Введение

Метод извлечения энергии из солнечных элементов

Максимальное отслеживание точки мощности (MPPT), или иногда просто отслеживание точки мощности (PPT), – это техника, используемая с источниками переменной мощности для максимизации извлечения энергии при изменении условий. Эта техника наиболее часто применяется с фотоэлектрическими (PV) солнечными системами, но также может использоваться с ветровыми турбинами, оптической передачей энергии и термофотоэлектрическими преобразователями. Фотоэлектрические солнечные системы имеют различные связи с инверторными системами, внешними сетями, аккумуляторными батареями и другими электрическими нагрузками. Основная проблема, решаемая MPPT, заключается в том, что эффективность передачи энергии от солнечного элемента зависит от количества доступного солнечного света, затенения, температуры солнечной панели и электрических характеристик нагрузки. По мере изменения этих условий изменяется характеристика нагрузки (импеданс), обеспечивающая максимальную передачу мощности. Система оптимизируется, когда характеристика нагрузки изменяется для поддержания максимальной эффективности передачи энергии. Эта оптимальная характеристика нагрузки называется точкой максимальной мощности (MPP). MPPT – это процесс корректировки характеристики нагрузки по мере изменения условий. Схемы могут быть разработаны для подачи оптимальных нагрузок на фотоэлектрические элементы, а затем преобразования напряжения, тока или частоты для соответствия другим устройствам или системам. Нелинейная зависимость между температурой и общим сопротивлением солнечных элементов может быть проанализирована на основе вольт-амперной характеристики (I–V) и характеристики мощности-напряжения (P–V). MPPT измеряет выходную мощность элемента и применяет соответствующее сопротивление (нагрузку) для получения максимальной мощности. Устройства MPPT обычно интегрированы в систему преобразователя электрической мощности, которая обеспечивает преобразование напряжения или тока, фильтрацию и регулирование для питания различных нагрузок, включая электросети, аккумуляторы или двигатели. Солнечные инверторы преобразуют постоянный ток в переменный и могут включать в себя MPPT. Мощность в точке MPP (Pmpp) является произведением напряжения в точке MPP (Vmpp) и тока в точке MPP (Impp). В общем случае, характеристика P–V частично затененного солнечного массива может иметь несколько пиков, и некоторые алгоритмы могут застрять в локальном максимуме, а не в глобальном максимуме характеристики.

Предыстория

Фотоэлектрические элементы демонстрируют сложную зависимость между условиями их эксплуатации и вырабатываемой мощностью. Фактор заполнения (FF) характеризует нелинейное электрическое поведение элемента. Фактор заполнения определяется как отношение максимальной мощности, выдаваемой элементом, к произведению напряжения холостого хода Voc и тока короткого замыкания Isc. Табличные данные часто используются для оценки максимальной мощности, которую элемент может обеспечить при оптимальной нагрузке в заданных условиях.

Для большинства задач достаточно информации о FF, Voc и Isc, чтобы получить полезное приближение электрического поведения элемента в типичных условиях. При заданном наборе условий у элементов есть единственная рабочая точка, в которой значения тока (I) и напряжения (V) элемента обеспечивают максимальную выходную мощность. Эти значения соответствуют определенному сопротивлению нагрузки, равному V/I, согласно закону Ома. Мощность P определяется как P=V I. На большей части своей полезной характеристики фотоэлектрический элемент ведет себя как источник постоянного тока. Однако в области MPP (точки максимальной мощности) его характеристика имеет приблизительно обратную экспоненциальную зависимость между током и напряжением. Согласно базовой теории цепей, мощность, передаваемая устройству, оптимизируется (MPP) в точке, где производная (графически – наклон) dI/dV вольт-амперной характеристики (I V) равна и противоположна отношению I/V (где dP/dV=0) и соответствует "колену" характеристики. Нагрузка с сопротивлением R=V/I, равным обратной величине этого значения, извлекает максимальную мощность из устройства. Это иногда называют "характерным сопротивлением" элемента. Это динамическая величина, которая изменяется в зависимости от уровня освещенности, а также других факторов, таких как температура и состояние элемента. Слишком низкое или слишком высокое сопротивление снижает выходную мощность. Отслеживатели точки максимальной мощности используют схемы управления или логику для определения этой точки. Если доступна полная кривая мощности напряжения (P V), то точка максимальной мощности может быть получена методом бисекции.

Реализация

При непосредственном подключении нагрузки к элементу, рабочая точка панели редко соответствует максимальной мощности. Импеданс, который видит панель, определяет её рабочую точку. Правильная настройка импеданса позволяет достичь максимальной мощности. Поскольку панели являются устройствами постоянного тока, DC-DC преобразователи преобразуют импеданс одной цепи (источника) в другую цепь (нагрузку). Изменение коэффициента заполнения DC-DC преобразователя изменяет импеданс (коэффициент заполнения), воспринимаемый элементом. На вольт-амперную характеристику панели могут существенно влиять атмосферные условия, такие как освещенность и температура. Алгоритмы MPPT часто измеряют напряжение и ток панели, а затем соответствующим образом регулируют коэффициент заполнения. Микроконтроллеры реализуют эти алгоритмы. Современные реализации часто используют более мощные компьютеры для анализа данных и прогнозирования нагрузки.

Классификация

Контроллеры могут использовать различные стратегии для оптимизации выходной мощности. MPPT могут переключаться между несколькими алгоритмами в зависимости от текущих условий.

Беспокоить и наблюдать

При этом методе контроллер незначительно изменяет напряжение, выдаваемое массивом, и измеряет мощность. Если мощность увеличивается, дальнейшие изменения в том же направлении продолжаются до тех пор, пока мощность перестает расти. Этот метод называется методом возмущений и наблюдения (P&O) и является наиболее распространенным, хотя он может вызывать колебания выходной мощности. Его также называют методом восхождения на холм, поскольку он основан на возрастании зависимости мощности от напряжения ниже точки максимальной мощности и убывании выше этой точки. Метод возмущений и наблюдения наиболее часто используется благодаря простоте реализации. Применение эффективной прогностической и адаптивной стратегии восхождения на холм позволяет достичь максимальной эффективности с помощью метода возмущений и наблюдения.

Прирастающая проводимость

В этом методе контроллер измеряет инкрементные изменения тока и напряжения для предсказания эффекта изменения напряжения. Этот метод требует больше вычислительных ресурсов от контроллера, но способен отслеживать изменяющиеся условия быстрее, чем метод возмущения и наблюдения (P&O). Выходная мощность не подвержена колебаниям. Он использует инкрементную проводимость фотоэлектрического массива для вычисления знака изменения мощности относительно напряжения. Метод инкрементной проводимости вычисляет точку максимальной мощности (MPP) путем сравнения инкрементной проводимости с проводимостью массива. Когда эти два значения совпадают, выходное напряжение соответствует напряжению MPP. Контроллер поддерживает это напряжение до изменения уровня освещенности, после чего процесс повторяется. Метод инкрементной проводимости основан на наблюдении, что в точке MPP, , и что ток от массива может быть выражен как функция напряжения: Следовательно, приравнивая это к нулю, получаем: Таким образом, MPP достигается, когда инкрементная проводимость равна отрицательной величине мгновенной проводимости. Характеристика зависимости мощности от напряжения показывает, что: когда напряжение меньше напряжения MPP, , следовательно ; когда напряжение больше напряжения MPP, или Таким образом, отслеживатель может определить свое положение на кривой зависимости мощности от напряжения, вычисляя соотношение между изменением тока/напряжения и самим током/напряжением.

Текущее промывание

Текущий метод прохода использует форму сигнала тока для массива, позволяющую получать и обновлять вольт-амперную характеристику фотоэлектрического массива через фиксированные промежутки времени. Напряжение точки максимальной мощности (MPP) затем вычисляется по этой характеристической кривой в те же промежутки времени.

Преимущества

Простота: этот алгоритм решает одно линейное уравнение. Следовательно, он требует малых вычислительных затрат. Может быть реализован как аналоговая, так и цифровая схема. Поскольку температура изменяется медленно во времени, колебания и неустойчивость не имеют значения. Низкая стоимость: датчики температуры обычно недороги. Устойчив к шумам.

Недостатки

Ошибка оценки может быть существенной при низких уровнях освещенности (например, ниже 200 Вт/м2).

Сравнение методов

И P&O, и метод инкрементальной проводимости — примеры методов "восхождения на холм", способных находить локальный максимум кривой мощности для текущих условий работы массива и, следовательно, обеспечивать истинную точку максимальной мощности (MPP). (и т.д.) Такая архитектура означает, что некоторые модули будут работать с эффективностью ниже максимальной, что приводит к потерям. Вместо этого можно использовать отдельные MPPT-преобразователи для каждого модуля, позволяя каждому из них работать на пике эффективности, несмотря на неравномерное затенение, загрязнение или электрическое несоответствие. Данные свидетельствуют о том, что использование одного инвертора с одним MPPT для проекта с одинаковым количеством модулей, ориентированных на восток и запад, не имеет недостатков по сравнению с использованием двух инверторов или одного инвертора с несколькими MPPT.

Работает на батарейке

В ночное время автономная фотоэлектрическая система может использовать аккумуляторы для питания нагрузки. Хотя напряжение полностью заряженного аккумуляторного блока может быть близко к напряжению точки максимальной мощности (MPP) фотоэлектрической панели, это маловероятно на рассвете, когда аккумулятор частично разряжен. Зарядка может начинаться при напряжении, значительно ниже напряжения MPP фотоэлектрической панели, и MPPT-контроллер может решить эту проблему несоответствия. Когда аккумуляторы полностью заряжены, а выработка фотоэлектрической энергии превышает местные нагрузки, MPPT-контроллер больше не может поддерживать работу панели в точке MPP, поскольку избыточная мощность не имеет нагрузки для поглощения. В этом случае MPPT-контроллер должен сместить рабочую точку фотоэлектрической панели от точки максимальной мощности до тех пор, пока выработка не будет соответствовать потреблению. (Альтернативный подход, часто используемый в космических аппаратах, заключается в перенаправлении избыточной мощности фотоэлектрической системы в резистивную нагрузку, что позволяет панели непрерывно работать в точке максимальной мощности для поддержания её максимально низкой температуры.) В системе, подключенной к сети, вся вырабатываемая солнечными модулями мощность направляется в сеть. Следовательно, MPPT-контроллер в сетевой системе всегда стремится работать в точке MPP.