Отслеживание точки максимальной мощности

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Отсле́живание то́чки максима́льной мо́щности (ОТММ, англ. MPPT, Maximum power point tracking) — способ, использующийся для получения максимальной возможной мощности на выходе фотомодулей. Для ОТММ используются цифровые устройства, анализирующие вольт-амперную характеристику для определения оптимального режима работы фотомодуля[1]. Цель устройства отслеживания точки максимальной мощности — измерить выходные характеристики фотоэлемента и применить подходящее сопротивление (нагрузку) для получения максимальной мощности в любых условиях окружающей среды. Подобные устройства обычно интегрируются в преобразователь электрической энергии, который обеспечивает преобразование тока или напряжения, фильтрацию и управление различными нагрузками, в том числе электрическими сетями, аккумуляторными батареями или двигателями.

Вольт-амперная характеристика[править | править вики-текст]

Точка максимальной мощности находится в месте пересечения линии с вольт-амперной характеристикой фотоэлемента.

Фотомодули имеют сложную взаимосвязь между условиями окружающей среды и максимальной производимой мощностью. Коэффициент заполнения, сокращенно КЗап — это параметр, определяющий нелинейное электрическое поведение фотоэлемента. Коэффициент заполнения определяется как отношение максимальной мощности фотомодуля к произведению напряжения холостого хода Uхх и тока короткого замыкания Iкз. В справочных данных он часто используется для определения максимальной мощности, которую фотоэлемент может обеспечит с оптимальной нагрузкой при заданных условиях, P=КЗап*Uхх*Iкз. Для большинства целей КЗап, Uхх и Iкз достаточно чтобы дать полезную приближенную модель электрического поведения фотоэлемента в типичных условиях.

Для любых заданных условий эксплуатации фотоэлементы имеют одну рабочую точку в которой мгновенные значения тока (I) и напряжения (U) фотоэлемента определяют мгновенную мощность в рабочей точке. Согласно закону Ома эти значения соответствуют конкретному сопротивлению нагрузки, которое эквивалентно U / I. Мощность P определяется по формуле P=U*I. На полезном участке вольт-амперной характеристики фотоэлемент действует как источник постоянного тока[2]. В области максимальной мощности ВАХ фотоэлемент имеет обратную экспоненциальную зависимость между током и напряжением. Из теоретических основ электротехники мощность от или к устройству оптимизирована в месте где производная функции (графически — наклон) dI/dU ВАХ равна и противоположна отношению I/U (где dP/dV=0)[3]. Это место на вольт-амперной характеристике называется точкой максимальной мощности (ТММ) и соответствует изгибу кривой.

Обратная величина от нагрузка с сопротивлением R=V/I определяет максимальную мощность с устройства. Это сопротивление иногда называют характеристическим сопротивлением фотоэлемента. Характеристическое сопротивление — динамическая величина, зависящая от уровня инсоляции, температуры, возраста фотоэлемента и других факторов. Если сопротивление больше или меньше этой величины выходная мощность будет меньше максимальной доступной мощности и, следовательно, фотоэлемент не будет использоваться со всей доступной эффективностью. Устройства отслеживания точки максимальной мощности используют различные типы цепей управления для поиска этой точки таким образом, чтобы получить максимальную доступную мощность с фотоэлемента.

Классификация[править | править вики-текст]

Контроллеры обычно используют один из трех алгоритмов для оптимизации выходной мощности фотомодулей. В некоторых устройствах для отслеживания точки максимальной мощности реализовано несколько алгоритмов и переключения между алгоритмами основываются на рабочих условиях массива[4].

Возмущение и наблюдение[править | править вики-текст]

В этом методе устройство ОТММ на небольшую величину изменяет входное сопротивление, вследствие чего изменяется напряжение массива фотомодулей и измеряет мощность, если мощность увеличивается — контроллер продолжает изменять напряжение в этом же направлении пока мощность не перестанет увеличиваться. Этот метод является наиболее распространенным не смотря на то что он приводит к колебаниям мощности[5][6]. Так же этот метод упоминается как метод восхождения потому что он зависит от кривой P=f(U), которая возрастает до точки максимальной мощности и убывает после этой точки[7]. Распространенность этого метода обусловлена простотой его реализации[5]. Метод возмущения и наблюдения будет высокоэффективным если обеспечить точный предсказывающий и адаптирующийся алгоритм восхождения[8].

Метод возрастающей проводимости[править | править вики-текст]

В этом методе контроллер измеряет увеличение тока и напряжения массива чтобы предсказать эффект от изменения напряжения. Метод возрастающей проводимости требует больше вычислений в контроллере, но он может отслеживать изменения условий быстрее метода возмущения и наблюдения(ВиН). Как и метод ВиН он приводит к колебаниям мощности[9]. Этот метод использует возрастающую проводимость (dI/dU) массива фотомодулей для вычисления знака изменения мощности по отношению к напряжению (dP/dU)[10].

Метод возрастающей проводимости вычисляет точку максимальной мощности сравнивая возрастающую проводимость (IΔ / UΔ) с проводимостью массива фотомодулей (I/U). Когда эти величины одинаковы (I / V = IΔ / VΔ) выходное напряжение — напряжение максимальной мощности. Контроллер поддерживает это напряжение пока не изменится инсоляция, после изменения процесс повторяется[11].

Метод токовой развертки[править | править вики-текст]

Этот метод использует сигнал развертки для тока массива фотомодулей для обновления ВАХ через фиксированные промежутки времени. Напряжение максимальной мощности вычисляется во характеристике с той же периодичностью[12][13].

Метод постоянного напряжения[править | править вики-текст]

Термин «метод постоянного напряжения» в отслеживании точки максимальной мощности используется для описания разных техник разными авторами. Этим термином называют метод при котором выходное напряжение регулируется постоянной величиной, не зависимо от условий, или метод, в котором величина определяется отношением текущего выходного напряжения к напряжению холостого хода (VOC). Некоторые авторы называют последний метод «напряжение холостого хода»[14]. Когда выходное напряжение массива не изменяется, контроллер не пытается отслеживать точку максимальной мощности, то есть, строго говоря, рабочая точка не является точкой максимальной мощности. Но этот метод в сложных случаях, когда другие методы ошибаются, продолжает работать, поэтому его иногда используют вместе с другими методами.

Контроллер работающий по этому методу на мгновение отключает массив от нагрузки и замеряет напряжение холостого хода, после этого контроллер продолжает работу с напряжением, управляемым постоянным коэффициентом, например, 0,76 от напряжения холостого хода Uхх[15]. Как правило, это значение было определено как точка максимальной мощности либо эмпирически, либо на основе моделирования для ожидаемых условий эксплуатации[9][10]. Таким образом, рабочая точка массива фотомодуля находится рядом с точкой максимальной мощности путем регулирования напряжения массива и сопоставления его с фиксированным опорным напряжением Vref=kVOC. Значение Vref может быть настраиваемым для того чтобы получить оптимальную производительность по отношению к другим факторам, в том числе точки максимальной мощности, но основная идея этой методики в том что Vref определяется как отношение к VOC.

Одним из присущих приближений этого метода является то что отношение напряжения максимальной мощности к VOC является приблизительной постоянной и оставляет пространство для дальнейшей возможной оптимизации.

Сравнение методов[править | править вики-текст]

Возмущение и наблюдение и метод возрастающей проводимости являются примерами методов «восхождения», которые могут найти локальный максимум мощности для рабочего состояния массива и так обеспечить истинную точку максимальной мощности[7][9].

Метод возмущения и наблюдения может создавать колебания выходной мощности массива фотомодулей даже при постоянной инсоляции.

Метод возрастающей проводимости имеет несколько преимуществ по сравнению с методом возмущения и наблюдения — он может определить точку максимальной мощности без колебаний мощности и в быстро меняющихся условиях точнее отслеживает точку максимальной мощности[5]. Но этот метод при быстро изменяющихся атмосферных условиях может работать хаотично и создавать колебания мощности. Так же по сравнению с методом ВиН увеличивается время вычислений из-за усложнения алгоритма, которое приводит к снижению частоты дискретизации[10].

В методе постоянного напряжения (напряжения холостого хода) ток массива фотомодулей должен устанавливаться в ноль для измерения напряжения холостого хода и уменьшения рабочего напряжения на заранее заданный процент от измеренного напряжения, как правило, около 76 %[10]. На то время пока ток установлен нулевым теряется выработанная энергия[10]. Приведенная величина отношения ТММ/VOC равная 76 % не всегда является точной[10]. Метод постоянного напряжения несмотря на простоту реализации является неэффективным и неточным из-за перерывов в работе необходимых для определения напряжения холостого хода. Тем не менее эффективность некоторых систем может достигать 95 %[15].

Использование в сетевых станциях[править | править вики-текст]

Сетевые инверторы выполняют отслеживание точки максимальной мощности для всего массива фотомодулей, в таких системах инвертор задает ток, который протекает через все фотомодули. При такой компоновке системы появляются потери энергии связанные с тем что разные фотомодули имеют не одинаковые ВАХ и точки максимальной мощности (из-за производственных допусков, частичного затенения[16] и т. д.) и, поэтому, работают не на максимальной мощности[1].

Некоторые компании (см. оптимизатор мощности) производят преобразователи точки максимальной мощности для отдельных панелей, применение которых позволяет работать каждому фотомодулю на максимальной мощности независимо от затенения, загрязнения и электрических несоответствий.

Данные показывают, использование инвертора с одним устройством для отслеживания точки максимальной мощности в проекте с фотомодулями установленными на запад и на восток не имеет недостатков по сравнению с двумя инверторами или одним инвертором с двумя устройствами для отслеживания точки максимальной мощности. "Efficient East-West Oriented PV Systems with One MPP Tracker, " Dietmar Staudacher, 2011

В сетевых фотоэлектрических станциях вся выработанная фотомодулями мощность передается в сеть.

Использование в автономных станциях[править | править вики-текст]

Автономная фотоэлектрическая система в темное время суток использует энергию, накопленную в аккумуляторах для питания потребителей. В этой системе напряжение полностью заряженных аккумуляторов может быть близким к напряжению максимальной мощности фотомодулей, но утром аккумуляторные батареи разряжены и их напряжение намного меньше напряжения максимальной мощности. Заряд АКБ начинается с напряжения, которое намного меньше напряжения точки максимальной мощности, для устранения этого несоответствия используются устройства отслеживания точки максимальной мощности.

Когда аккумуляторы в автономной системе полностью заряжены и нет нагрузки для потребления выработки фотомодулей, устройство отслеживания точки максимальной мощности переносит рабочую точку уменьшая мощность пока она не будет соответствовать потреблению. (Альтернативный подход широко используется в строительстве космических аппаратов, когда избыточная мощность фотомодулей используется для питания резистивной нагрузки и благодаря этому массив всегда работает на максимальной мощности)

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 What is Maximum Power Point Tracking. solar-electric.com.
  2. University of Chicago GEOS24705 Solar Photovoltaics EJM May 2011.
  3. Sze Simon M. Physics of Semiconductor Devices. — 2nd. — 1981. — P. 796.
  4. Rahmani, R., M. Seyedmahmoudian, S. Mekhilef and R. Yusof, 2013. Implementation of fuzzy logic maximum power point tracking controller for photovoltaic system. Am. J. Applied Sci., 10: 209—218.
  5. 1 2 3 Maximum Power Point Tracking. zone.ni.com. Проверено 18 июня 2011.
  6. ADVANCED ALGORITHM FOR MPPT CONTROL OF PHOTOVOLTAIC SYSTEM. solarbuildings.ca. Проверено 19 декабря 2013.
  7. 1 2 «Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms». DOI:10.1002/pip.459.
  8. Performances Improvement of Maximum Power Point Tracking Perturb and Observe Method. actapress.com. Проверено 18 июня 2011.
  9. 1 2 3 Evaluation of Micro Controller Based Maximum Power Point Tracking Methods Using dSPACE Platform. itee.uq.edu.au. Проверено 18 июня 2011.
  10. 1 2 3 4 5 6 MPPT ALGORITHMS. powerelectronics.com. Проверено 10 июня 2011.
  11. Maximum Power Point Tracking. zone.ni.com. Проверено 8 июня 2011.
  12. Esram, Trishan; P.L. Chapman (2007). «Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques». IEEE trans. on Energy Conv. 22 (2).
  13. Bodur, Mehmet; M. Ermis (1994). «Maximum power point tracking for low power photovoltaic solar panels». Proc. 7th Mediterranean Electrotechnical Conf.: 758–761.
  14. Energy comparison of MPPT techniques for PV Systems. wseas.us. Проверено 18 июня 2011.
  15. 1 2 IEEE Xplore Abstract - Design and simulation of an open voltage algorithm based maximum power point tracker for battery cha
  16. Seyedmahmoudian, M.; Mekhilef, S.; Rahmani, R.; Yusof, R.; Renani, E.T. Analytical Modeling of Partially Shaded Photovoltaic Systems. Energies 2013, 6, 128—144.

Ссылки[править | править вики-текст]