке 10 представлена временная диаграмма одного цикла работы системы управления. Измерение текущей и максимальной мощностей происходит последовательно в течении двух секунд, и затем за оставшееся время одного периода происходит оценка резервов мощности и передача в систему управления.

На этом разработка аппаратной и программной частей системы управления была закончена.

5. Результаты практических испытаний разработанной системы управления

В ходе проведенных испытаний разработанной системы управления были получены осциллограммы тока (рис. 11) и напряжения (рис. 12) солнечной батареи при заряженном состоянии аккумулятора, при включенном потребителе мощностью 14 Вт и при включенном потребителе мощностью 21 Вт.

Выводы

Таким образом, благодаря созданной системе управления, была оптимизирована работа автономной фотоэлектрической установки, в следствии чего повысилась эффективность ее работы. При написании данного реферата магистерская работа еще находится в стадии разработки. Окончательное завершение: июнь 2020 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Фолькер Куашнинг Системы возобновляемых источников энергии. Технологии. Расчеты: Учебная литература. Изд-во Фолиант, 2013 г. – 432 с.
2. Technisches Anwendungshandbuch Nr.10 Photovoltaikanlagen – ABB, 2011. – 116 с.
3. Журнал «Компоненты и технологии» [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.kit-e.ru/ (дата обращения 19.08.19).
4. STM32F4DISCOVERY datasheet [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.st.com/en/evaluation-tools/stm32f4discovery.html (дата обращения 20.08.19).
5. В. В. Елистратов, Е. С. Аронова Солнечные энергоустановки. Оценка поступления солнечного излучения: Учебное пособие. СПб. Изд-во СПбГПУ, 2012. – 164 с.
6. ULN2003 драйвер нагрузок на 7 каналов [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://hardelectronics.ru/uln2003.html (дата обращения 15.09.19).
7. PC814 оптопара для использования в цепях переменного тока [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.w-r-e.de/robotik/data/opt/pc814.pdf (дата обращения 12.09.19).
8. Waijung Blockset [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://waijung.aimagin.com/ (дата обращения 20.10.19).