Suurimman tehopisteen seuranta - Maximum power point tracking

Suurin tehopisteen seuranta ( MPPT ) tai joskus vain tehopisteen seuranta ( PPT ) on tekniikka, jota käytetään vaihtelevan tehon lähteiden kanssa maksimoimaan energianotto kaikissa olosuhteissa. Tekniikkaa käytetään yleisimmin aurinkosähköjärjestelmissä (PV), mutta sitä voidaan käyttää myös tuuliturbiinien, optisen voimansiirron ja lämpösäteilyn kanssa .

Aurinkosähköjärjestelmiä on olemassa monissa eri kokoonpanoissa suhteessa invertterijärjestelmiin, ulkoisiin verkkoihin, akkupankkeihin tai muihin sähköisiin kuormituksiin. Riippumatta aurinkovoiman lopullisesta määräpaikasta, MPPT: n keskeinen ongelma on se, että aurinkokennon tehonsiirron tehokkuus riippuu aurinkopaneeleihin putoavan auringonvalon määrästä, aurinkopaneelin lämpötilasta ja sähköisistä ominaisuuksista. kuormaa . Näiden olosuhteiden muuttuessa kuormitusominaisuus, joka antaa suurimman voimansiirtotehokkuuden, muuttuu. Järjestelmän tehokkuus optimoidaan, kun kuormitusominaisuudet muuttuvat, jotta voimansiirto pysyy suurimmalla hyötysuhteella. Tätä kuormitusominaisuutta kutsutaan maksimitehoksi (MPP). MPPT on prosessi löytää tämä piste ja pitää kuormitusominaisuudet siellä. Sähköpiirit voidaan suunnitella esittämään mielivaltaisia ​​kuormia aurinkokennoille ja muuntamaan sitten jännite, virta tai taajuus sopimaan muihin laitteisiin tai järjestelmiin, ja MPPT ratkaisee ongelman valita paras kuorma, joka esitetään kennoille saadakseen käyttökelpoisin virtalähde.

Aurinkokennoilla on monimutkainen suhde lämpötilan ja kokonaisvastuksen välillä, mikä tuottaa epälineaarisen tehon, joka voidaan analysoida IV-käyrän perusteella . MPPT -järjestelmän tarkoituksena on ottaa näytteitä PV -kennojen ulostulosta ja soveltaa oikeaa vastusta (kuormitusta) maksimaalisen tehon saamiseksi kaikissa olosuhteissa. MPPT -laitteet on tyypillisesti integroitu sähkötehon muunninjärjestelmään , joka tarjoaa jännitteen tai virran muuntamisen, suodattamisen ja säätelyn eri kuormien, mukaan lukien sähköverkot, akut tai moottorit, ajamiseen.

  • Aurinkosuuntaajat muuntavat tasavirran verkkovirtaksi ja voivat sisältää MPPT: tällaiset invertterit ottavat näytteen aurinkomoduulien lähtötehosta (IV -käyrä) ja kohdistavat oikean vastuksen (kuormituksen) maksimaalisen tehon saavuttamiseksi.
  • Teho MPP: ssä (P mpp ) on MPP -jännitteen (V mpp ) ja MPP -virran (I mpp ) tulo .

Tausta

Aurinkosähkö aurinkokennon IV käyrät, joissa viiva leikkaa niiden käyrien polven, joissa suurin tehonsiirtopiste sijaitsee.

Aurinkokennojen on monimutkainen suhde niiden toimintaympäristön ja suurimman tehon ne voivat tuottaa. Täyttöaste , lyhennettynä FF , on parametri, joka luonnehtii epälineaarinen sähköinen käyttäytyminen aurinkokennon. Täyttökerroin määritellään aurinkokennon maksimitehon suhteena avoimen piirijännitteen V oc ja oikosulkuvirran I sc tuloon . Taulukkotiedoissa sitä käytetään usein arvioimaan suurin teho, jonka solu voi tarjota optimaalisella kuormalla tietyissä olosuhteissa, P = FF *V oc *I sc . Useimmissa tapauksissa FF, V oc ja I sc ovat riittävät tiedot antamaan hyödyllisen likimääräisen mallin aurinkokennon sähköisestä käyttäytymisestä tyypillisissä olosuhteissa.

Minkä tahansa tietyn joukko toimintaolosuhteita, soluilla on yksi toimintapiste, jossa arvot virta ( I ) ja jännite ( V ) solun johtaa suurin teho tuotos. Nämä arvot vastaavat kuorman resistanssi , joka on yhtä suuri kuin V / I määritelty Ohmin lain . Tehon P antaa P = V*I . Aurinkokenno toimii suurimman osan hyödyllisestä käyrästä vakiovirtalähteenä . Valosähköisen kennon MPP -alueella sen käyrällä on kuitenkin suunnilleen käänteinen eksponentiaalinen suhde virran ja jännitteen välillä. Peruspiiriteorian mukaan laitteesta tai laitteelle toimitettu teho optimoidaan, kun IV -käyrän derivaatta (graafisesti kaltevuus) dI/dV on sama ja vastakkainen I/V -suhteelle (jossa d P/dV = 0). Tätä kutsutaan enimmäistehopisteeksi (MPP) ja se vastaa käyrän "polvea".

Kuorma, jonka resistanssi R = V/I on yhtä suuri kuin tämän arvon käänteisarvo, saa maksimitehon laitteesta. Tätä kutsutaan joskus solun "ominaisresistanssiksi". Tämä on dynaaminen määrä, joka muuttuu valaistuksen tason sekä muiden tekijöiden, kuten lämpötilan ja solun iän, mukaan. Jos vastus on tätä arvoa pienempi tai suurempi, kulutettu teho on pienempi kuin käytettävissä oleva enimmäismäärä, joten kennoa ei käytetä niin tehokkaasti kuin se voisi olla. Suurimman tehon pistemittarit käyttävät erityyppisiä ohjauspiirejä tai logiikkaa etsimään tätä pistettä ja siten antamaan muuntopiirin ottaa talteen maksimitehon solusta.

Teho -jännite (P -V) -käyrä

Jos käytettävissä on täysi teho -jännite (P -V) -käyrä, suurin tehopiste voidaan saavuttaa puolittamalla .

Toteutus

Kun kuorma kytketään suoraan aurinkopaneeliin, paneelin käyttöpiste on harvoin huipputeholla. Paneelin näkemä impedanssi määrittää aurinkopaneelin toimintapisteen. Siten vaihtamalla paneelin näkemää impedanssia toimintapistettä voidaan siirtää kohti huipputehoa. Koska paneelit ovat DC-laitteita, DC-DC-muuntimia on käytettävä yhden piirin (lähteen) impedanssin muuntamiseen toiseen piiriin (kuorma). DC-DC-muuntimen käyttöasteen muuttaminen johtaa impedanssin muutokseen paneelin näkemänä. Tietyllä impedanssilla (eli käyttöasteella) käyttöpiste on tehonsiirtopisteessä. Paneelin IV -käyrä voi vaihdella huomattavasti ilmakehän olosuhteiden, kuten säteilytehon ja lämpötilan, mukaan. Siksi ei ole mahdollista vahvistaa käyttöastetta tällaisilla dynaamisesti muuttuvilla käyttöolosuhteilla.

MPPT -toteutukset käyttävät algoritmeja, jotka näytteistävät usein paneelijännitteitä ja -virtoja ja säätävät sitten käyttöastetta tarpeen mukaan. Mikro -ohjaimia käytetään algoritmien toteuttamiseen. Nykyaikaiset toteutukset käyttävät usein suurempia tietokoneita analytiikkaan ja kuormituksen ennustamiseen.

Luokitus

Ohjaimet voivat seurata useita strategioita ryhmän tehon optimoimiseksi. Suurin tehopistemittari voi toteuttaa erilaisia ​​algoritmeja ja vaihtaa niiden välillä taulukon käyttöolosuhteiden perusteella.

Perturb ja tarkkailla

Tässä menetelmässä ohjain säätää jännitettä pienellä määrällä taulukosta ja mittaa tehon; jos teho kasvaa, siihen kohdistetaan lisäsäätöjä, kunnes teho ei enää kasva. Tätä kutsutaan häiriö- ja tarkkailumenetelmäksi, ja se on yleisin, vaikka tämä menetelmä voi johtaa tehon heilahteluihin. Sitä kutsutaan mäen kiipeilymenetelmäksi , koska se riippuu tehokäyrän noususta jännitettä vastaan ​​maksimitehoalueen alapuolelle ja pudotuksesta tämän pisteen yläpuolelle. Perturb and observ on yleisimmin käytetty MPPT -menetelmä sen helppokäyttöisyyden vuoksi. Perturb- ja tarkkailumenetelmä voi johtaa huipputason tehokkuuteen edellyttäen, että hyväksytään oikea ennustava ja mukautuva mäkihyppystrategia.

Kasvava johtavuus

Inkrementaalisessa konduktanssimenetelmässä ohjain mittaa PV -matriisin virran ja jännitteen lisämuutoksia ennustaakseen jännitteenmuutoksen vaikutuksen. Tämä menetelmä vaatii enemmän laskentaa ohjaimessa, mutta voi seurata muuttuvia olosuhteita nopeammin kuin häiriö- ja tarkkailumenetelmä (P&O). Toisin kuin P&O -algoritmi, se ei aiheuta värähtelyjä teholähteessä. Tämä menetelmä käyttää aurinkosähkömatriisin inkrementaalista johtavuutta ( ) laskettaessa tehonmuutoksen merkki suhteessa jännitteeseen ( ). Inkrementaalinen johtavuusmenetelmä laskee suurimman tehopisteen vertaamalla inkrementaalista johtavuutta ( ) taulukon johtavuuteen ( ). Kun nämä kaksi ovat samat ( ), lähtöjännite on MPP -jännite. Säädin ylläpitää tätä jännitettä, kunnes säteilytys muuttuu ja prosessi toistetaan.

Inkrementaalinen johtavuusmenetelmä perustuu havaintoon, että suurimmalla tehopisteellä , ja että . Nykyisen jonosta voidaan ilmaista funktiona jännitteen: . Siksi , . Tämän asettaminen nollaksi : . Siksi suurin tehopiste saavutetaan, kun inkrementaalinen johtavuus on yhtä suuri kuin hetkellisen johtavuuden negatiivinen. Teho-jännite-käyrän ominaispiirteet osoittavat myös, että: kun jännite on pienempi kuin suurin tehopiste,, niin ; kun jännite on suurempi kuin suurin tehopiste, tai . Siten MPP-seuranta voi tietää, missä se on teho-jännite-käyrällä laskemalla virran/jännitteen muutoksen ja itse jännitteen suhteen.

Nykyinen pyyhkäisy

Nykyinen pyyhkäisymenetelmä käyttää pyyhkäisyaaltomuotoa PV -matriisivirralle siten, että PV -ryhmän IV -ominaisuus saadaan ja päivitetään kiinteinä aikaväleinä. Suurin tehopistejännite voidaan sitten laskea ominaiskäyrästä samoin aikavälein.

Jatkuva jännite

Termiä "vakiojännite" MPP -seurannassa käytetään kuvaamaan eri tekijöiden erilaisia ​​tekniikoita, joista yksi, jossa lähtöjännite on säädetty vakioarvoon kaikissa olosuhteissa, ja toinen, jossa lähtöjännitettä säädetään vakion suhteen perusteella mitattu avoimen piirin jännite ( ). Jälkimmäiseen tekniikkaan viitataan sitä vastoin joidenkin kirjoittajien "avoimen jännitteen" menetelmällä. Jos lähtöjännite pidetään vakiona, enimmäisvoimapistettä ei yritetä seurata, joten se ei ole maksimitehon seuranta tekniikka tiukassa mielessä, vaikka sillä on joitain etuja tapauksissa, joissa MPP -seuranta pyrkii epäonnistumaan, ja siksi sitä käytetään joskus MPPT -menetelmän täydentämiseen. "Vakiojännitteisessä" MPPT-menetelmässä (tunnetaan myös nimellä "avoimen jännitteen menetelmä") kuormalle syötetty teho keskeytetään hetkellisesti ja mitataan avoimen piirin jännite nollavirralla. Ohjain jatkaa sitten toimintaa jännitteellä, jota säädetään kiinteällä suhteella, kuten 0,76, avoimen piirin jännitteellä . Tämä on yleensä arvo, joka on määritetty maksimitehopisteeksi joko empiirisesti tai mallinnuksen perusteella odotettavissa olevissa käyttöolosuhteissa. PV -matriisin toimintapiste pidetään siten lähellä MPP: tä säätämällä ryhmäjännitettä ja sovittamalla se kiinteään vertailujännitteeseen . Arvo voidaan valita myös antamaan optimaalinen suorituskyky suhteessa muihin tekijöihin sekä MPP: hen, mutta tämän tekniikan keskeinen idea on se, että se määritetään suhteena . Yksi "vakiojännite" -suhdemenetelmän luontaisista arvioista on , että MPP -jännitteen suhde on vain suunnilleen vakio, joten se jättää tilaa edelleen mahdolliselle optimoinnille.

Lämpötilamenetelmä

Tämä MPPT -menetelmä arvioi MPP -jännitteen ( ) mittaamalla aurinkomoduulin lämpötilan ja vertaamalla sitä vertailuarvoon. Koska säteilytystasojen muutoksilla on vähäinen vaikutus maksimipistejännitteeseen, sen vaikutukset voidaan jättää huomiotta - jännitteen oletetaan vaihtelevan lineaarisesti lämpötilan muutosten mukaan.

Tämä algoritmi laskee seuraavan yhtälön:

Missä:

on jännite tietyn lämpötilan maksimiteholla;

on vertailulämpötila;

on mitattu lämpötila;

on lämpötilakerroin (saatavana tietolomakkeessa ).

Edut

  • Yksinkertaisuus: Tämä algoritmi ratkaisee yhden lineaarisen yhtälön. Siksi se ei kuluta paljon laskentatehoa.
  • Voidaan toteuttaa analogisena tai digitaalisena piirinä.
  • Koska lämpötila vaihtelee hitaasti ajan myötä, vakaan tilan värähtelyä ja epävakautta ei esiinny.
  • Edullinen: lämpötila -anturit ovat yleensä erittäin halpoja.
  • Kestävä melua vastaan .

Haitat

  • Arviointivirhe ei välttämättä ole vähäinen pienillä säteilytasoilla (esim. Alle 200 W/m 2 ).

Menetelmien vertailu

Sekä häiriöt että havainnointi ja lisäjohtavuus ovat esimerkkejä "mäkihyppy" -menetelmistä, jotka voivat löytää paikallisen maksimitehon käyrän PV -matriisin käyttöolosuhteille ja siten tarjota todellisen maksimitehon.

Häiriö- ja tarkkailumenetelmä vaatii värähtelevää tehoa suurimman tehopisteen ympärillä jopa tasaisen tilan säteilyssä.

Inkrementaalisen johtavuuden menetelmällä on etuna häiriö- ja havainto (P&O) -menetelmään verrattuna, että se voi määrittää suurimman tehopisteen värähtelemättä tämän arvon ympärille. Se voi suorittaa suurimman tehopisteen seurannan nopeasti vaihtelevissa säteilyolosuhteissa tarkemmin kuin häiriö- ja tarkkailumenetelmä. Inkrementaalinen konduktanssimenetelmä voi kuitenkin aiheuttaa värähtelyjä (tahattomasti) ja voi toimia epäsäännöllisesti nopeasti muuttuvissa ilmakehän olosuhteissa. Näytteenottotaajuus pienenee, koska algoritmi on monimutkaisempi kuin P&O -menetelmä.

Vakiojännitesuhteen (tai "avoimen jännitteen") menetelmässä aurinkosähkövirrasta tuleva virta on asetettava hetkeksi nollaan avoimen piirijännitteen mittaamiseksi ja sen jälkeen asetettava ennalta määrättyyn prosenttiosuuteen mitatusta jännitteestä, yleensä noin 76%. Energiaa voi hukata ajan kuluessa, jolloin virta on asetettu nollaan. Arvio 76%, koska suhde ei välttämättä ole tarkka. Vaikka keskeytykset ovat yksinkertaisia ​​ja edullisia toteuttaa, ne vähentävät ryhmän tehokkuutta eivätkä takaa todellisen maksimitehon löytämistä. Joidenkin järjestelmien hyötysuhde voi kuitenkin nousta yli 95 prosenttiin.

MPPT -sijoitus

Perinteiset aurinko -invertterit suorittavat MPPT: n koko PV -ryhmälle (moduuliyhdistelmä) kokonaisuudessaan. Tällaisissa järjestelmissä sama virta, jonka invertteri määrää, virtaa kaikkien merkkijonon (sarjan) moduulien läpi. Koska eri moduuleilla on erilaiset IV -käyrät ja erilaiset MPP: t (johtuen valmistustoleranssista, osittaisesta varjostamisesta jne.), Tämä arkkitehtuuri tarkoittaa, että jotkin moduulit toimivat alle MPP: n, mikä heikentää tehokkuutta.

Jotkut yritykset (katso tehonoptimointityökalu ) asettavat nyt maksimiteho -pisteiden seurannan yksittäisiin moduuleihin, jolloin jokainen voi toimia parhaalla hyötysuhteella epätasaisesta varjostuksesta, likaantumisesta tai sähköisestä yhteensopimattomuudesta huolimatta.

Tiedot viittaavat siihen, että yhden invertterin ja yhden MPPT: n käyttö hankkeessa, jossa on sama määrä itään ja länteen päin olevia moduuleja, ei aiheuta haittaa verrattuna kahteen invertteriin tai yhteen invertteriin, jossa on enemmän kuin yksi MPPT.

Käyttö paristoilla

Yöllä, An off grid PV järjestelmä voi käyttää paristoja kuormia. Vaikka täyteen ladatun akun jännite voi olla lähellä PV -paneelin maksimitehojännitettä, tämä ei todennäköisesti pidä paikkaan auringonnousun aikana, kun akku on osittain tyhjentynyt. Lataus voi alkaa jännitteellä, joka on huomattavasti alle PV -paneelin maksimitehojännitteen, ja MPPT voi korjata tämän epäsuhteen.

Kun verkkovirran ulkopuolisen järjestelmän akut on ladattu täyteen ja PV-tuotanto ylittää paikalliset kuormat, MPPT ei voi enää käyttää paneelia suurimmalla tehopisteellä, koska ylimääräisellä teholla ei ole kuormitusta sen vastaanottamiseen. MPPT: n on sitten siirrettävä PV -paneelin käyttöpiste poispäin huipputeholta, kunnes tuotanto vastaa tarkasti kysyntää. (Vaihtoehtoinen lähestymistapa, jota yleisesti käytetään avaruusaluksissa, on siirtää ylimääräinen PV -teho resistiiviseen kuormaan, jolloin paneeli voi toimia jatkuvasti huipputehollaan, jotta paneeli pysyy mahdollisimman viileänä.)

Verkkoon yhdistetyssä aurinkokennojärjestelmässä kaikki aurinkomoduuleista saatu teho lähetetään verkkoon. Siksi verkkoon liitetyssä PV -järjestelmässä oleva MPPT yrittää aina käyttää PV -moduuleja maksimiteholla.

Viitteet

Lue lisää

Ulkoiset linkit

Media, joka liittyy Wikimedia Commonsin maksimitehon seurantalaitteeseen