Maksimal sporing af power point - Maximum power point tracking

Maximum power point tracking ( MPPT ) eller nogle gange bare power point tracking ( PPT ), er en teknik, der bruges med kilder med variabel effekt for at maksimere energiudvinding under alle forhold. Teknikken bruges mest med solcelleanlæg (PV), men kan også bruges med vindmøller, optisk kraftoverførsel og termofotovoltaik .

PV -solsystemer findes i mange forskellige konfigurationer med hensyn til deres forhold til inverter -systemer, eksterne net, batteribanker eller andre elektriske belastninger. Uanset solcellens endelige destination er det centrale problem, som MPPT adresserer, at effektiviteten af ​​kraftoverførsel fra solcellen afhænger af mængden af ​​sollys, der falder på solpanelerne, solpanelets temperatur og de elektriske egenskaber ved den belastning . Da disse forhold varierer, ændres belastningskarakteristikken, der giver den højeste effektoverførselseffektivitet. Systemets effektivitet optimeres, når belastningskarakteristikken ændres for at holde effektoverførslen på højeste effektivitet. Denne belastningskarakteristik kaldes det maksimale effektpunkt (MPP). MPPT er processen med at finde dette punkt og beholde belastningskarakteristikken der. Elektriske kredsløb kan designes til at præsentere vilkårlige belastninger for de fotovoltaiske celler og derefter konvertere spændingen, strømmen eller frekvensen til at passe til andre enheder eller systemer, og MPPT løser problemet med at vælge den bedste belastning, der skal præsenteres for cellerne for at få den mest brugbare strøm ud.

Solceller har et komplekst forhold mellem temperatur og total modstand, der producerer en ikke-lineær outputeffektivitet, som kan analyseres baseret på IV-kurven . Det er formålet med MPPT -systemet at prøve produktionen af ​​PV -cellerne og anvende den korrekte modstand (belastning) for at opnå maksimal effekt til alle givne miljøforhold. MPPT -enheder er typisk integreret i et elektrisk konverteringssystem , der leverer spænding eller strømkonvertering , filtrering og regulering til at køre forskellige belastninger, herunder net, batterier eller motorer.

  • Solomformere konverterer jævnstrømmen til vekselstrøm og kan inkorporere MPPT: sådanne invertere prøver udgangseffekten (IV -kurven) fra solcellemodulerne og anvender den korrekte modstand (belastning) for at opnå maksimal effekt.
  • Effekten ved MPP (P mpp ) er produktet af MPP -spændingen (V mpp ) og MPP -strømmen (I mpp ).

Baggrund

Fotovoltaiske solceller IV -kurver, hvor en linje skærer knæet på kurverne, hvor det maksimale kraftoverførselspunkt er placeret.

Fotovoltaiske celler har et komplekst forhold mellem deres driftsmiljø og den maksimale effekt, de kan producere. Den fyldfaktoren , forkortet FF , er en parameter, der karakteriserer den ikke-lineære elektriske opførsel af solcellen. Fyldfaktor er defineret som forholdet mellem den maksimale effekt fra solcellen til produktet af åben kredsløbsspænding V oc og kortslutningsstrøm I sc . I tabulerede data bruges det ofte til at estimere den maksimale effekt, som en celle kan levere med en optimal belastning under givne forhold, P = FF *V oc *I sc . Til de fleste formål er FF, V oc , og I sc oplysninger nok til at give en nyttig omtrentlig model af en fotovoltaisk celles elektriske adfærd under typiske forhold.

For et givet sæt driftsbetingelser har celler et enkelt driftspunkt, hvor værdierne for strømmen ( I ) og spændingen ( V ) i cellen resulterer i en maksimal effekt . Disse værdier svarer til en bestemt belastning modstand , som er lig med V / jeg som angivet af Ohms lov . Effekten P er givet ved P = V*I . En fotovoltaisk celle, for størstedelen af ​​dens nyttige kurve, fungerer som en konstant strømkilde . Ved en fotovoltaisk celles MPP -region har dens kurve imidlertid et omtrent invers eksponentielt forhold mellem strøm og spænding. Fra grundlæggende kredsløbsteori er effekten leveret fra eller til en enhed optimeret, hvor derivatet (grafisk, hældningen) dI/dV af IV -kurven er lige og modsat I/V -forholdet (hvor d P/dV = 0). Dette er kendt som det maksimale effektpunkt (MPP) og svarer til kurvens "knæ".

En belastning med modstand R = V/I svarende til den gensidige af denne værdi trækker den maksimale effekt fra enheden. Dette kaldes undertiden cellens 'karakteristiske modstand'. Dette er en dynamisk mængde, der ændres afhængigt af belysningsniveauet samt andre faktorer såsom temperatur og cellens alder. Hvis modstanden er lavere eller højere end denne værdi, vil den trukne effekt være mindre end det maksimale tilgængelige, og cellen vil derfor ikke blive brugt så effektivt som den kunne være. Maksimal effektpunkt trackere anvender forskellige typer styrekredsløb eller logik til at søge efter dette punkt og dermed give konverterkredsløbet mulighed for at udtrække den maksimale effekt, der er tilgængelig fra en celle.

Effekt -spænding (P -V) kurve

Hvis en fuld effekt -spænding (P -V) kurve er tilgængelig, kan det maksimale effektpunkt opnås ved hjælp af en halveringsmetode .

Implementering

Når en belastning er direkte forbundet til solpanelet, vil panelets betjeningspunkt sjældent være ved maksimal effekt. Impedansen, der ses af panelet, bestemmer solpanelets driftspunkt. Ved at variere impedansen, der ses af panelet, kan betjeningspunktet således flyttes mod spidseffektpunkt. Da paneler er DC-enheder, skal DC-DC-omformere bruges til at transformere impedansen af ​​et kredsløb (kilde) til det andet kredsløb (belastning). Ændring af driftsforholdet for DC-DC-omformeren resulterer i en impedansændring set af panelet. Ved en bestemt impedans (dvs. driftsforhold) vil driftspunktet være ved topeffektoverførselspunktet. Panelets IV -kurve kan variere betydeligt med variation i atmosfæriske forhold såsom bestråling og temperatur. Derfor er det ikke muligt at fastsætte toldforholdet med sådanne dynamisk ændrede driftsbetingelser.

MPPT -implementeringer anvender algoritmer, der ofte prøver panelspændinger og strømme og derefter justerer driftsforholdet efter behov. Mikrokontrollere bruges til at implementere algoritmerne. Moderne implementeringer bruger ofte større computere til analyse og belastningsprognoser.

Klassifikation

Controllere kan følge flere strategier for at optimere en matrix effekt. Maksimal power point trackers kan implementere forskellige algoritmer og skifte mellem dem baseret på arrayets driftsbetingelser.

Forstyrre og observere

I denne metode justerer controlleren spændingen med en lille mængde fra arrayet og måler strøm; hvis effekten øges, afprøves yderligere justeringer i den retning, indtil strømmen ikke længere øges. Dette kaldes metoden forstyrrende og observer og er mest almindelig, selvom denne metode kan resultere i svingninger i effektudgangen. Det omtales som en bjergbestigningsmetode , fordi det afhænger af stigningen i effektkurven mod spænding under det maksimale effektpunkt og faldet over dette punkt. Forstyrre og observere er den mest almindeligt anvendte MPPT -metode på grund af dens lette implementering. Forstyrrelse og observeringsmetode kan resultere i effektivitet på topniveau, forudsat at der vedtages en ordentlig forudsigende og adaptiv bakkebestigningstrategi.

Inkrementel konduktans

I metoden inkrementel konduktans måler controlleren inkrementelle ændringer i PV -arraystrøm og -spænding for at forudsige effekten af ​​en spændingsændring. Denne metode kræver mere beregning i controlleren, men kan spore ændrede forhold hurtigere end forstyrrelses- og observeringsmetoden (P&O). I modsætning til P & O -algoritmen producerer den ikke svingninger i effektudgang. Denne metode anvender den inkrementelle konduktans ( ) for det fotovoltaiske array til at beregne tegnet på ændringen i effekt i forhold til spænding ( ). Den inkrementelle konduktansmetode beregner det maksimale effektpunkt ved at sammenligne den inkrementelle konduktans ( ) med array -konduktansen ( ). Når disse to er de samme ( ), er udgangsspændingen MPP -spændingen. Controlleren opretholder denne spænding, indtil bestrålingen ændres, og processen gentages.

Den inkrementelle konduktansmetode er baseret på den observation, at ved det maksimale effektpunkt , og det . Strømmen fra arrayet kan udtrykkes som en funktion af spændingen: . Derfor . Angivelse af denne lig med nul udbytter: . Derfor opnås det maksimale effektpunkt, når den inkrementelle konduktans er lig med negativet for den øjeblikkelige konduktans. Karakteristikken ved effekt-spændingskurven viser også, at: når spændingen er mindre end det maksimale effektpunkt , så ; når spændingen er større end det maksimale effektpunkt, eller . Således kan MPP-trackeren vide, hvor den er på effekt-spændingskurven ved at beregne forholdet mellem ændringen af ​​strøm/spænding og selve spændingen.

Nuværende fejning

Den aktuelle sweep -metode anvender en sweep -bølgeform for PV -arraystrømmen, således at IV -karakteristikken for PV -arrayet opnås og opdateres med faste tidsintervaller. Den maksimale effektpunktsspænding kan derefter beregnes ud fra den karakteristiske kurve med de samme intervaller.

Konstant spænding

Udtrykket "konstant spænding" i MPP -sporing bruges til at beskrive forskellige teknikker af forskellige forfattere, en hvor udgangsspændingen reguleres til en konstant værdi under alle forhold og en, hvor udgangsspændingen reguleres baseret på et konstant forhold til målt åben kredsløbsspænding ( ). Sidstnævnte teknik omtales derimod af nogle forfattere som "åben spænding" -metoden. Hvis udgangsspændingen holdes konstant, er der intet forsøg på at spore det maksimale effektpunkt, så det er ikke en maksimal effektpunktsporingsteknik i streng forstand, selvom det har nogle fordele i tilfælde, hvor MPP -sporing har tendens til at mislykkes, og derfor bruges det undertiden til at supplere en MPPT -metode. I MPPT-metoden med "konstant spænding" (også kendt som "åben spændingsmetode") afbrydes den strøm, der leveres til belastningen, et øjeblik, og spændingen med åben kredsløb måles. Controlleren genoptager derefter driften med spændingen kontrolleret ved et fast forhold, såsom 0,76, af den åbne kredsløbsspænding . Dette er normalt en værdi, der er blevet bestemt til at være det maksimale effektpunkt, enten empirisk eller baseret på modellering, for forventede driftsbetingelser. PV -arrayets betjeningspunkt holdes således nær MPP'en ved at regulere arrayspændingen og matche den med den faste referencespænding . Værdien af kan også vælges for at give optimal ydelse i forhold til andre faktorer såvel som MPP, men den centrale idé i denne teknik er, at det bestemmes som et forhold til . En af de iboende tilnærmelser i metoden "konstant spænding" er, at forholdet mellem MPP -spændingen og kun er omtrent konstant, så det efterlader plads til yderligere mulig optimering.

Temperaturmetode

Denne metode til MPPT estimerer MPP -spændingen ( ) ved at måle solmodulets temperatur og sammenligne den med en reference. Da ændringer i bestrålingsniveauer har en ubetydelig effekt på den maksimale effektpunktsspænding, kan dens påvirkning ignoreres - spændingen antages at variere lineært med temperaturændringerne.

Denne algoritme beregner følgende ligning:

Hvor:

er spændingen ved det maksimale effektpunkt for en given temperatur;

er en referencetemperatur;

er den målte temperatur

er temperaturkoefficienten på (tilgængelig i databladet ).

Fordele

  • Enkelhed: Denne algoritme løser en lineær ligning. Derfor bruger den ikke meget beregningskraft.
  • Kan implementeres som et analogt eller digitalt kredsløb.
  • Da temperaturen varierer langsomt med tiden, er der ingen steady-state svingning og ustabilitet.
  • Lav pris: temperatursensorer er normalt meget billige.
  • Robust mod støj .

Ulemper

  • Estimationsfejl er muligvis ikke ubetydelig ved lave bestrålingsniveauer (f.eks. Under 200 W/m 2 ).

Sammenligning af metoder

Både forstyrrelser og observationer og inkrementel konduktans er eksempler på "bakkeklatring" -metoder, der kan finde det lokale maksimum for effektkurven for PV -arrayets driftstilstand og dermed give et sandt maksimalt effektpunkt.

Forstyrrelses- og observeringsmetoden kræver oscillerende udgangseffekt omkring det maksimale effektpunkt selv under steady state -bestråling.

Den inkrementelle konduktansmetode har den fordel i forhold til forstyrrelses- og observeringsmetoden (P&O), at den kan bestemme det maksimale effektpunkt uden at svinge omkring denne værdi. Det kan udføre maksimal power point -sporing under hurtigt varierende bestrålingsforhold med større nøjagtighed end forstyrrelses- og observationsmetoden. Den inkrementelle konduktansmetode kan imidlertid producere svingninger (utilsigtet) og kan fungere uregelmæssigt under hurtigt skiftende atmosfæriske forhold. Samplingsfrekvensen reduceres på grund af algoritmens højere kompleksitet sammenlignet med P & O -metoden.

I metoden med konstant spændingsforhold (eller "åben spænding") skal strømmen fra det fotovoltaiske array øjeblikkeligt sættes til nul for at måle åben kredsløbsspænding og derefter bagefter indstilles til en forudbestemt procentdel af den målte spænding, normalt omkring 76%. Energi kan spildes i løbet af den tid, strømmen er sat til nul. Tilnærmelsen til 76% som forholdet er ikke nødvendigvis nøjagtig. Selvom det er enkelt og billigt at implementere, reducerer afbrydelserne array-effektiviteten og sikrer ikke at finde det faktiske maksimale effektpunkt. Imidlertid kan effektiviteten af ​​nogle systemer nå op på over 95%.

MPPT -placering

Traditionelle solomformere udfører MPPT for hele PV -arrayet (modulforening) som helhed. I sådanne systemer strømmer den samme strøm, dikteret af inverteren, gennem alle moduler i strengen (serien). Fordi forskellige moduler har forskellige IV -kurver og forskellige MPP'er (på grund af fremstillingstolerance, delvis skygge osv.) Betyder denne arkitektur, at nogle moduler vil præstere under deres MPP, hvilket resulterer i lavere effektivitet.

Nogle virksomheder (se power optimizer ) placerer nu en maksimal power point tracker i individuelle moduler, så hver enkelt kan operere med maksimal effektivitet på trods af ujævn skygge, snavs eller elektrisk mismatch.

Data tyder på, at det at have en inverter med en MPPT til et projekt, der har samme antal øst- og vestvendte moduler, ikke har nogen ulemper i forhold til at have to invertere eller en inverter med mere end en MPPT.

Betjening med batterier

Om natten kan et off- grid PV-system bruge batterier til at levere belastninger. Selvom den fuldt opladede batterispænding kan være tæt på PV -panelets maksimale effektpunktspænding, er det usandsynligt, at det er sandt ved solopgang, når batteriet er delvist afladet. Opladning kan begynde med en spænding, der er betydeligt under PV -panelets maksimale effektpunktsspænding, og en MPPT kan løse dette uoverensstemmelse.

Når batterierne i et off-grid-system er fuldt opladet, og PV-produktionen overstiger lokal belastning, kan en MPPT ikke længere betjene panelet ved sit maksimale effektpunkt, da den overskydende effekt ikke har nogen belastning til at absorbere det. MPPT skal derefter flytte PV -panelets betjeningspunkt væk fra spidseffektpunktet, indtil produktionen nøjagtigt matcher efterspørgslen. (En alternativ fremgangsmåde, der almindeligvis bruges i rumfartøjer, er at omdirigere overskydende solcellestrøm til en resistiv belastning, så panelet kan fungere kontinuerligt på sit højeste effektpunkt for at holde panelet så køligt som muligt.)

I et netforbundet solcelleanlæg vil al leveret strøm fra solcellemoduler blive sendt til nettet. Derfor vil MPPT i et netforbundet PV -system altid forsøge at betjene PV -modulerne ved sit maksimale effektpunkt.

Referencer

Yderligere læsning

eksterne links

Medier relateret til Maximum power point tracker på Wikimedia Commons