Maksimal sporing av kraftpunkt - Maximum power point tracking

fra Wikipedia, den frie encyklopedi

Maximum power point tracking ( MPPT ) eller noen ganger bare power point tracking ( PPT ), er en teknikk som ofte brukes med vindturbiner og solcelleanlegg (PV) for å maksimere kraftuttaket under alle forhold.

Selv om det først og fremst gjelder solenergi, gjelder prinsippet generelt kilder med variabel effekt: for eksempel optisk kraftoverføring og termofotovoltaikk .

Solcelleanlegg eksisterer i mange forskjellige konfigurasjoner med hensyn til forholdet til omformersystemer, eksterne nett, batteribanker eller andre elektriske belastninger. Uansett det endelige målet for solenergi, er det sentrale problemet som MPPT adresserer, at effektiviteten av kraftoverføring fra solcellen avhenger av hvor mye sollys som faller på solcellepanelene, temperaturen på solcellepanelet og de elektriske egenskapene til den belastning . Siden disse forholdene varierer, endres lastkarakteristikken som gir den høyeste effektiviteten for kraftoverføring. Effektiviteten til systemet optimaliseres når lastkarakteristikken endres for å holde kraftoverføringen på høyest effektivitet. Denne belastningskarakteristikken kalles det maksimale effektpunktet (MPP). MPPT er prosessen med å finne dette punktet og holde lastkarakteristikken der. Elektriske kretser kan utformes for å presentere vilkårlige belastninger til solcellene og deretter konvertere spenningen, strømmen eller frekvensen slik at den passer til andre enheter eller systemer, og MPPT løser problemet med å velge den beste belastningen som skal presenteres for cellene for å få den mest brukbare strømmen.

Solceller har et sammensatt forhold mellom temperatur og total motstand som gir en ikke-lineær utgangseffektivitet som kan analyseres basert på IV-kurven . Det er formålet med MPPT-systemet å prøve ut produksjonen fra PV-cellene og bruke riktig motstand (belastning) for å oppnå maksimal effekt under alle gitte miljøforhold. MPPT-enheter er vanligvis integrert i et elektrisk omformersystem som gir spenning eller strømkonvertering , filtrering og regulering for å kjøre forskjellige belastninger, inkludert strømnett, batterier eller motorer.

  • Solomformere konverterer likestrøm til vekselstrøm og kan inneholde MPPT: slike omformere prøver utgangseffekten (IV-kurven) fra solmodulene og bruker riktig motstand (belastning) for å oppnå maksimal effekt.
  • Effekten ved MPP (P mpp ) er produktet av MPP-spenningen (V mpp ) og MPP-strømmen (I mpp ).

Bakgrunn

Fotovoltaisk solcelle IV-kurver hvor en linje krysser kneet på kurvene der det maksimale kraftoverføringspunktet er plassert.

Solceller har et sammensatt forhold mellom driftsmiljøet og den maksimale effekten de kan produsere. Den fyllingsfaktor , forkortet FF , er en parameter som kjennetegner ikke-lineær elektrisk oppførsel av solcellen. Fyllingsfaktor er definert som forholdet mellom maksimal effekt fra solcellen til produktet av åpen kretsspenning V oc og kortslutningsstrøm I sc . I data i tabeller brukes det ofte til å estimere den maksimale effekten som en celle kan gi med optimal belastning under gitte forhold, P = FF * V oc * I sc . For de fleste formål er FF, V oc og I sc nok informasjon til å gi en nyttig tilnærmet modell av den elektriske oppførselen til en solcelle under typiske forhold.

For et gitt sett med driftsforhold har celler et enkelt driftspunkt der verdiene til strømmen ( I ) og spenningen ( V ) i cellen resulterer i maksimal effekt . Disse verdier tilsvarer en bestemt belastningsmotstand , som er lik V / I som angitt av Ohms lov . Den effekt P er gitt ved P = V * I . En solcelle, for det meste av sin nyttige kurve, fungerer som en konstant strømkilde . Imidlertid, ved en solcellens MPP-region, har kurven en omtrent invers eksponentiell sammenheng mellom strøm og spenning. Fra grunnleggende kretsteori er kraften som leveres fra eller til en enhet optimalisert der derivatet (grafisk, hellingen) dI / dV av IV-kurven er lik og motsatt I / V- forholdet (hvor d P / dV = 0). Dette er kjent som det maksimale effektpunktet (MPP) og tilsvarer "kneet" i kurven.

En belastning med motstand R = V / I lik gjensidigheten av denne verdien trekker maksimal effekt fra enheten. Dette kalles noen ganger den 'karakteristiske motstanden' til cellen. Dette er en dynamisk størrelse som endres avhengig av belysningsnivået, samt andre faktorer som temperatur og celleens alder. Hvis motstanden er lavere eller høyere enn denne verdien, vil effekten som trekkes være mindre enn det maksimale tilgjengelige, og dermed vil ikke cellen bli brukt så effektivt som den kunne være. Maksimum poengsporere bruker forskjellige typer kontrollkretser eller logikk for å søke etter dette punktet og dermed tillate omformerkretsen å trekke ut maksimal effekt tilgjengelig fra en celle.

Effekt-spenning (P-V) kurve

Hvis en full spenningskurve (P-V) er tilgjengelig, kan det maksimale effektpunktet oppnås ved hjelp av en halveringsmetode .

Gjennomføring

Når en last er koblet direkte til solcellepanelet, vil panelets betjeningspunkt sjelden være på toppeffekt. Impedansen sett av panelet bestemmer driftspunktet for solcellepanelet. Dermed ved å variere impedansen sett av panelet, kan operasjonspunktet beveges mot toppeffektpunkt. Siden paneler er DC-enheter, må DC-DC-omformere brukes til å transformere impedansen til en krets (kilde) til den andre kretsen (belastning). Endring av driftsforholdet til DC-DC-omformeren resulterer i en impedansendring sett av panelet. Ved en bestemt impedans (dvs. driftsforhold) vil driftspunktet være på toppeffektoverføringspunktet. IV-kurven til panelet kan variere betydelig med variasjon i atmosfæriske forhold som bestråling og temperatur. Derfor er det ikke mulig å fastsette driftsforholdet med slike dynamisk skiftende driftsforhold.

MPPT-implementeringer bruker algoritmer som ofte sampler panelspenninger og strømmer, og justerer deretter driftsforholdet etter behov. Mikrokontrollere er ansatt for å implementere algoritmene. Moderne implementeringer bruker ofte større datamaskiner for analyse og belastningsprognoser.

Klassifisering

Kontrollere kan følge flere strategier for å optimalisere kraftuttaket til en matrise. Maksimum power point trackers kan implementere forskjellige algoritmer og bytte mellom dem basert på driftsforholdene til arrayet.


Forstyrre og observer

I denne metoden justerer kontrolleren spenningen med en liten mengde fra arrayet og måler effekt; hvis kraften øker, blir ytterligere justeringer i den retningen prøvd til kraften ikke lenger øker. Dette kalles forstyrrelses- og observasjonsmetoden og er mest vanlig, selv om denne metoden kan resultere i svingninger i kraftuttaket. Det blir referert til som en stigningsklatremetode , fordi det avhenger av stigningen i kraftkurven mot spenningen under det maksimale kraftpunktet, og fallet over det punktet. Forstyrre og observere er den mest brukte MPPT-metoden på grunn av dens enkle implementering. Forstyrre og observere metoden kan resultere i toppnivå effektivitet, forutsatt at en riktig prediktiv og adaptiv bakkeklatring strategi blir vedtatt.

Inkrementell konduktans

I metoden for inkrementell konduktans måler kontrolleren trinnvise endringer i PV-matrisestrøm og spenning for å forutsi effekten av en spenningsendring. Denne metoden krever mer beregning i kontrolleren, men kan spore skiftende forhold raskere enn forstyrrelses- og observasjonsmetoden (P&O). I motsetning til P & O-algoritmen produserer den ikke svingninger i kraftuttak. Denne metoden benytter den inkrementelle ledningsevnen ( ) av solcelleanlegget for å beregne tegnet på endringen i kraft med hensyn til spenning ( ). Den inkrementelle konduktansemetoden beregner det maksimale effektpunktet ved sammenligning av inkrementell konduktans ( ) til matrisekonduktansen ( ). Når disse to er like ( ), er utgangsspenningen MPP-spenningen. Kontrolleren opprettholder denne spenningen til bestrålingen endres og prosessen gjentas.

Den inkrementelle konduktansemetoden er basert på observasjonen at ved det maksimale effektpunktet , og det . Strømmen fra matrisen kan uttrykkes som en funksjon av spenningen: . Derfor . Sette denne lik null gir: . Derfor oppnås det maksimale effektpunktet når den inkrementelle konduktansen er lik den negative av den øyeblikkelige konduktansen. Karakteristikken til spenningskurven viser også at: når spenningen er mindre enn det maksimale effektpunktet,, så ; når spenningen er større enn det maksimale effektpunktet, eller . Dermed kan MPP-trackeren vite hvor den er på spenningskurven ved å beregne forholdet mellom endringen av strøm / spenning og selve strømspenningen.

Nåværende feie

Den nåværende sveipemetoden bruker en sveipbølgeform for PV-strømmen slik at IV-karakteristikken til PV-arrayet oppnås og oppdateres med faste tidsintervaller. Den maksimale spenningen på effektpunktet kan deretter beregnes fra karakteristikkurven med de samme intervallene.

Konstant spenning

Begrepet "konstant spenning" i MPP-sporing brukes til å beskrive forskjellige teknikker av forskjellige forfattere, en der utgangsspenningen reguleres til en konstant verdi under alle forhold og en der utgangsspenningen reguleres basert på et konstant forhold til målt åpen kretsspenning ( ). Sistnevnte teknikk omtales i kontrast som "åpen spenning" -metoden av noen forfattere. Hvis utgangsspenningen holdes konstant, er det ikke noe forsøk på å spore det maksimale effektpunktet, så det er ikke en maksimal effektpunktsporingsteknikk i streng forstand, selv om det har noen fordeler i tilfeller når MPP-sporing har en tendens til å mislykkes, og dermed blir det noen ganger brukt til å supplere en MPPT-metode. I MPPT-metoden med "konstant spenning" (også kjent som "metoden med åpen spenning") blir kraften som leveres til belastningen midlertidig avbrutt, og spenningen med åpen strøm måles. Kontrolleren gjenopptar deretter driften med spenningen styrt i et fast forhold, slik som 0,76, av åpen kretsspenning . Dette er vanligvis en verdi som er bestemt å være det maksimale effektpunktet, enten empirisk eller basert på modellering, for forventede driftsforhold. Driftpunktet til PV-arrayet holdes således nær MPP ved å regulere array-spenningen og tilpasse den til den faste referansespenningen . Verdien av kan også velges for å gi optimal ytelse i forhold til andre faktorer så vel som MPP, men den sentrale ideen i denne teknikken er at det bestemmes som et forhold til . En av de iboende tilnærmingene i "konstant spenning" -forholdsmetoden er at forholdet mellom MPP-spenningen og kun er omtrent konstant, så det gir rom for ytterligere mulig optimalisering.

Temperaturmetode

Denne metoden for MPPT estimerer MPP-spenningen ( ) ved å måle temperaturen på solmodulen og sammenligne den mot en referanse. Siden endringer i bestrålingsnivåer har en ubetydelig effekt på maksimal spenning på effektpunktet, kan dens påvirkning ignoreres - spenningen antas å variere lineært med temperaturendringene.

Denne algoritmen beregner følgende ligning:

Hvor:

er spenningen ved det maksimale effektpunktet for en gitt temperatur;

er en referansetemperatur;

er den målte temperaturen;

er temperaturkoeffisienten til (tilgjengelig i databladet ).

Fordeler

  • Enkelhet: Denne algoritmen løser en lineær ligning. Derfor bruker den ikke mye beregningskraft.
  • Kan implementeres som en analog eller digital krets.
  • Siden temperaturen varierer sakte med tiden, er det ingen stabil svingning og ustabilitet.
  • Lav pris: temperatursensorer er vanligvis veldig billige.
  • Robust mot støy .

Ulemper

  • Estimasjonsfeil er kanskje ikke ubetydelig for lave bestrålingsnivåer (f.eks. Under 200 W / m 2 ).

Sammenligning av metoder

Både forstyrrelse og observasjon, og inkrementell konduktans, er eksempler på "bakkeklatring" -metoder som kan finne det lokale maksimum av effektkurven for driftstilstanden til PV-arrayet, og dermed gi et sant maksimalt effektpunkt.

Forstyrrelses- og observasjonsmetoden krever oscillerende kraftuttak rundt det maksimale effektpunktet selv under jevn stråling.

Den inkrementelle konduktansemetoden har fordelen i forhold til forstyrrelses- og observasjonsmetoden (P&O) at den kan bestemme det maksimale effektpunktet uten å svinge rundt denne verdien. Den kan utføre maksimal effektpoengsporing under raskt varierende bestrålingsforhold med høyere nøyaktighet enn forstyrrelses- og observasjonsmetoden. Imidlertid kan den inkrementelle konduktansemetoden produsere svingninger (utilsiktet) og kan utføre uberegnelig under raskt skiftende atmosfæriske forhold. Samplingsfrekvensen reduseres på grunn av den høyere kompleksiteten i algoritmen sammenlignet med P & O-metoden.

I metoden med konstant spenningsforhold (eller "åpen spenning") må strømmen fra den fotovoltaiske matrisen settes til null øyeblikkelig for å måle den åpne kretsspenningen og deretter settes til en forhåndsbestemt prosentandel av den målte spenningen, vanligvis rundt 76%. Energi kan bli kastet bort i løpet av den tiden strømmen er satt til null. Tilnærmingen på 76% som forholdet er ikke nødvendigvis nøyaktig. Selv om de er enkle og rimelige å implementere, reduserer avbruddene effektiviteten i matrisen og sørger ikke for å finne det faktiske maksimale effektpunktet. Effektiviteten til noen systemer kan imidlertid nå over 95%.

MPPT-plassering

Tradisjonelle solomformere utfører MPPT for hele PV-arrayet (modulforening) som helhet. I slike systemer strømmer den samme strømmen, diktert av inverteren, gjennom alle modulene i strengen (serie). Fordi forskjellige moduler har forskjellige IV-kurver og forskjellige MPPer (på grunn av produksjonstoleranse, delvis skyggelegging osv.), Betyr denne arkitekturen at noen moduler vil utføre under deres MPP, noe som resulterer i lavere effektivitet.

Noen selskaper (se power optimizer ) plasserer nå en maksimal power point tracker i individuelle moduler, slik at hver kan fungere med topp effektivitet til tross for ujevn skyggelegging, tilsmussing eller elektrisk mismatch.

Data antyder at det å ha en inverter med en MPPT for et prosjekt som har identisk antall øst- og vestvendte moduler, gir ingen ulemper sammenlignet med to omformere eller en inverter med mer enn en MPPT.

Bruk med batterier

Om natten kan et PV-anlegg uten nett benytte batterier til å levere belastninger. Selv om den fulladede batteripakken kan ligge nær PV-panelets maksimale spenning, er det lite sannsynlig at dette stemmer ved soloppgang når batteriet har blitt delvis utladet. Ladingen kan begynne med en spenning som er betydelig under PV-panelets maksimale spenning, og en MPPT kan løse denne uoverensstemmelsen.

Når batteriene i et off-grid-system er fulladet og PV-produksjonen overstiger lokale belastninger, kan en MPPT ikke lenger betjene panelet ved sitt maksimale effektpunkt, da overflødig kraft ikke har noen belastning for å absorbere det. MPPT må da forskyve PV-panelets driftspunkt fra toppeffektpunktet til produksjonen nøyaktig samsvarer med etterspørselen. (En alternativ tilnærming som ofte brukes i romfartøy er å avlede overskudd av PV-kraft til en resistiv belastning, slik at panelet kan operere kontinuerlig på sitt maksimale kraftpunkt for å holde panelet kjøligere så mye som mulig.)

I et nettilkoblet solcelleanlegg vil all levert kraft fra solmoduler bli sendt til nettet. Derfor vil MPPT i et nettilkoblet PV-system alltid forsøke å betjene PV-modulene på sitt maksimale effektpunkt.

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker

Media relatert til Maximum power point tracker på Wikimedia Commons