Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і завдання дослідження
• 3. Опис автономної фотоелектричної установки
• 3.1 Вибір (обгрунтування застосування) в якості головної керуючої одиниці отладочной плати STM32F4 DISCOVERY
• 3.2 Структурна схема автономної фотоелектричної установки
• 4. Розробка системи управління споживачами на базі отладочной плати STM32F4 DISCOVERY
• 4.1 Апаратна реалізація системи управління споживачами
• 4.2 Програмна реалізація системи управління споживачами
• 5. Результати практичних випробувань розробленої системи управління
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

Застосування фотоелектричних установок для виробництва електроенергії дозволяє комплексно вирішувати актуальні на сьогоднішній день питання енергопостачання, захисту навколишнього середовища та економії викопних джерел енергії.

1. Актуальність теми

Одним із заходів, спрямованих на оптимізацію і підвищення ефективності роботи фотоелектричної установки, є створення системи управління споживачами. З цією метою були розраховані параметри структурних елементів автономної фотоелектричної установки при заданих електроспоживачів та рівні інсоляції для заданої місцевості, розроблена і створена апаратна частина системи управління автономної фотоелектричної установки, і, методом модельно-орієнтованого програмування, розроблений і реалізований алгоритм управління споживачами.

2. Мета і завдання дослідження

Об'єктом розробки і дослідження є автономна фотоелектрична установка.

Мета дослідження – розробити і створити систему управління споживачами на базі мікроконтролера для оптимізації роботи автономної фотоелектричної установки.

Методи дослідження і розробки засновані на загальних положеннях промислових систем управління, промислової електроніки, обчислювальних методах і використанні сучасних програмних пакетів.

3. Опис автономної фотоелектричної установки

Автономна фотоелектрична установка (рис. 1), являє собою фотоелектричну систему, яка не підключена до центральної електромережі і складається з сонячних панелей, що перетворюють сонячну енергію в електроенергію, і акумуляторної системи, яка накопичує цю енергію [1]. Також можуть бути встановлені контролер заряду, що запобігає глибокий розряд і перезаряд акумулятора, і інвертор, що перетворює постійний струм в змінний. [2]

3.1 Вибір (обгрунтування застосування) в якості головної керуючої одиниці отладочной плати STM32F4 DISCOVERY

У даній роботі стояло завдання реалізувати управління споживачами для оптимізації роботи автономної фотоелектричної установки. Було вирішено використовувати мікропроцесорну систему управління, де в якості головної обчислювальної і керуючої одиниці служить мікроконтролер STM32F407, наявний на борту отладочной плати STM32F4 DISCOVERY. Це рішення було прийнято з таких причин [3, 4]:

1. оптимальні обчислювальні можливості мікроконтролера для вирішення завдання управління автономної фотоелектричної установкою;
2. є запас обчислювальних потужностей, що в подальшому дозволить розширити можливості системи управління;
3. відносно низька вартість;
4. завдяки невеликим розмірам отладочная плата має досить високу ступінь інтеграції, що дозволяє реалізувати кінцевий блок системи управління з мінімальними габаритами в порівнянні з використанням ПК.

3.2 Структурна схема автономної фотоелектричної установки

Структурну схему автономної фотоелектричної установки (рис. 2) можливо умовно розділити на дві частини: силову і систему управління. У силовій частині відбувається генерація електроенергії сонячною панеллю, накопичення її в акумуляторах, і передача споживачам.

Система управління включає в себе датчики струму і напруги, отладочную плату STM32F4 DISCOVERY, плату управління реле і операторську панель.

4. Розробка системи управління споживачами на базі отладочной плати STM32F4 DISCOVERY

Система управління реалізує наступний принцип: оцінюючи струм короткого замикання сонячної панелі за допомогою датчика струму ДС1, можна визначити щільність сонячної енергії, і, на підставі цієї щільності, оцінити максимальну потужність фотоелектричної установки. При цьому використовується той факт, що струм короткого замикання пропорційний щільності сонячної енергії [5]. Обчисливши потужність, споживану акумулятором на підставі поточного енергоспоживання установки, можна оцінити різницю між максимальною потужністю фотоелектричної установки при даній освітленості і потужністю, споживаної акумулятором. Ця різниця показує резерви потужності, які в подальшому дозволяють визначити, яке число споживачів може бути підключено до виходу автономної установки для того, щоб забезпечити її функціонування якомога ближче до точки максимальної потужності. Перевага такого підходу полягає в можливості оптимізації роботи фотоелектричного модуля без використання датчика освітленості. Алгоритм управління споживачами представлений на рисунку 3.

4.1 Апаратна реалізація системи управління споживачами

На практиці при підключенні навантаження до мікроконтролеру виникає задача, пов'язана з тим, що мікроконтролер як правило не може забезпечити потужність, необхідну для нормальної роботи зовнішнього навантаження.

Для реалізації управління релейними елементами була розроблена схема управління з використанням збірки складових транзисторів Дарлінгтона ULN2003 [6] і оптопари PC814 [7].

Схема управління одного каналу представлена на рисунку 4.

Така реалізація дозволяє малими струмами з виходів мікроконтролера керувати потужними реле (напругою 12 або 24 В). Оптична розв'язка реалізована для захисту мікроконтролера в разі пробою мікросхеми ULN2003.

4.2 Програмна реалізація системи управління споживачами

Програмне забезпечення системи управління споживачами було розроблено методом модельно-орієнтованого програмування при використанні пакета прикладних програм Matlab, його графічного середовища імітаційного моделювання Simulink і пакета розширень Waijung Blockset [8]. Структурна схема системи управління в пакеті Matlab представлена на рисунку 5.

Аналогові сигнали з датчиків напруги і струму передаються на АЦП мікроконтролера, зчитуються та оцифровуються за допомогою блоку Regular ADC (рис. 6), нормуються відповідними коефіцієнтами і передаються в підсистеми розрахунку середнього значення. Період усереднення дорівнює одній секунді, при цьому на час розрахунку середнього значення на наступному періоді усереднення поточний середнє значення зберігається в елементі пам'яті.

Після усереднення розраховуються значення поточної потужності і виробленої енергії. Отримані дані струму, напруги, потужності і енергії передаються в систему індикації. Дані струму і потужності, а також сигнали з операторської панелі передаються в підсистему, що реалізує алгоритм управління і формує сигнали управління релейними елементами.

У підсистемі індикації (рис. 7) дані фотоелектричної установки перетворюються в строковий формат даних, зберігаються в буферну пам'ять і потім передаються безпосередньо на LCD-дисплей.

У підсистемі управління (рис. 8) вимірюється поточна і розраховується максимальна потужність, формується порядок і тривалість всіх процесів вимірювання та тривалість одного циклу роботи системи управління. Також в даній системі реалізований алгоритм управління операторською панеллю, що виключає одночасну роботу ручного та автоматичного режимів роботи системи управління.

У підсистемі алгоритму управління (рис. 9) відбувається поетапна оцінка резерву потужності і можливості підключення споживачів виходячи з їх пріоритету, на підставі чого формуються керуючі сигнали для підключення споживачів.

На рисунку 10 представлена тимчасова діаграма одного циклу роботи системи управління. Вимірювання поточної і максимальної потужностей відбувається послідовно протягом двох секунд, і потім за час, що залишився від одного періоду, відбувається оцінка резервів потужності і передача в систему управління.

На цьому розробка апаратної і програмної частин системи управління була закінчена.

5. Результати практичних випробувань розробленої системи управління

В ході проведених випробувань розробленої системи управління були отримані осцилограми струму (рис. 11) і напруги (рис. 12) сонячної батареї при зарядженому стані акумулятора, при включенні споживача потужністю 14 Вт і при включенні споживача потужністю 21 Вт.

Висновки

Таким чином, завдяки створеній системі управління, була оптимізована робота автономної фотоелектричної установки, в наслідок чого підвищилася ефективність її роботи. При написанні даного реферату магістерська робота ще знаходиться в стадії розробки. Остаточне завершення: червень 2020 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

1. Фолькер Куашнинг Системы возобновляемых источников энергии. Технологии. Расчеты: Учебная литература. Изд-во Фолиант, 2013 р. – 432 с.
2. Technisches Anwendungshandbuch Nr.10 Photovoltaikanlagen – ABB, 2011. – 116 с.
3. Журнал «Компоненты и технологии» [Електронний ресурс] – Режим доступу: http://www.kit-e.ru/ (дата звернення 19.08.19).
4. STM32F4DISCOVERY datasheet [Електронний ресурс] – Режим доступу: https://www.st.com/en/evaluation-tools/stm32f4discovery.html (дата звернення 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 навантажень на 7 каналів [Електронний ресурс] – Режим доступу: http://hardelectronics.ru/uln2003.html (дата звернення 15.09.19).
7. PC814 оптопара для використання в ланцюгах змінного струму [Електронний ресурс] – Режим доступу: http://www.w-r-e.de/robotik/data/opt/pc814.pdf (дата звернення 12.09.19).
8. Waijung Blockset [Електронний ресурс] – Режим доступу: http://waijung.aimagin.com/ (дата звернення 20.10.19).