Śledzenie punktu mocy maksymalnej — Maximum power point tracking

Śledzenie maksymalnego punktu mocy ( MPPT ) lub czasami tylko śledzenie punktu mocy ( PPT ) to technika stosowana ze źródłami o zmiennej mocy w celu maksymalizacji ekstrakcji energii w każdych warunkach. Technika ta jest najczęściej stosowana w fotowoltaicznych (PV) systemach słonecznych, ale może być również stosowana w turbinach wiatrowych, optycznej transmisji mocy i termofotowoltaice .

Fotowoltaiczne systemy fotowoltaiczne istnieją w wielu różnych konfiguracjach w odniesieniu do ich związku z systemami inwerterowymi, sieciami zewnętrznymi, bateriami akumulatorów lub innymi obciążeniami elektrycznymi. Niezależnie od ostatecznego przeznaczenia energii słonecznej, głównym problemem rozwiązywanym przez MPPT jest to, że wydajność transferu energii z ogniwa słonecznego zależy od ilości światła słonecznego padającego na panele słoneczne, temperatury panelu słonecznego i charakterystyki elektrycznej obciążenie . Ponieważ te warunki się zmieniają, zmienia się charakterystyka obciążenia, która daje najwyższą wydajność przenoszenia mocy. Wydajność systemu jest optymalizowana, gdy zmienia się charakterystyka obciążenia, aby utrzymać transfer mocy na najwyższym poziomie. Ta charakterystyka obciążenia nazywana jest maksymalnym punktem mocy (MPP). MPPT to proces znajdowania tego punktu i utrzymywania w nim charakterystyki obciążenia. Obwody elektryczne mogą być zaprojektowane do dostarczania dowolnych obciążeń do ogniw fotowoltaicznych, a następnie przekształcania napięcia, prądu lub częstotliwości w celu dopasowania do innych urządzeń lub systemów, a MPPT rozwiązuje problem wyboru najlepszego obciążenia, które ma być prezentowane ogniwom w celu uzyskania najbardziej użyteczna moc wyjściowa.

Ogniwa słoneczne mają złożoną zależność między temperaturą a całkowitą rezystancją, co daje nieliniową wydajność wyjściową, którą można analizować na podstawie krzywej IV . Zadaniem systemu MPPT jest próbkowanie mocy ogniw fotowoltaicznych i zastosowanie odpowiedniej rezystancji (obciążenia) w celu uzyskania maksymalnej mocy w danych warunkach środowiskowych. Urządzenia MPPT są zazwyczaj zintegrowane z systemem konwertera energii elektrycznej , który zapewnia konwersję napięcia lub prądu, filtrowanie i regulację w celu napędzania różnych obciążeń, w tym sieci energetycznych, akumulatorów lub silników.

Inwertery słoneczne przetwarzają prąd stały na prąd przemienny i mogą zawierać MPPT: takie inwertery próbkują moc wyjściową (krzywa IV) z modułów słonecznych i przykładają odpowiednią rezystancję (obciążenie), aby uzyskać maksymalną moc.
Moc w MPP (P _mpp ) jest iloczynem napięcia MPP (V _mpp ) i prądu MPP (I _mpp ).

Tło

Fotowoltaiczne ogniwa słoneczne IV krzywe, w których linia przecina kolano krzywych, w których znajduje się punkt maksymalnego transferu mocy.

Ogniwa fotowoltaiczne mają złożony związek między środowiskiem pracy a maksymalną mocą, jaką mogą wytworzyć. Współczynnik wypełnienia , w skrócie FF , jest parametrem charakteryzującym nieliniowe zachowanie elektryczne ogniwa słonecznego. Współczynnik wypełnienia jest definiowany jako stosunek maksymalnej mocy z ogniwa słonecznego do iloczynu napięcia _jałowego V _oc i prądu zwarciowego I _sc . W danych tabelarycznych jest często używany do oszacowania maksymalnej mocy, jaką ogniwo może zapewnić przy optymalnym obciążeniu w danych warunkach, P=FF*V _oc *I _sc . Dla większości celów FF, V _oc i I _sc są wystarczającą informacją, aby dać użyteczny przybliżony model zachowania elektrycznego ogniwa fotowoltaicznego w typowych warunkach.

Dla dowolnego zestawu warunków pracy ogniwa mają jeden punkt pracy, w którym wartości prądu ( I ) i napięcia ( V ) ogniwa dają maksymalną moc wyjściową. Wartości te odpowiadają określonej rezystancji obciążenia , która jest równa V /I zgodnie z prawem Ohma . Moc P jest dana przez P=V*I . Ogniwo fotowoltaiczne przez większość swojej krzywej użytkowej działa jako źródło prądu stałego . Jednak w obszarze MPP ogniwa fotowoltaicznego jego krzywa ma w przybliżeniu odwrotną wykładniczą zależność między prądem a napięciem. Z podstawowej teorii obwodów, moc dostarczana z lub do urządzenia jest optymalizowana, gdy pochodna (graficznie nachylenie) dI/dV krzywej IV jest równa i przeciwna do stosunku I/V (gdzie d P/dV =0). Jest to znane jako maksymalny punkt mocy (MPP) i odpowiada „kolanowi” krzywej.

Obciążenie o rezystancji R=V/I równej odwrotności tej wartości pobiera maksymalną moc z urządzenia. Nazywa się to czasem „odpornością charakterystyczną” komórki. Jest to wielkość dynamiczna, która zmienia się w zależności od poziomu oświetlenia, a także innych czynników, takich jak temperatura i wiek ogniwa. Jeśli rezystancja jest niższa lub wyższa od tej wartości, pobierana moc będzie mniejsza niż maksymalna dostępna, a zatem ogniwo nie będzie wykorzystywane tak wydajnie, jak mogłoby być. Urządzenia do śledzenia punktu maksymalnej mocy wykorzystują różne typy obwodów sterujących lub logiki do wyszukiwania tego punktu, a tym samym umożliwiają obwodowi konwertera wydobycie maksymalnej mocy dostępnej z komórki.

Krzywa napięcia zasilania (P -V)

Jeśli dostępna jest pełna krzywa napięcia zasilania (P-V), maksymalny punkt mocy można uzyskać za pomocą metody bisekcji .

Realizacja

Gdy obciążenie jest bezpośrednio podłączone do panelu słonecznego, punkt pracy panelu rzadko będzie miał szczytową moc. Impedancja widziana przez panel określa punkt pracy panelu słonecznego. W ten sposób zmieniając impedancję widzianą przez panel, punkt pracy można przesunąć w kierunku punktu mocy szczytowej. Ponieważ panele są urządzeniami prądu stałego, konwertery DC-DC muszą być wykorzystywane do przekształcania impedancji jednego obwodu (źródła) na drugi obwód (obciążenie). Zmiana współczynnika wypełnienia konwertera DC-DC powoduje zmianę impedancji widzianą przez panel. Przy określonej impedancji (tj. współczynniku wypełnienia) punkt pracy będzie w punkcie szczytowego transferu mocy. Krzywa IV panelu może się znacznie różnić w zależności od warunków atmosferycznych, takich jak napromieniowanie i temperatura. Dlatego nie jest możliwe ustalenie współczynnika wypełnienia przy tak dynamicznie zmieniających się warunkach pracy.

Implementacje MPPT wykorzystują algorytmy, które często próbkują napięcia i prądy panelu, a następnie w razie potrzeby dostosowują współczynnik wypełnienia. Do implementacji algorytmów wykorzystywane są mikrokontrolery. Nowoczesne wdrożenia często wykorzystują większe komputery do analiz i prognozowania obciążenia.

Klasyfikacja

Kontrolery mogą stosować kilka strategii, aby zoptymalizować moc wyjściową tablicy. Śledzenie punktu maksymalnej mocy może implementować różne algorytmy i przełączać się między nimi w oparciu o warunki pracy tablicy.

Niepokój i obserwuj

W tej metodzie kontroler dostosowuje napięcie o niewielką wartość z tablicy i mierzy moc; jeśli moc wzrasta, próbuje się dalszych regulacji w tym kierunku, aż moc przestanie wzrastać. Nazywa się to metodą zaburz i obserwuj i jest najbardziej powszechna, chociaż ta metoda może powodować oscylacje mocy wyjściowej. Nazywa się to metodą wspinania się pod górę , ponieważ zależy od wzrostu krzywej mocy względem napięcia poniżej punktu mocy maksymalnej i spadku powyżej tego punktu. Zaburzaj i obserwuj jest najczęściej stosowaną metodą MPPT ze względu na łatwość jej implementacji. Metoda Perturb and Observe może skutkować najwyższą wydajnością, pod warunkiem, że zostanie przyjęta odpowiednia predykcyjna i adaptacyjna strategia wspinania się na wzniesienia.

Przewodność przyrostowa

W metodzie konduktancji przyrostowej sterownik mierzy przyrostowe zmiany prądu i napięcia panelu fotowoltaicznego w celu przewidzenia wpływu zmiany napięcia. Ta metoda wymaga więcej obliczeń w sterowniku, ale może śledzić zmieniające się warunki szybciej niż metoda perturb i obserwacji (P&O). W przeciwieństwie do algorytmu P&O nie powoduje oscylacji mocy wyjściowej. Ta metoda wykorzystuje przyrostową przewodność ( ) układu fotowoltaicznego do obliczenia znaku zmiany mocy w odniesieniu do napięcia ( ). Metoda konduktancji przyrostowej oblicza maksymalny punkt mocy przez porównanie konduktancji przyrostowej ( ) z konduktancją tablicy ( ). Gdy te dwa są takie same ( ), napięcie wyjściowe jest napięciem MPP. Sterownik utrzymuje to napięcie do momentu zmiany napromieniowania i powtórzenia procesu. ${\ Displaystyle dI/dV}$ ${\ Displaystyle dP/dV}$ ${\ Displaystyle I_ {\ Delta}/V_ {\ Delta}}$ ${\ Displaystyle I/V}$ ${\ Displaystyle I / V = I_ {\ Delta} / V_ {\ Delta}}$

Metoda konduktancji przyrostowej opiera się na obserwacji, że w punkcie maksymalnej mocy i że . Prąd z tablicy można wyrazić jako funkcję napięcia: . Dlatego . Ustawienie tego równego zerowej wydajności: . Dlatego maksymalny punkt mocy osiąga się, gdy konduktancja przyrostowa jest równa ujemnej konduktancji chwilowej. Z charakterystyki krzywej moc-napięcie wynika również, że: gdy napięcie jest mniejsze od maksymalnego punktu mocy, , więc ; gdy napięcie jest większe niż maksymalny punkt mocy, lub . W ten sposób tracker MPP może wiedzieć, gdzie znajduje się na krzywej moc-napięcie, obliczając zależność zmiany prądu/napięcia i samego napięcia prądu. ${\ Displaystyle dP/dV = 0}$ ${\ Displaystyle P = IV}$ ${\ Displaystyle P = I (V) V}$ ${\ Displaystyle dP / dV = VdI / dV + I (V)}$ ${\ Displaystyle dI / dV = -I (V) / V}$ ${\ Displaystyle dP/dV> 0}$ ${\ Displaystyle dI/dV>-I/V}$ ${\ Displaystyle dP/dV<0}$ ${\ Displaystyle dI/dV<-I/V}$

Aktualne zamiatanie

Metoda przemiatania prądu wykorzystuje kształt fali przemiatania prądu panelu fotowoltaicznego w taki sposób, że charakterystyka IV panelu fotowoltaicznego jest uzyskiwana i aktualizowana w stałych odstępach czasu. Maksymalne napięcie punktu mocy można następnie obliczyć z krzywej charakterystycznej w tych samych odstępach czasu.

Stałe napięcie

Termin „stałe napięcie” w śledzeniu MPP jest używany do opisania różnych technik przez różnych autorów, w których napięcie wyjściowe jest regulowane do stałej wartości we wszystkich warunkach i w której napięcie wyjściowe jest regulowane w oparciu o stały stosunek do zmierzone napięcie w obwodzie otwartym ( ). Ta ostatnia technika jest przez niektórych autorów nazywana metodą „napięcia otwartego”. Jeśli napięcie wyjściowe jest utrzymywane na stałym poziomie, nie ma próby śledzenia punktu maksymalnej mocy, więc nie jest to technika śledzenia punktu maksymalnej mocy w ścisłym tego słowa znaczeniu, chociaż ma pewne zalety w przypadkach, gdy śledzenie MPP ma tendencję do niepowodzenia, i dlatego jest czasami używany jako uzupełnienie metody MPPT. W metodzie MPPT „stałego napięcia” (znanej również jako „metoda napięcia otwartego”) moc dostarczana do obciążenia jest chwilowo przerywana i mierzone jest napięcie w obwodzie otwartym przy zerowym prądzie. Następnie sterownik wznawia pracę z napięciem kontrolowanym przy stałym współczynniku, takim jak 0,76, napięcia obwodu otwartego . Jest to zwykle wartość, która została określona jako punkt maksymalnej mocy, empirycznie lub na podstawie modelowania, dla oczekiwanych warunków pracy. Punkt pracy panelu fotowoltaicznego jest zatem utrzymywany w pobliżu MPP poprzez regulację napięcia panelu i dopasowywanie go do ustalonego napięcia odniesienia . Wartość można również wybrać tak, aby zapewnić optymalną wydajność w stosunku do innych czynników, jak również MPP, ale główną ideą tej techniki jest to, że określa się ją jako stosunek do . Jednym z nieodłącznych przybliżeń w metodzie „stałego napięcia” jest to, że stosunek napięcia MPP do jest tylko w przybliżeniu stały, co pozostawia miejsce na dalszą możliwą optymalizację. ${\ Displaystyle V_ {OC}}$ ${\ Displaystyle V_ {OC}}$ ${\ Displaystyle V_ {ref} = kV_ {OC}}$ $V_{ref}$ $V_{ref}$ ${\ Displaystyle V_ {OC}}$ ${\ Displaystyle V_ {OC}}$

Metoda temperatury

Ta metoda MPPT szacuje napięcie MPP ( ), mierząc temperaturę modułu słonecznego i porównując ją z wartością odniesienia. Ponieważ zmiany poziomu napromieniowania mają znikomy wpływ na maksymalne napięcie punktu mocy, jego wpływy można zignorować – zakłada się, że napięcie zmienia się liniowo wraz ze zmianami temperatury. $V_{mpp}$

Algorytm ten oblicza następujące równanie:

${\ Displaystyle V_ {mpp} (T) = V_ {mpp} (T_ {ref}) + u_ {V_ {mpp}} (T-T_ {ref})}$

Gdzie:

$V_{mpp}$ jest napięciem w punkcie maksymalnej mocy dla danej temperatury;

$T_{ref}$ jest temperaturą odniesienia;

$T$ jest zmierzoną temperaturą;

$u_{V_{mpp}}$ to współczynnik temperaturowy (dostępny w arkuszu danych ). $V_{mpp}$

Zalety

Prostota: ten algorytm rozwiązuje jedno równanie liniowe. Dlatego nie zużywa dużo mocy obliczeniowej.
Może być zaimplementowany jako obwód analogowy lub cyfrowy.
Ponieważ temperatura zmienia się powoli w czasie, nie ma oscylacji stanu ustalonego i niestabilności.
Niski koszt: czujniki temperatury są zwykle bardzo tanie.
Odporny na hałas .

Niedogodności

Błąd oszacowania może nie być bez znaczenia dla niskich poziomów napromieniowania (np. poniżej 200 W/m ² ).

Porównanie metod

Zarówno zakłócenie, jak i obserwacja oraz przewodność przyrostowa są przykładami metod „wspinania się pod górę”, które mogą znaleźć lokalne maksimum krzywej mocy dla warunków pracy panelu fotowoltaicznego, a tym samym zapewnić prawdziwy maksymalny punkt mocy.

Metoda zaburzania i obserwacji wymaga oscylowania mocy wyjściowej wokół maksymalnego punktu mocy, nawet przy napromieniowaniu w stanie ustalonym.

Metoda przewodności przyrostowej ma tę przewagę nad metodą perturb and Observe (P&O), że pozwala określić maksymalny punkt mocy bez oscylowania wokół tej wartości. Może wykonywać śledzenie punktu maksymalnej mocy w szybko zmieniających się warunkach napromieniowania z większą dokładnością niż metoda perturb i obserwacja. Jednak metoda przewodności przyrostowej może powodować oscylacje (nieumyślnie) i może działać nieregularnie w szybko zmieniających się warunkach atmosferycznych. Częstotliwość próbkowania jest zmniejszona ze względu na większą złożoność algorytmu w porównaniu z metodą P&O.

W metodzie stałego współczynnika napięcia (lub „napięcia otwartego”) prąd z układu fotowoltaicznego musi być chwilowo ustawiony na zero, aby zmierzyć napięcie w obwodzie otwartym, a następnie ustawić na z góry określony procent mierzonego napięcia, zwykle około 76%. Energia może zostać zmarnowana w czasie, gdy prąd jest ustawiony na zero. Przybliżenie 76% jako stosunek niekoniecznie jest dokładne. Chociaż proste i tanie w implementacji, przerwy zmniejszają wydajność matrycy i nie zapewniają znalezienia rzeczywistego maksymalnego punktu mocy. Jednak sprawność niektórych systemów może sięgać powyżej 95%. ${\ Displaystyle V_ {MPP} / V_ {OC}}$

Umieszczenie MPPT

Tradycyjne falowniki fotowoltaiczne wykonują MPPT dla całego układu fotowoltaicznego (skojarzenia modułów) jako całości. W takich systemach ten sam prąd, dyktowany przez falownik, przepływa przez wszystkie moduły w ciągu (seria). Ponieważ różne moduły mają różne krzywe IV i różne MPP (z powodu tolerancji produkcyjnej, częściowego zacienienia itp.), ta architektura oznacza, że niektóre moduły będą działać poniżej ich MPP, co skutkuje niższą wydajnością.

Niektóre firmy (patrz optymalizator mocy ) umieszczają teraz śledzenie maksymalnego punktu mocy w poszczególnych modułach, dzięki czemu każdy może działać ze szczytową wydajnością pomimo nierównomiernego zacienienia, zabrudzenia lub niedopasowania elektrycznego.

Dane sugerują, że posiadanie jednego falownika z jednym MPPT dla projektu, który ma identyczną liczbę modułów skierowanych na wschód i zachód, nie przedstawia żadnych wad w porównaniu z posiadaniem dwóch falowników lub jednego falownika z więcej niż jednym MPPT.

Praca z bateriami

W nocy system fotowoltaiczny poza siecią może wykorzystywać baterie do zasilania odbiorników. Chociaż napięcie w pełni naładowanego akumulatora może być zbliżone do maksymalnego napięcia punktu zasilania panelu fotowoltaicznego, jest to mało prawdopodobne o wschodzie słońca, gdy akumulator został częściowo rozładowany. Ładowanie może rozpocząć się przy napięciu znacznie niższym od maksymalnego napięcia punktu zasilania panelu fotowoltaicznego, a MPPT może rozwiązać ten problem.

Gdy akumulatory w systemie poza siecią są w pełni naładowane, a produkcja fotowoltaiczna przekracza lokalne obciążenia, MPPT nie może już obsługiwać panelu z maksymalnym punktem mocy, ponieważ nadmiar mocy nie ma obciążenia, aby ją wchłonąć. MPPT musi następnie przesunąć punkt pracy panelu fotowoltaicznego z dala od punktu mocy szczytowej, aż produkcja będzie dokładnie odpowiadać zapotrzebowaniu. (Alternatywnym podejściem powszechnie stosowanym w statkach kosmicznych jest przekierowanie nadwyżki energii fotowoltaicznej na obciążenie rezystancyjne, dzięki czemu panel może działać nieprzerwanie w punkcie szczytowej mocy, aby panel był jak najchłodniejszy.)

W systemie fotowoltaicznym podłączonym do sieci cała energia dostarczana z modułów słonecznych zostanie wysłana do sieci. Dlatego MPPT w systemie fotowoltaicznym podłączonym do sieci zawsze będzie próbował obsługiwać moduły fotowoltaiczne przy maksymalnym punkcie mocy.

Bibliografia

Dalsza lektura

Białasiewicz, JT (lipiec 2008). „Systemy energii odnawialnej z generatorami energii fotowoltaicznej: działanie i modelowanie”. Transakcje IEEE dotyczące elektroniki przemysłowej . 55 (7): 2752–2758. doi : 10.1109/TIE.2008.920583 . S2CID 20144161 .
Poponi, Daniele (kwiecień 2003). „Analiza ścieżek dyfuzji dla technologii fotowoltaicznej na podstawie krzywych doświadczenia”. Energia słoneczna . 74 (4): 331-340. Kod Bibcode : 2003SoEn...74..331P . doi : 10.1016/S0038-092X(03)00151-8 .
Markvart, Tomasz, wyd. (lipiec 2000). Energia słoneczna (wyd. 2). Wileya. s. 298 . Numer ISBN 978-0-471-98852-6.

Zewnętrzne linki

Multimedia związane z śledzeniem maksymalnego punktu mocy w Wikimedia Commons

MPPT tracker autorstwa Daniela F. Butay ( oparty na Microchip PIC )

Languages

In other projects