Advanced Variable Step Size Incremental Conductance–Integral Backstepping Control (AVIC-IBC) ni mkabala mseto wa ufuatiliaji wa nukta ya nguvu ya juu zaidi (Maximum Power Point Tracking, MPPT) ambao, katika mfumo wa fotovoltaiki uliounganishwa na gridi, hubadilisha volteji rejea ya PV inayozalishwa na algoriti ya AVIC kuwa sheria ya udhibiti ya kigeuzi cha kuongeza DC-DC kwa kutumia Integral Backstepping Control. Katika utafiti, mbinu hiyo ilichunguzwa kwenye mfumo wa fotovoltaiki wa hatua mbili uliounganishwa na gridi (Grid-Tied Photovoltaic System, GTPVS) wenye nguvu nomino ya 123 kW. Hatua ya kwanza ni kigeuzi cha DC-DC step-up/boost, na hatua ya pili ni inverter ya awamu tatu iliyounganishwa na gridi.

Sehemu ya AVIC hutumia mteremko wa papo hapo wa sifa ya nguvu-volteji ya PV kubadilisha ukubwa wa hatua ya volteji rejea kulingana na umbali wa nukta ya uendeshaji kutoka kwenye nukta ya nguvu ya juu zaidi. Nukta ya uendeshaji ikiwa mbali na nukta ya nguvu ya juu zaidi, hatua kubwa zaidi hutumiwa ili kuharakisha ukaribiaji; inapokaribia nukta ya nguvu ya juu zaidi, hatua hupunguzwa kwa lengo la kupunguza mizunguko ya hali thabiti. Sehemu ya IBC, kwa upande mwingine, huzalisha kigezo cha udhibiti \(\alpha\) cha kigeuzi cha boost kwa kutumia vigezo vya hitilafu, kipengele cha integral na masharti ya uthabiti yanayotegemea Lyapunov ili kuhakikisha kuwa volteji ya PV inafuata volteji rejea iliyoundwa na AVIC.

Mbinu ililinganishwa katika mazingira ya MATLAB/Simulink 2020b na mbinu za kawaida za Incremental Conductance (INC), Perturb and Observe (P&O) na Backstepping Control (BC). Makundi manne makuu ya majaribio yalikuwa mabadiliko ya haraka ya mionzi, wasifu wa kila siku wa mionzi uliopimwa kwa sensa halisi katika mji wa El Jadida nchini Morocco, hitilafu ya gridi ya 250 ms pamoja na mionzi na halijoto zinazobadilika, na hali za kivuli cha sehemu katika maeneo matatu. Chanzo kinaripoti kwa AVIC-IBC iliyopendekezwa utendaji wa wastani wa ufuatiliaji wa MPPT wa %99,57, muda bainifu wa ufuatiliaji wa takribani 0,02 s, na upotevu wa wastani wa nguvu wa takribani %1,88. Chini ya wasifu halisi wa mionzi, upotoshaji wa jumla wa harmoniki wa mkondo wa inverter (Total Harmonic Distortion, THD) umetolewa kuwa %0,69.

Kidhibiti pia kiliendeshwa kwenye jukwaa la eZdsp TMS320F28335 kwa mbinu ya Processor-in-the-Loop (PIL). Prosesa ilifanya kazi kwa 150 MHz, muda wa sampuli wa udhibiti uliwekwa kuwa 10 µs, na chanzo kiliripoti kuwa muda wa kukokotoa wa kila mzunguko wa udhibiti ulisalia chini ya muda huo wa sampuli. Hata hivyo, uthibitishaji wa PIL unaonyesha kuwa msimbo wa kidhibiti unaweza kufanya kazi kwenye prosesa halisi chini ya vikwazo vya muda; si jaribio jumuishi la maunzi lililofanywa kwenye safu kamili ya PV ya kimwili, kigeuzi cha nguvu na gridi. Waandishi pia wanaeleza wazi katika sehemu ya hitimisho kwamba uthibitishaji kamili wa maunzi kwenye benchi halisi la majaribio unapaswa kufanywa katika siku zijazo.

Kwa nini MPPT huwa ngumu zaidi katika mifumo ya PV iliyounganishwa na gridi?

Nukta ya nguvu ya juu zaidi ya safu ya fotovoltaiki si ya kudumu. Mionzi ya jua, halijoto ya seli na hasa hali za kivuli cha sehemu zinapobadilika, sifa za mkondo-volteji na nguvu-volteji za safu ya PV pia hubadilika. Kwa hiyo kidhibiti cha MPPT hakipaswi tu kupata nukta inayofaa ya uendeshaji, bali pia kuhamia haraka vya kutosha kwenye nukta mpya ya nguvu ya juu zaidi wakati hali za mazingira zinabadilika kwa kasi na, baada ya kuifikia, kutosababisha mizunguko mikubwa kuzunguka nukta hiyo.

Chanzo kinaeleza kuwa mbinu ya kawaida ya Perturb and Observe (P&O) ni rahisi kutekeleza, lakini inaweza kuzalisha mizunguko karibu na nukta ya nguvu ya juu zaidi, hasa chini ya hali zinazobadilika. Mkabala wa Incremental Conductance (INC) hupunguza baadhi ya mapungufu ya P&O, lakini kwa ukubwa wa hatua usiobadilika kunaweza kutokea maelewano kati ya kasi ya ukaribiaji na usahihi wa hali thabiti. Hatua ikichaguliwa kuwa ndogo, kufikia nukta mpya ya nguvu ya juu zaidi huwa polepole; ikichaguliwa kuwa kubwa, mizunguko inaweza kuongezeka.

Utafiti pia unajadili kuwa GWO, EAGPSO, GA, SSA, STO, HHO na mbinu nyingine za uboreshaji zinazotegemea makundi ya suluhisho zinaweza kuboresha uwezo wa utafutaji wa kimataifa chini ya kivuli cha sehemu, lakini miundo yao ya kurudia inaweza kuongeza muda wa uchakataji na mahitaji ya kumbukumbu. Mbinu zinazotegemea ANN, CNN na mantiki hafifu pia zinaweza kutoa uwezo mkubwa wa kujirekebisha; kwa upande mwingine, mahitaji ya data ya mafunzo, kumbukumbu na rasilimali za kukokotoa yanaweza kuwa muhimu katika matumizi ya mifumo iliyopachikwa. Ingawa Backstepping Control hutoa mfumo thabiti wa udhibiti kwa mifumo isiyo ya mstari, chanzo kinaeleza kuwa muundo wa kawaida unaweza kuonyesha hitilafu za hali thabiti au matatizo ya ukaribiaji.

Mkabala Mseto wa AVIC-IBC MPPT Hufanya Nini?

Katika mkabala wa AVIC-IBC, AVIC huzalisha volteji rejea \(V_{ref}\) inayolingana na nukta ya nguvu ya juu zaidi kutokana na volteji na mkondo uliopimwa wa safu ya PV; IBC hukokotoa sheria ya udhibiti \(\alpha\) ya kigeuzi cha boost ili kuleta volteji halisi \(V_{pv}\) karibu na rejea hiyo. Hivyo, utafutaji wa nukta ya nguvu ya juu zaidi na udhibiti wa mienendo isiyo ya mstari ya kigeuzi cha nguvu huunganishwa katika mnyororo mmoja wa udhibiti.

Usanifu wa kimwili na wa udhibiti wa mfumo

Muundo wa mienendo wa PV na kigeuzi cha boost

Chanzo kinafafanua upande wa kigeuzi cha kuongeza DC-DC kwa milinganyo ifuatayo ya hali:

\[ \frac{dV_{pv}}{dt}=\frac{1}{C_1}(i_{pv}-i_L) \]

\[ \frac{di_L}{dt}=\frac{1}{L}\left(V_{pv}-(1-\alpha)V_{dc}\right) \]

\[ \frac{dV_{dc}}{dt}=(1-\alpha)\frac{i_L}{C_1}-\frac{i_g}{C_1} \qquad \text{(Denklem 1)} \]

Usemi wa kwanza unaonyesha kuwa volteji ya kapasiteta upande wa PV huamuliwa na tofauti kati ya mkondo \(i_{pv}\) kutoka safu ya PV na mkondo wa indukta \(i_L\) wa kigeuzi cha kuongeza. Usemi wa pili unaonyesha jinsi mkondo wa indukta unavyobadilika kulingana na \(V_{pv}\), volteji ya basi la DC \(V_{dc}\), inductance \(L\) na kigezo cha udhibiti \(\alpha\). \(\alpha\) ni kigezo kisicho na kipimo cha udhibiti/duty na ndicho pato la mwisho la IBC.

Chanzo kinatumia \(C_1\) kwa \(dV_{dc}/dt\) katika mstari wa tatu wa Mlinganyo (1). Utafiti huo huo unafafanua \(C_1\) kuwa kapasiteta ya ingizo na \(C_2\) kuwa kapasiteta ya pato, na hutumia \(C_2\) kwa derivati ya \(V_{dc}\) katika muundo wa upande wa gridi ulio hapa chini. Maandishi ya Verianla hayabadilishi kimya kimya tofauti hii ya notation iliyo katika chanzo.

Muundo wa inverter ya DC-AC na upande wa gridi

Chanzo kinatoa mienendo ya upande wa gridi katika mfumo wa kuratibu unaozunguka wa \(dq\) kwa namna ifuatayo:

\[ \frac{di_{dg}}{dt} =-\beta_1 i_{dg} +\beta_2 i_{qg} +\beta_3(V_{di}-V_{dg}) \]

\[ \frac{di_{qg}}{dt} =-\beta_1 i_{qg} -\beta_2 i_{dg} +\beta_3V_{qi} \]

\[ \frac{dV_{dc}}{dt} =\frac{2}{C_2}\left(-\frac{3}{2}V_{dg}i_{dg}+P_{out}\right) \qquad \text{(Denklem 2)} \]

Hapa \(\beta_1=R_f/L_f\), \(\beta_2=\omega\) na \(\beta_3=1/L_f\) zimefafanuliwa. \(R_f\) inawakilisha ukinzani wa kichujio, \(L_f\) inductance ya kichujio, \(\omega\) masafa ya angular ya umeme, na \(i_{dg}\) pamoja na \(i_{qg}\) ni vipengele vya mhimili wa \(dq\) vya mkondo wa gridi. \(P_{out}\) ni nguvu ya pato ya kigeuzi cha kuongeza.

Jukumu la kisayansi la milinganyo hii ni kubainisha vigezo vya hali vinavyotegemea muda vya mfumo wa kimwili unaodhibitiwa na kidhibiti. AVIC huzalisha tu rejea ya nguvu ya juu zaidi, huku sheria ya udhibiti ya IBC ikiwa imejengwa moja kwa moja juu ya mienendo hii isiyo ya mstari ya kigeuzi.

Utaratibu wa hatua inayobadilika wa AVIC

AVIC huunganisha ukubwa wa hatua na mteremko wa papo hapo wa mkunjo wa nguvu-volteji ili kupunguza tatizo la hatua isiyobadilika katika mkabala wa kawaida wa Incremental Conductance. Usemi uliotolewa katika chanzo ni huu:

\[ \Delta V(k)=k\left|\frac{\Delta P(k)}{\Delta V(k)}\right| \qquad \text{(Denklem 3)} \]

Fomula hukokotoa nini? Mlinganyo hutumia thamani kamili ya mteremko wa nguvu-volteji ili kubainisha ukubwa wa mabadiliko yatakayofanywa katika volteji ya uendeshaji ya PV.

Vigezo: \(\Delta P(k)\) inawakilisha mabadiliko ya nguvu ya PV kati ya sampuli zinazofuatana; \(\Delta V(k)\) mabadiliko ya volteji; na \(k\) mgawo unaofafanuliwa katika chanzo kama gain chanya.

Jukumu la kihisabati: \(|\Delta P/\Delta V|\) inawakilisha ukubwa wa mteremko wa nguvu-volteji. Lengo ni hatua kuwa kubwa zaidi mteremko unapoongezeka mbali na MPP, na kuwa ndogo mteremko unapokaribia sifuri karibu na MPP.

Maana ya kimwili: Hatua kubwa ya volteji huongeza kasi ya utafutaji; hatua ndogo ya volteji inalenga kupunguza mizunguko ya hali thabiti karibu na nukta ya nguvu ya juu zaidi.

Kikomo cha tafsiri: Chanzo kinatumia alama hiyo hiyo \(\Delta V(k)\) upande wa kushoto wa usawa kwa maana ya ukubwa wa hatua na katika denominator ya sehemu kwa maana ya tofauti ya volteji. Notation hii imehifadhiwa hapa kwa kufuata chanzo.

Integral Backstepping: hitilafu ya kwanza ya ufuatiliaji

Muundo wa IBC huanza na hitilafu kati ya volteji ya PV na volteji rejea ya AVIC:

\[ \delta_1=V_{pv}-V_{ref} \qquad \text{(Denklem 4)} \]

Lengo la udhibiti ni kuleta \(\delta_1\) karibu na sifuri. Mienendo ya upande wa PV inapowekwa kwenye derivati ya hitilafu:

\[ \dot{\delta}_1 =\dot{V}_{pv}-\dot{V}_{ref} =\frac{1}{C_1}(i_{pv}-i_L)-\dot{V}_{ref} \qquad \text{(Denklem 5)} \]

Baadaye chanzo huongeza hatua ya integral ili kukandamiza hitilafu ya kudumu:

\[ \eta=\int_0^t\delta_1\,dt =\int_0^t(V_{pv}-V_{ref})\,dt \qquad \text{(Denklem 6)} \]

\[ \dot{\eta}=\delta_1 \qquad \text{(Denklem 7)} \]

\(\eta\) ni thamani iliyokusanywa kwa muda ya hitilafu ya ufuatiliaji wa volteji. Ikiwa hitilafu, badala ya kubadilishana kwa muda mfupi kati ya thamani chanya na hasi, inabaki kwa utaratibu katika mwelekeo mmoja, kipengele cha integral hukusanya mkengeuko huo wa kudumu na kuwa na athari katika sheria ya udhibiti.

Kazi ya kwanza ya Lyapunov

Katika hatua ya kwanza ya uthabiti, chanzo hutumia mgombea ufuatao wa Lyapunov:

\[ f_1=\frac{1}{2}\delta_1^2+\frac{\lambda}{2}\eta^2 \qquad \text{(Denklem 8)} \]

\[ \dot{f}_1=\delta_1\dot{\delta}_1+\lambda\eta\dot{\eta} \qquad \text{(Denklem 9)} \]

Mlinganyo (5) na Mlinganyo (7) zinapowekwa:

\[ \dot{f}_1= \delta_1\left[ \frac{1}{C_1}(i_{pv}-i_L)-\dot{V}_{ref} \right] +\lambda\eta(V_{pv}-V_{ref}) \qquad \text{(Denklem 10)} \]

Wazo kuu katika mkabala wa Lyapunov ni kwamba \(f_1\) iwe kipimo chanya cha hitilafu kinachofanana na nishati na derivati yake ihifadhiwe katika mwelekeo hasi boyunca trajektoria ya mfumo. Kwa kusudi hili chanzo hufafanua:

\[ -\lambda_1\delta_1= \frac{1}{C_1}(i_{pv}-i_L) -\dot{V}_{ref} +\lambda\eta \qquad \text{(Denklem 11)} \]

sharti hili. Hapa \(\lambda\) na \(\lambda_1\) ni gains chanya za udhibiti.

Rejea pepe ya mkondo wa indukta

Kutoka Mlinganyo (11), kwa mkondo wa indukta:

\[ i_L=C_1\left( \lambda_1\delta_1+ \frac{i_{pv}}{C_1} -\dot{V}_{ref} +\lambda\eta \right) \qquad \text{(Denklem 12)} \]

usemi hupatikana. Chanzo kinafafanua muundo huu kama rejea pepe badala ya mkondo halisi moja kwa moja:

\[ i_{Lref}=C_1\left( \lambda_1\delta_1+ \frac{i_{pv}}{C_1} -\dot{V}_{ref} +\lambda\eta \right) \qquad \text{(Denklem 13)} \]

Hatua hii ni muhimu katika mkabala wa Backstepping: katika tabaka la kwanza la udhibiti, lengo si kukokotoa \(\alpha\) moja kwa moja, bali kubainisha mkondo bora/pepe wa indukta unaoweza kupeleka volteji ya PV kwenye nukta inayotakiwa.

Kigezo cha pili cha hitilafu

Tofauti kati ya mkondo halisi wa indukta na rejea pepe huunda kigezo cha pili cha hitilafu. Chanzo huandika hivi:

\[ i_L=\delta_2+i_{Lref} \qquad \text{(Denklem 14)} \]

kwa usawa \(\delta_2=i_L-i_{Lref}\).

Baada ya kuweka milinganyo na kurahisisha, mienendo ya hitilafu ya kwanza huwa:

\[ \dot{\delta}_1 =-\lambda_1\delta_1 -\frac{\delta_2}{C_1} -\lambda\eta \qquad \text{(Denklem 16)} \]

na derivati ya kazi ya kwanza ya Lyapunov:

\[ \dot{f}_1 =-\lambda_1\delta_1^2 -\frac{\delta_1\delta_2}{C_1} \qquad \text{(Denklem 17)} \]

huwa hivyo. Kipengele cha kwanza kinaelekea kupunguza nishati ya hitilafu. Kipengele cha pili cha msalaba huunganisha \(\delta_1\) na \(\delta_2\), hivyo hushughulikiwa kando katika hatua ya pili ya backstepping.

Utoaji wa mienendo ya hitilafu ya pili

Derivati ya kigezo cha pili cha hitilafu ni:

\[ \dot{\delta}_2 =\dot{i}_L-\dot{i}_{Lref} \qquad \text{(Denklem 18)} \]

Chanzo hutoa derivati ya \(i_{Lref}\) kwa namna ifuatayo:

\[ \dot{i}_{Lref} =C_1\left[ \lambda_1\left( -\lambda_1\delta_1 -\frac{\delta_2}{C_1} -\lambda\eta \right) +\frac{\dot{i}_{pv}}{C_1} -\ddot{V}_{ref} +\lambda(V_{pv}-V_{ref}) \right] \qquad \text{(Denklem 19)} \]

Baada ya kuweka hii katika Mlinganyo (18), chanzo kinatoa:

\[ \dot{\delta}_2 = \dot{i}_L -C_1\left( -\lambda_1^2\delta_1 -\frac{\lambda_1\delta_2}{C_1} -\lambda\lambda_1\eta +\frac{\dot{i}_{pv}}{C_1} \right) +C_1\left( \ddot{V}_{ref}-\lambda_1\delta_1 \right) \qquad \text{(Denklem 20)} \]

Kuna mpito ndani ya chanzo kati ya \(\lambda(V_{pv}-V_{ref})\) katika kipengele cha mwisho cha Mlinganyo (19) na notation ya \(\lambda_1\delta_1\) inayoonekana katika Mlinganyo (20) unaohitaji umakini wa kialjebra. Hapa fomula zimehifadhiwa kama zilivyochapishwa katika chanzo na hakuna ubadilishaji wa kimya kimya wa alama uliofanywa.

Kazi ya pili ya Lyapunov na upunguzaji wa hitilafu kwa ujumla

Chanzo huongeza pia kigezo cha pili cha hitilafu kwenye kazi ya uthabiti:

\[ f_2=f_1+\frac{1}{2}\delta_2^2 \qquad \text{(Denklem 21)} \]

\[ \dot{f}_2 =\dot{f}_1+\delta_2\dot{\delta}_2 \qquad \text{(Denklem 22)} \]

Kwa kutumia Mlinganyo (17):

\[ \dot{f}_2 =-\lambda_1\delta_1^2 -\frac{\delta_1\delta_2}{C_1} +\delta_2\dot{\delta}_2 \]

\[ \dot{f}_2 =-\lambda_1\delta_1^2 +\delta_2\left( \dot{\delta}_2-\frac{\delta_1}{C_1} \right) \qquad \text{(Denklem 23)} \]

hupatikana. Mabano ya pili pia hulazimishwa kuwa katika umbo hasi la kudhoofisha:

\[ \dot{\delta}_2-\frac{\delta_1}{C_1} =-\lambda_2\delta_2 \qquad \text{(Denklem 24)} \]

\(\lambda_2\) pia ni gain chanya. Kwa uchaguzi huu lengo ni kuunda derivati hasi ya Lyapunov ambayo itafanya vigezo vyote viwili vya hitilafu, \(\delta_1\) na \(\delta_2\), vikaribie sifuri.

Sheria ya mwisho ya udhibiti ya kigeuzi cha boost

Chanzo huunganisha mienendo ya kigeuzi cha boost na mahusiano ya awali ya hitilafu na kwanza hupata:

\[ -\lambda_2\delta_2 = \frac{V_{pv}}{L} -\frac{V_{dc}}{L}(1-\alpha) -C_1\left( -\lambda_1^2\delta_1 -\frac{\lambda_1\delta_2}{C_1} -\lambda\lambda_1\eta +\frac{\dot{i}_{pv}}{C_1} \right) +C_1(\ddot{V}_{ref}-\lambda_1\delta_1) -\frac{\delta_1}{C_1} \qquad \text{(Denklem 25)} \]

Baada ya kupanga upya:

\[ \frac{V_{dc}}{L}(1-\alpha) = \lambda_2\delta_2 +\frac{V_{pv}}{L} +\lambda_1^2C_1\delta_1 +\lambda_1\delta_2 +\lambda\lambda_1C_1\eta +\dot{i}_{pv} +C_1\ddot{V}_{ref} -C_1\lambda_1\delta_1 -\frac{\delta_1}{C_1} \qquad \text{(Denklem 26)} \]

na hatimaye sheria ya udhibiti:

\[ \alpha = 1-\frac{L}{V_{dc}} \left( \lambda_2\delta_2 +\frac{V_{pv}}{L} +\lambda_1^2C_1\delta_1 +\lambda_1\delta_2 +\lambda\lambda_1C_1\eta +\dot{i}_{pv} +C_1\ddot{V}_{ref} -C_1\lambda_1\delta_1 -\frac{\delta_1}{C_1} \right) \qquad \text{(Denklem 27)} \]

huandikwa.

Kiasi kinachokokotolewa na fomula: \(\alpha\) ni kigezo kikuu cha udhibiti cha kigeuzi cha boost.

Mantiki ya udhibiti: \(\alpha\) haitegemei tu hitilafu ya papo hapo ya volteji ya PV; inategemea pia integral ya hitilafu ya volteji, hitilafu ya rejea ya mkondo wa indukta, mabadiliko ya mkondo wa PV, derivati za volteji rejea na gains chanya za Lyapunov.

Jukumu la uthabiti: Kidhibiti hakitegemei tu heuristiki ya kutafuta nukta ya nguvu ya juu zaidi. Sehemu ya IBC ni muundo wa udhibiti usio wa mstari unaolenga kufanya mienendo ya hitilafu iende katika mwelekeo hasi kupitia kazi za Lyapunov.

Uchaguzi wa gains: Chanzo kinaeleza kuwa gains za \(\lambda\), \(\lambda_1\) na \(\lambda_2\) zilianza kwanza kwa thamani ndogo chanya zinazokidhi masharti ya uthabiti wa Lyapunov, kisha zikaongezwa hadi kufikia mwitikio wa mienendo wa haraka, overshoot ndogo na mizunguko midogo ya hali thabiti.

Mnyororo wa udhibiti hatua kwa hatua

1. Volteji \(V_{pv}\) na mkondo \(i_{pv}\) wa safu ya PV hupimwa.
2. Kwa kutumia nguvu ya PV na mabadiliko yanayofuatana, AVIC hutathmini nafasi ya nukta ya uendeshaji ikilinganishwa na MPP.
3. AVIC huzalisha rejea ya volteji \(V_{ref}\) kwa ukubwa wa hatua unaobadilika.
4. IBC huunda hitilafu \(V_{pv}-V_{ref}\) kama \(\delta_1\).
5. Kipengele cha integral \(\eta\) hukusanya taarifa ya hitilafu ya kudumu.
6. Hatua ya kwanza ya backstepping hubainisha mkondo pepe wa indukta \(i_{Lref}\).
7. \(\delta_2\) huundwa kutokana na tofauti kati ya \(i_L\) halisi na \(i_{Lref}\).
8. Hatua ya pili ya Lyapunov huweka sharti la kupunguza \(\delta_1\) na \(\delta_2\) kwa pamoja.
9. Sheria ya mwisho ya udhibiti \(\alpha\) hukokotolewa na kutumika kwenye udhibiti wa PWM wa kigeuzi cha boost.
10. Volteji ya uendeshaji ya PV inapohamishwa kuelekea \(V_{ref}\) mpya, mzunguko hurudiwa kwa vipimo vipya.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Vigezo msingi vya GTPVS iliyojaribiwa

Chanzo hakitoi kando vitengo vya kimwili vya gains za udhibiti; kwa hiyo thamani za namba zilizoripotiwa katika chanzo zimehifadhiwa bila kubadilishwa katika jedwali.

Hali 1: mabadiliko ya haraka ya mionzi

Katika jaribio la kwanza, halijoto ilihifadhiwa thabiti kwenye 25 °C huku kiwango cha mionzi kikibadilishwa kwa hatua za haraka. Lengo lilikuwa kutathmini jinsi vidhibiti vinavyoitikia mabadiliko ya ghafla katika nukta ya nguvu ya juu zaidi.

Chanzo kinaripoti kuwa AVIC-IBC ilidhibiti hali ya mpito katika volteji na mkondo wa PV ndani ya takribani 0,02 s; BC ilionyesha mpito mrefu zaidi wa takribani 0,1 s, huku INC na P&O zikizalisha mizunguko mikubwa zaidi. Kwa mbinu iliyopendekezwa, inaripotiwa kuwa nguvu hai iliyotolewa kwenye gridi iliitikia ndani ya takribani 0,06 s, na volteji ya basi la DC ilirudi kwenye hali thabiti ndani ya takribani 0,06 s mwanzoni na takribani 0,02 s katika mabadiliko yaliyofuata.

Hali 2: wasifu halisi wa kila siku wa mionzi

Data ya mionzi ya hali ya pili si ya kutengenezwa. Kipimo kilifanywa kwa sensa ya mionzi ya jua SEM228A iliyowekwa kwenye paa la jengo la utafiti la Chouaib Doukkali University Faculty of Sciences katika mji wa El Jadida nchini Morocco. Chanzo kinatoa eneo kuwa takribani 33,23° N, 8,50° W.

Wasifu uliopimwa wa kila siku huanza mapema asubuhi karibu na 0 W/m², hufikia kilele cha takribani 1040 W/m² karibu saa 12:30, kisha hupungua kuelekea mwisho wa siku. Thamani ya kisayansi ya jaribio hili ni kwamba MPPT haikutathminiwa tu dhidi ya ishara bora za hatua, bali pia dhidi ya mfuatano wa mionzi wenye mabadiliko halisi ya angahewa.

Katika grafu za chanzo, AVIC-IBC inaripotiwa kufuatilia MPP kwa mizunguko midogo katika volteji na mkondo wa PV, nguvu hai kufuata rejea, na basi la \(V_{dc}\) kuhifadhiwa kwa uthabiti zaidi siku nzima. Wasifu huu halisi wa mionzi pia ndio hali iliyotumika katika tathmini ya THD.

Hali 3: hitilafu ya gridi pamoja na mabadiliko ya mionzi na halijoto

Katika hali ya tatu, mionzi na halijoto zote zilibadilishwa na, kwa kuongeza, hitilafu ya gridi ya muda wa 250 ms iliyoanza wakati wa t = 1 s ilitumika. Hivyo kidhibiti kilijaribiwa si tu dhidi ya mabadiliko ya mazingira upande wa PV, bali pia dhidi ya tukio la usumbufu upande wa gridi ya AC.

Chanzo kinaripoti kuwa AVIC-IBC ilionyesha urekebishaji wa haraka wa takribani 0,02 s katika volteji na mkondo wa PV na kuzalisha mizunguko midogo kuliko P&O, INC na BC. Wakati wa hitilafu ya gridi, sehemu ya nishati iliyotolewa kutoka PV ilifyonzwa na kapasiteta ya basi la DC, na baada ya hitilafu nguvu hai na volteji ya basi la DC zilirudishwa kwenye kiwango cha rejea.

Hali 4: kivuli cha sehemu

Katika hali ya nne, jenereta ya PV ya 123 kW iligawanywa katika maeneo matatu tofauti ya 41 kW, na maeneo hayo yaliwekwa chini ya viwango tofauti vya mionzi. Halijoto ilihifadhiwa thabiti kwenye 25 °C. Mpangilio huu unawakilisha hali zisizo sawa za mionzi zinazoweza kusababishwa na kivuli cha jengo, mwendo wa mawingu au athari nyingine za kikanda za kivuli.

Chanzo kinaeleza kuwa mbinu iliyopendekezwa ilifikia nukta mpya ya uendeshaji ndani ya takribani 0,02 s katika kila mpito wa PSC na kuonyesha mizunguko midogo katika volteji na mkondo. Uthabiti wa haraka wa takribani 0,07 s unaripotiwa kwa nguvu hai na volteji ya basi la DC, huku mizunguko endelevu iliyo wazi zaidi ikionekana katika mbinu za P&O na INC.

Data ya Kielelezo 14 cha chanzo katika hali nne

Thamani za moja kwa moja za Kielelezo 14 zinaonyesha kuwa mbinu iliyopendekezwa ilitoa ufanisi wa MPPT wa zaidi ya takribani %99,4 na muda wa ufuatiliaji karibu 0,02 s katika hali zote nne. Maandishi ya chanzo yanaripoti utendaji wa wastani wa ufuatiliaji wa MPPT wa mbinu iliyopendekezwa kuwa %99,57 na upotevu wa wastani wa nguvu kuwa %1,88.

Kuna kutolingana muhimu kati ya maandishi na grafu ndani ya chanzo: katika sehemu ya hitimisho muda wa 0,5 s na 0,44 s umetumiwa kwa INC na P&O mtawalia, wakati thamani za hali nne katika Kielelezo 14c zinaonekana katika kiwango cha 0,059–0,165 s. Vivyo hivyo, katika maandishi upotevu wa wastani wa nguvu wa %11,67 na %11,50 umeandikwa kwa P&O na INC kwa mpangilio huo, huku mgawanyo rahisi wa nguzo za Kielelezo 14b ukionyesha INC kuwa na wastani wa juu na P&O wastani wa chini. Kwa hiyo, katika jedwali la Verianla thamani za moja kwa moja kwenye Kielelezo 14 zimehifadhiwa na mgongano haujafichwa.

Ufanisi wa ufuatiliaji wa MPPT huhesabiwaje?

Chanzo kinafafanua ufanisi wa ufuatiliaji wa MPPT kwa uwiano wa integral ufuatao:

\[ \eta= \frac{\int_0^t P_{pv}\,dt} {\int_0^t P_{setpoint}\,dt} \qquad \text{(Denklem 28)} \]

\(P_{pv}\) ni nguvu ambayo kidhibiti kinaweza kweli kuchota kutoka safu ya PV; \(P_{setpoint}\) ni rejea bora ya nguvu ya juu zaidi katika kipindi hicho hicho cha muda. Numerator inawakilisha nishati halisi ya PV iliyokusanywa, huku denominator ikiwakilisha nishati inayopatikana kinadharia/kama rejea. Kwa hiyo uwiano unapokaribia 1 au %100, inaeleweka kuwa mkunjo wa nguvu halisi unafuata kwa karibu zaidi mkunjo bora wa nguvu wa MPP.

Kipimo hiki hakitathmini tu hitilafu ya nguvu katika wakati mmoja, bali tofauti ya nishati inayokusanyika katika dirisha la muda lililowekwa. Kwa hiyo mizunguko ya muda mfupi ya mpito, mikengeuko ya muda mrefu ya hali thabiti na kasi ya kufikia nukta mpya ya uendeshaji zinaweza kuathiri ufanisi wa jumla kwa pamoja.

Ulinganisho wa chanzo na mbinu nyingine katika fasihi

Kwa kuwa jedwali hili linakusanya mbinu kutoka machapisho tofauti, halimaanishi kuwa safu zote zilipimwa kwa safu ile ile ya PV, wasifu ule ule wa mionzi, prosesa ile ile au itifaki ile ile ya majaribio. Kwa hiyo jedwali ni ulinganisho wa kimuktadha wa utendaji ulioripotiwa katika fasihi; si matokeo ya jaribio moja la benchmark lililodhibitiwa kwa pamoja.

Upotoshaji wa jumla wa harmoniki wa mkondo

Katika hali ya pili iliyotumia wasifu halisi wa mionzi, chanzo kinaripoti %0,69 THD kwa mkondo wa gridi kwa kutumia AVIC-IBC. Makala inaeleza kuwa thamani hii iko chini ya kikomo cha %5 cha THD ya mkondo kilichotolewa kwa kiwango cha usambazaji ndani ya IEEE 519-2014.

Je, Uthibitishaji wa Processor-in-the-Loop ni Jaribio Kamili la Maunzi?

Hapana. Katika uthibitishaji wa Processor-in-the-Loop, algoriti ya kidhibiti huendeshwa kwa wakati halisi kwenye mikroprosesa halisi lengwa; hata hivyo, safu ya PV inayodhibitiwa, kigeuzi cha nguvu na gridi yote si lazima iwe benchi ya majaribio ya kimwili. Katika utafiti huu, eZdsp TMS320F28335 ilitumika kama prosesa halisi na ulinganisho ulifanywa na modeli ya MATLAB/Simulink kwa muda ule ule wa sampuli wa 10 µs. Hii hujaribu usahihi wa namba na uwezo wa kutekelezwa kwa wakati halisi wa msimbo uliopachikwa; kama waandishi wanavyoeleza, haiwezi kuchukua nafasi kikamilifu ya jaribio kamili la maunzi ya kimwili.

Mnyororo wa uthibitishaji wa PIL

Ulinganifu wa matokeo ya MIL na PIL

Chanzo kililinganisha matokeo ya Model-in-the-Loop (MIL) na Processor-in-the-Loop (PIL) kwa hali 1 na hali 2 kwa kutumia nguvu ya PV. Katika uthibitishaji wote wawili, muda wa sampuli ulihifadhiwa kuwa 10 µs.

Thamani hizi ndogo za mkengeuko zinatafsiriwa na chanzo kuwa ulinganifu mkubwa kati ya matokeo ya Simulink/MIL na PIL iliyotekelezwa kwenye prosesa lengwa. Chanzo pia kinaripoti kuwa kwa sababu AVIC inajumuisha operesheni za msingi za kihesabu na IBC operesheni chache za kialjebra, ugumu wa kukokotoa wa kidhibiti ni mdogo na muda wa jumla wa utekelezaji wa mzunguko mmoja wa udhibiti unasalia chini ya muda wa sampuli wa 10 µs.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• Katika modeli ya 123 kW GTPVS na hali nne zilizojaribiwa katika chanzo, AVIC-IBC inaonyesha ufanisi wa juu zaidi wa MPPT na mizunguko midogo kuliko INC, P&O na BC.
• Utaratibu wa hatua inayobadilika wa AVIC umeundwa kupunguza maelewano ya hatua isiyobadilika kati ya ukaribiaji wa haraka na mizunguko midogo ya hali thabiti.
• Muundo wa integral na Lyapunov wa IBC unalenga kudhibiti kwa pamoja hitilafu ya ufuatiliaji wa rejea ya volteji ya PV na mienendo ya hitilafu ya mkondo wa indukta.
• Wasifu halisi wa mionzi wa El Jadida ulipotumika, chanzo pia kiliripoti mizunguko midogo na utendaji wa juu wa ufuatiliaji wa MPP.
• Katika hali za kivuli cha sehemu na hitilafu ya gridi ya 250 ms, grafu za chanzo zinaonyesha ukaribiaji upya wa haraka kwa mbinu iliyopendekezwa.
• Katika hali 2, THD ya mkondo wa gridi iliripotiwa na chanzo kuwa %0,69.
• Msimbo wa AVIC-IBC uliendeshwa kama PIL kwenye prosesa eZdsp TMS320F28335 ndani ya mzunguko wa sampuli wa 10 µs.
• Thamani za MAD na MAPD zilizoripotiwa katika chanzo kati ya MIL na PIL ni ndogo.

Ujumlishaji ambao utafiti hauungi mkono

• Utafiti hauthibitishi kuwa AVIC-IBC itatoa ufanisi wa %99,57 katika mifumo yote ya PV na majukwaa yote ya maunzi.
• Uthibitishaji wa PIL si jaribio la kituo kamili cha PV cha kimwili wala benchi halisi la majaribio ya elektroniki za nguvu.
• Matumizi ya data halisi ya mionzi hayamaanishi kuwa safu yote ya PV na gridi zilijaribiwa kimwili shambani.
• Utendaji wa mbinu tofauti katika Jedwali 3 la fasihi haukupatikana kwa itifaki moja ya majaribio ya pamoja.
• Utafiti haujatatua kwa majaribio kuzeeka kwa vipengele kwa muda mrefu, kelele ya vipimo na athari za muda mrefu za halijoto.
• Chanzo kinaeleza wazi kuwa uthibitishaji wa benchi halisi la majaribio ya maunzi kamili unapaswa kufanywa katika siku zijazo.

Mapungufu makuu na kazi ya baadaye

Kikomo muhimu zaidi cha uthibitishaji wa utafiti ni kwamba, ingawa kidhibiti kiliendeshwa kwenye prosesa halisi, mnyororo mzima wa nguvu wa PV haukujaribiwa kwenye maunzi halisi ya kimwili. PIL hujenga daraja kati ya msimbo wa udhibiti uliopachikwa na modeli ya uigaji; yenyewe haithibitishi athari zote kama vile hasara halisi za switching za semiconductor za nguvu, toleransi za sensa, mwingiliano wa sumakuumeme, tabia halisi ya joto ya kigeuzi, mabadiliko halisi ya impedansi ya gridi na kuzeeka kwa maunzi kwa muda mrefu.

Waandishi wanapendekeza katika kazi ya baadaye kuchunguza kuzeeka kwa vipengele, mabadiliko ya halijoto ya muda mrefu na kelele ya vipimo. Pia wanaeleza kuwa jaribio kamili la maunzi kwenye benchi halisi la majaribio linalotegemea eZdsp TMS320F28335 linapaswa kuthibitisha matokeo.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Utafiti asilia: Processor-in-the-Loop Validation of an Advanced Hybrid MPPT Controller for Sustainable Grid-Tied Photovoltaic Systems Under Real Climatic Conditions

Waandishi: Oumaima Echab; Noureddine Ech-Cherki; Omaima El Alani; Tourıa Gueddouch; Abdellatif Obbadi; Youssef Errami; Smail Sahnoun.

Corresponding author: Youssef Errami.

Uhusiano wa taasisi: Laboratory Electronics, Instrumentation and Energy (LEIE), Faculty of Science, Chouaib Doukkali University, El Jadida 24000, Morocco.

Jarida: Sustainability.

Mchapishaji: MDPI, Basel, Switzerland.

Juzuu / toleo / namba ya makala: Volume 18, Issue 2, Article 655.

DOI: 10.3390/su18020655.

Tarehe ya kuwasilisha: 27 Novemba 2025.

Tarehe ya marekebisho: 29 Desemba 2025.

Tarehe ya kukubaliwa: 5 Januari 2026.

Tarehe ya kuchapishwa: 8 Januari 2026.

Aina ya chanzo: Makala ya utafiti. Utafiti unapendekeza mbinu mpya ya udhibiti wa MPPT na unatumia kwa pamoja uigaji wa MATLAB/Simulink, wasifu halisi wa mionzi uliopimwa na uthibitishaji wa Processor-in-the-Loop kwenye prosesa iliyopachikwa.

Mapitio ya kitaalamu: Ni makala ya utafiti iliyopitiwa na wataalamu na kuchapishwa katika jarida la Sustainability.

Leseni: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).

Kiungo rasmi: https://doi.org/10.3390/su18020655

Ufadhili: Waandishi waliripoti kuwa utafiti haukupokea ufadhili wa nje.

Upatikanaji wa data: Waandishi wanaeleza kuwa data zinazounga mkono matokeo ya utafiti zinapatikana ndani ya makala.

Mgongano wa maslahi: Waandishi waliripoti kutokuwa na mgongano wa maslahi.

Kamati ya maadili / ridhaa iliyoarifiwa: Haitumiki.

Michango ya waandishi: Katika chanzo, uundaji wa dhana, mbinu na programu vimehusishwa hasa na Oumaima Echab; uthibitishaji, uchanganuzi rasmi, utafiti, uwasilishaji wa kuona, usimamizi na usimamizi wa mradi vimegawanywa kati ya wanatimu. Smail Sahnoun pia ametajwa kwa mchango wa kupata ufadhili. Imeripotiwa kuwa waandishi wote walisoma na kuidhinisha toleo lililochapishwa.

Kikomo cha uthibitishaji wa kisayansi: Utafiti ni MATLAB/Simulink + data halisi ya mionzi + uthibitishaji wa PIL kwenye prosesa halisi lengwa, badala ya jaribio kamili la kimwili la mnyororo wa nguvu wa PV. Waandishi wanaeleza wazi kuwa benchi kamili la majaribio ya maunzi linahitajika katika siku zijazo.

Dokezo la mlinganyo ndani ya chanzo: Katika mstari wa derivati ya \(V_{dc}\) wa Mlinganyo (1), chanzo kinatumia \(C_1\), huku maandishi yakifafanua \(C_2\) kama kapasiteta ya pato na Mlinganyo (2) ukitumia \(C_2\) katika mienendo ya \(V_{dc}\). Aidha, vipengele vya \(\lambda\) na \(\lambda_1\) katika mpito wa Milinganyo (19)–(20) vinaunda notation ya chanzo inayohitaji umakini wa kialjebra. Maandishi ya Verianla hayajarekebisha kimya kimya misemo hii kwa niaba ya mwenye chanzo.

Dokezo la utendaji ndani ya chanzo: Muda wa ufuatiliaji wa 0,5 s na 0,44 s uliotolewa kwa INC na P&O katika sehemu ya hitimisho haulingani na thamani za hali katika Kielelezo 14c. Vivyo hivyo, ugawaji wa INC/P&O katika aya ya upotevu wa wastani wa nguvu unaonekana kuwa kinyume na nguzo za Kielelezo 14b. Kwa hiyo, katika makala hii ya Verianla thamani sahihi za kila hali zimehamishwa moja kwa moja kutoka Kielelezo 14 na mgongano wa ndani wa chanzo umeelezwa kando.