DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-10617-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40774975
تاريخ النشر: 2025-08-07
المؤلف: Monika Gupta وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات تحسين أنظمة الطاقة الشمسية
نظرة عامة
تقدم هذه الورقة البحثية إطار تحكم جديد يجمع بين وحدة تحكم النسبة والتكامل والمشتق (PID) مع خوارزمية تحسين الذئب الرمادي (GWO) لضبط معلمات وحدة التحكم في الوقت الحقيقي في أنظمة العاكس الضوئي (PV) المتصلة بالشبكة. تواجه وحدات التحكم التقليدية، مثل P و PI، تحديات في البيئات الديناميكية، مما يؤدي إلى زيادة التشويه التوافقي الكلي (THD)، واستجابات انتقالية أبطأ، وتنظيم غير كاف للجهد تحت الإشعاع المتغير. تعالج طريقة GWO-PID هذه القضايا من خلال الاستفادة من قدرات البحث العالمية لخوارزمية GWO لتحسين مكاسب PID ($K_p$, $K_i$, $K_d$) بناءً على دالة لياقة تقلل من متوسط الخطأ التربيعي (MSE) وTHD. تشير نتائج المحاكاة إلى أن وحدة التحكم GWO-PID تتفوق بشكل كبير على وحدات التحكم التقليدية PI و P، حيث تحقق زمن ارتفاع قدره 0.025 ثانية، وزمن استقرار قدره 0.035 ثانية، وTHD بنسبة 3.7%، وMSE قدره 0.25 كيلو واط² عند إشعاع قياسي (1000 واط/م²)، مع الحفاظ على جهد رابط DC مستقر قدره 500 فولت.
تظهر النتائج أن وحدة التحكم GWO-PID تحافظ بفعالية على استقرار جهد رابط DC وتقلل من الاهتزازات في جهد والتيار الضوئي عبر مستويات الإشعاع المتغيرة (400 واط/م² إلى 1000 واط/م²). مقارنة بالطرق التقليدية، تقلل تقنية GWO-PID زمن الاستقرار بأكثر من 45%، وتعزز دقة تتبع الطاقة، وتضمن عامل طاقة قريب من الواحد. بالإضافة إلى ذلك، تظهر استقرارًا ممتازًا في التردد خلال الاضطرابات الانتقالية وتحسن إدارة تبادل الطاقة النشطة والتفاعلية. تؤكد هذه الدراسة على أهمية دمج تقنيات التحسين المتقدمة مثل GWO مع استراتيجيات التحكم الكلاسيكية لتعزيز الأداء، والاستقرار، وجودة الطاقة في أنظمة الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة، مما يساهم في تطوير حلول الطاقة المتجددة الفعالة. قد تستكشف الأبحاث المستقبلية تقنيات تحسين إضافية وقابلية التكيف في الوقت الحقيقي لتعزيز متانة النظام.
النتائج
تظهر نتائج الدراسة فعالية تقنية التحسين المقترحة، GWO + PID، في تعزيز خصائص وحدة التحكم PID لنظام التحكم في العاكس في محطة الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة بقدرة 50 كيلو واط. تكشف المحاكاة التي أجريت في MATLAB تحت ظروف مستقرة (إشعاع 1,000 واط/م² ودرجة حرارة 25 °م) عن تحسينات كبيرة في أداء التحكم في العاكس. تشمل النتائج الرئيسية تحليلًا مقارنًا للتشويه التوافقي الكلي (THD) في جهد الخرج، مما يظهر تحسين جودة الطاقة في العاكس ثلاثي الطور عند تطبيق خوارزمية تحسين GWO + PID.
تشير النتائج إلى أن قيم معلمات PI المحسنة تساهم في تشغيل أكثر موثوقية وكفاءة لنظام الطاقة الشمسية. تدعم نتائج المحاكاة والاختبارات العملية مزايا تقنية GWO + PID، مما يبرز إمكانياتها في تحسين التحكم في العاكس في تطبيقات الطاقة المتجددة.
المناقشة
في هذه الدراسة، يتم تقديم نظام ضوئي متكامل مع الشبكة يستخدم عاكس مصدر جهد ثلاثي الطور (VSI). يتكون النظام من مصفوفة ضوئية، عاكس، محول رفع، فلتر RLC، حمل، وخوارزمية تتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT)، وتحديدًا طريقة التوصيل التدريجي (INC)، التي تعمل على تحسين استخراج الطاقة بناءً على الظروف البيئية في الوقت الحقيقي. تم تصميم النظام لتقديم خرج قدره 50 كيلو واط إلى الشبكة مع ضمان الامتثال لمعايير الشبكة، بما في ذلك الحفاظ على عامل طاقة موحد وتقليل التشوهات التوافقية. يتم تحليل الخصائص الديناميكية للنظام، مع التركيز على آليات التحكم وأداء جودة الطاقة.
يعتمد نموذج PV على العلاقة بين جهد الخرج ($V_{pv}$) والتيار ($I_{PV}$)، التي تحكمها معادلات تأخذ في الاعتبار التيار الضوئي، والتيار المشبع، وتأثيرات درجة الحرارة. تستهدف تكوين النظام المقترح خرجًا قدره 5 كيلو واط، مع رفع المحول لجهد PV إلى مستوى رابط DC منظم قدره 500 فولت. يستخدم العاكس حلقة مغلقة للتزامن مع الشبكة، مستفيدًا من استراتيجية التحكم في المحاور d-q لإدارة الطاقة النشطة والتفاعلية. يدمج نظام التحكم خوارزمية تحسين الذئب الرمادي (GWO) مع وحدة تحكم PID لتحسين معلمات PID ديناميكيًا، مما يعزز قابلية تكيف النظام مع الظروف المتقلبة ويحسن مقاييس الأداء العامة مثل التشويه التوافقي الكلي (THD) ومتوسط الخطأ التربيعي (MSE). تضمن هذه الطريقة المبتكرة تحويل الطاقة بكفاءة وتشغيل مستقر، مما يسهل التكامل الموثوق للطاقة الضوئية في شبكة الطاقة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-10617-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40774975
Publication Date: 2025-08-07
Author(s): Monika Gupta et al.
Primary Topic: Photovoltaic System Optimization Techniques
Overview
This research paper presents a novel control framework that combines a Proportional-Integral-Derivative (PID) controller with the Grey Wolf Optimization (GWO) algorithm for real-time tuning of controller parameters in grid-connected photovoltaic (PV) inverter systems. Traditional controllers, such as P and PI, face challenges in dynamic environments, leading to increased Total Harmonic Distortion (THD), slower transient responses, and inadequate voltage regulation under variable irradiance. The GWO-PID approach addresses these issues by utilizing the GWO algorithm’s global search capabilities to optimize PID gains ($K_p$, $K_i$, $K_d$) based on a fitness function that minimizes Mean Squared Error (MSE) and THD. Simulation results indicate that the GWO-PID controller significantly outperforms conventional PI and P controllers, achieving a rise time of 0.025 s, settling time of 0.035 s, THD of 3.7%, and MSE of 0.25 kW² at standard irradiance (1000 W/m²), while maintaining a stable DC-link voltage of 500 V.
The findings demonstrate that the GWO-PID controller effectively maintains DC-link voltage stability and minimizes oscillations in PV voltage and current across varying irradiance levels (400 W/m² to 1000 W/m²). Compared to traditional methods, the GWO-PID technique reduces settling time by over 45%, enhances power tracking accuracy, and ensures a power factor close to unity. Additionally, it exhibits excellent frequency stability during transient disturbances and improves active and reactive power exchange management. This study underscores the importance of integrating advanced optimization techniques like GWO with classical control strategies to enhance the performance, stability, and energy quality of grid-tied PV systems, thereby contributing to the development of efficient renewable energy solutions. Future research may explore further optimization techniques and real-time adaptability to enhance system robustness.
Results
The results of the study demonstrate the effectiveness of the proposed optimization technique, GWO + PID, in enhancing the characteristics of a PID controller for an inverter control scheme in a 50-kW grid-connected solar power plant. Simulations conducted in MATLAB under stable conditions (irradiance of 1,000 W/m² and temperature of 25 °C) reveal significant improvements in inverter control performance. Key findings include a comparative analysis of total harmonic distortion (THD) in output voltage, showcasing enhanced power quality in the three-phase grid-feeding inverter when the GWO + PID optimization algorithm is applied.
The results indicate that the optimized PI parameter values contribute to a more reliable and efficient operation of the solar power system. Both simulation and practical test outcomes substantiate the advantages of the GWO + PID technique, underscoring its potential for improving inverter control in renewable energy applications.
Discussion
In this study, a grid-integrated photovoltaic (PV) system utilizing a 3-phase voltage source inverter (VSI) is presented. The system comprises a PV array, inverter, boost converter, RLC filter, load, and a maximum power point tracking (MPPT) algorithm, specifically the Incremental Conductance (INC) method, which optimizes power extraction based on real-time environmental conditions. The system is designed to deliver a 50 kW output to the grid while ensuring compliance with grid standards, including maintaining a unit power factor and minimizing harmonic distortions. The dynamic characteristics of the system are analyzed, focusing on control mechanisms and power quality performance.
The PV model is based on the relationship between output voltage ($V_{pv}$) and current ($I_{PV}$), governed by equations that account for photocurrent, saturation current, and temperature effects. The proposed system configuration targets a 5 kW output, with a boost converter elevating the PV voltage to a regulated DC-link level of 500 V. The inverter employs a Phase-Locked Loop (PLL) for synchronization with the grid, utilizing a d-q axis control strategy to manage active and reactive power. The control system integrates a Grey Wolf Optimization (GWO) algorithm with a PID controller to dynamically optimize the PID parameters, enhancing system adaptability to fluctuating conditions and improving overall performance metrics such as total harmonic distortion (THD) and mean square error (MSE). This innovative approach ensures efficient power conversion and stable operation, facilitating reliable integration of PV energy into the power grid.