Predlog za optimizacijo sistemov sončne energije

Nov pristop k optimizaciji učinkovitosti in zanesljivosti solarnih sistemov je uporaba mikro-pretvornikov, povezanih z vsako sončno ploščo.
Opremljen z ločenim mikro-inverterjem za vsako solarno ploščo, se lahko sistem prilagodi spreminjajočim se obremenitvam in vremenskim razmeram, kar zagotavlja optimalno učinkovitost pretvorbe za eno ploščo in celoten sistem.
  
   
Arhitektura mikro-inverterja tudi poenostavi kable, kar pomeni nižje stroške namestitve.
  
   
S povečanjem učinkovitosti potrošnikovega solarnega sistema za proizvodnjo električne energije se bo zmanjšalo začetno vlaganje v sončno tehnologijo, da se sistem "umakne".
  
Power inverterji so ključne elektronske komponente sistemov sončne energije. V komercialnih aplikacijah ti elementi povezujejo fotonapetostne (PV) panele, baterije, ki hranijo električno energijo, in lokalne sisteme za distribucijo električne energije ali uporabne rešetke.
Na sliki 1 je prikazan tipičen sončni pretvornik, ki pretvarja zelo nizke enosmerne napetosti iz izhodnega izhodnega signala v več napetosti, kot so napetost baterije akumulatorja, napetost omrežja AC in napetost distribucijske mreže.
  
   
V tipičnem sistemu zbiranja sončne energije so vzporedno s pretvornikom povezani več sončnih celic, ki pretvarjajo spremenljivi izhod DC iz več fotonapetostnih celic v čist sinusni pretvornik 50 Hz ali 60 Hz.
  
   
  
  
Poleg tega je treba opozoriti, da modul mikrokrmilnika (MCU) TMS320C2000 ali MSP430 na sliki 1 ponavadi vsebuje ključne periferne naprave na čipu, kot so moduli pulzne širine (PWM) in pretvorniki A / D.
  
  
  
   
Slika 1: Tradicionalna pretvorba moči sestoji iz sončnega pretvornika, ki sprejema nizko napetostno izhodno napetost iz PV polja in proizvaja napetost izmenične napetosti.
  
Glavni cilj zasnove je maksimiranje učinkovitosti pretvorbe.
To je kompleksen in iterativni proces, ki vključuje algoritem za sledenje največje možne točke (MPPT) in krmilnik v realnem času, ki izvaja povezane algoritme.
  
   
1 Povečajte učinkovitost pretvorbe moči
  
Pretvorniki, ki ne uporabljajo algoritma MPPT, preprosto priključite PV modul neposredno na akumulator, zaradi česar PV modul deluje pri napetosti akumulatorja.
  
  
Skoraj brez izjeme napetost baterije ni idealna vrednost za zbiranje najbolj razpoložljive sončne energije.
  
  
  
Slika 2 prikazuje tipične tokovne / napetostne karakteristike tipičnega 75W PV modula pri temperaturi baterije 25 ° C.
Pikčasta črta prikazuje razmerje med napetostjo (PV VOLTS) in močjo (PV WATTS).
  
Polna črta označuje razmerje napetosti na tok (PV AMPS). Kot je prikazano na sliki 2, pri 12V je izhodna moč približno 53W.
Z drugimi besedami, s prisilitvijo fotovoltaičnega modula, da deluje pri 12V, je izhodna moč omejena na približno 53W.
  
Toda z MPPT algoritmom se je stanje radikalno spremenilo. V tem primeru napetost, pri kateri lahko modul doseže največjo izhodno moč, je 17V.
Zato je naloga MPPT algoritem, da upravlja modul pri 17V, tako da se lahko vsi moduli moči 75W dobijo iz modula, ne glede na napetost akumulatorja.
  
Visoko zmogljiv pretvornik moči DC / DC pretvori 17V napetost na vhod krmilnika na napetost baterije na izhodu.
Ker pretvornik DC / DC zmanjša napetost od 17V do 12V, v tem primeru je polnilni tok akumulatorja v sistemu, ki podpira funkcijo MPPT, naslednji:
  
   
(VMODULE / VBATTERY) × IMODULE ali (17V / 12V) × 4.45A = 6.30A.
  
   
Ob predpostavki, da je pretvornik DC / DC pretvornik 100%, se polnilni tok poveča za 1,85A (ali 42%).
  
Čeprav ta primer predpostavlja, da pretvornik obdeluje energijo iz ene solarne plošče, imajo konvencionalni sistemi običajno en pretvornik, priključen na več plošč.
Ta topologija ima prednosti in slabosti, odvisno od uporabe.
  
   
2 MPPT algoritma
  
Obstajajo tri glavne vrste MPPT algoritmov: opazovanje motenj, povečanje prevodnosti in konstantna napetost.
Prvi dve metodi se pogosto imenujejo "plezanje", ker temeljijo na naslednjih dejstvih:
  
   
Na levi strani MPP je krivulja v porastu (dP / dV) 0), medtem ko je na desni strani MPP krivulja navzdol (dP / dV "0").
  
Najpogosteje se uporablja metoda Disturbance-Observation (P & O). Algoritem vpliva na obratovalno napetost v dani smeri in vzorce dP / dV. Če je dP / dV pozitiven, algoritem "razume", da je samo prilagodil napetost do MPP.
Potem bo vedno nastavil napetost v tej smeri, dokler dP / dV ne postane negativen.
  
Algoritmi P & O so enostavni za izvajanje, vendar v stanju dinamičnega ravnovesja včasih nihajo okoli MPP.
In njihova hitrost odziva je počasna, in tudi v hitro spreminjajočih se vremenskih razmerah je mogoče preusmeriti smer.
  
Metoda za povečanje prevodnosti (INC) za izračun pozitivne in negativne vrednosti dP / dV uporablja povečanje prevodnosti dI / dV PV matrike. INC lahko natančneje spremlja hitro spreminjajoče se osvetlitve od P & O. Ampak kot P * O, lahko tudi niha in se "zavede" s hitro spreminjajočimi se atmosferskimi pogoji.
Druga pomanjkljivost je, da dodana kompleksnost podaljša čas izračunavanja in zmanjša frekvenco vzorčenja.
  
Tretja metoda "Metoda konstantne napetosti" temelji na naslednjih dejstvih: Na splošno je VMPP / VOC0.76. Težava s to metodo je, da zahteva takojšnje prilagajanje toka PV matrike na nič, da izmeri napetost odprtega kroga v matriki. Nato je delovna napetost matrike nastavljena na 76% izmerjene vrednosti. Vendar pa je med odklopom matrike razpoložljiva energija zapravljena.
Ugotovljeno je bilo tudi, da čeprav je 76% napetosti odprtega kroga dober približek, ni vedno v skladu z MPP.
  
Ker noben MPPT algoritem ne more uspešno izpolniti vseh pogostih zahtev za uporabo, bodo mnogi inženirji inženirjev sistem najprej ocenili okoljske pogoje in nato izbrali algoritem, ki najbolje ustreza trenutnim okoljskim pogojem.
Pravzaprav je na voljo veliko MPTP algoritmov, in za proizvajalce solarne plošče ni nič nenavadnega, da zagotovijo lastne algoritme.
  
   
Za poceni kontrolorje, poleg običajnih kontrolnih funkcij MCU, izvajanje MPPT algoritma ni lahka naloga. Algoritem zahteva, da imajo ti krmilniki boljšo računalniško moč.
  
   
Napredni 32-bitni mikrokontroleri v realnem času, kot so družina platforme Texas Instruments C2000, so primerni za različne aplikacije v sončnem obsegu.
  
   
3 pretvornik moči
  
Obstaja veliko prednosti za uporabo enega samega pretvornika, od katerih je najpomembnejša preprostost in poceni. Učinkovitost enojnega inverterskega sistema je izboljšan z MPPT algoritmom in drugimi tehnikami, vendar le v določeni meri. Slabosti posamezne topografije pretvornika se lahko razlikujejo glede na aplikacijo.
Najpomembnejši problem zanesljivosti je, dokler ne uspe napajalnik, energija, ki jo povzročijo vse plošče, se porabi, preden se popravi ali zamenja pretvornik.
  
Tudi če pretvornik deluje pravilno, lahko topologija top pretvornika negativno vpliva na učinkovitost sistema. V večini primerov ima vsaka sončna plošča različne nadzorne zahteve za največjo učinkovitost.
Dejavniki, ki določajo učinkovitost posameznih panelov, so: razlike v proizvodnji fotonapetostnih modulov, ki jih vsebujejo panel, različne temperature okolja, sence in azimutov različnih svetlobnih intenzitet (prejeta sončna energija).
  
V primerjavi z uporabo pretvornika v celotnem sistemu bo zagotovitev mikro-inverterja za vsako solarno ploščo v sistemu znova povečala učinkovitost pretvorbe celotnega sistema.
Glavna prednost topologije mikro-inverterja je, da tudi če eden od razsmernikov ne uspe, lahko pretvorba energije še vedno poteka.
  
Druge prednosti uporabe mikro-inverterja so sposobnost prilagajanja pretvorbenih parametrov vsake solarne plošče z uporabo PWM z visoko ločljivostjo. Ker oblaki, sence in shadys spreminjajo izhodno ploščo posamezne plošče, tako, da vsaka plošča z edinstvenim mikro-pretvornikom omogoča sistemu, da se prilagaja spreminjajočim se obremenitvam.
To zagotavlja najboljšo učinkovitost pretvorbe za vsako ploščo in celoten sistem.
  
Za arhitekturo mikro-inverterja mora vsaka plošča imeti namenski MCU za upravljanje pretvorbe energije.
Vendar pa se ti dodatni MCU lahko uporabljajo tudi za izboljšanje nadzora sistema in plošče.
  
Na primer, velike solarne kmetije imajo koristi od komunikacije med paneli, da pomagajo ohranjati izravnavo obremenitve in sistemskim administratorjem omogočiti, da vnaprej načrtujejo, koliko energije je na voljo, in kaj storiti s to energijo.
Da pa bi v celoti izkoristili prednosti spremljanja sistema, mora MCU integrirati zunanje naprave za komunikacijo na čipu (CAN, SPI, UART itd.), Da poenostavi povezovanje z drugimi mikro-pretvorniki v solarnem polju.
  
V številnih aplikacijah uporaba topologije mikro-inverterja lahko znatno poveča celotno učinkovitost sistema. Na ravni panelov se pričakuje povečanje učinkovitosti za 30%.
Zaradi velikih razlik v aplikacijah pa "povprečni" odstotek izboljšav na ravni sistema nima smisla.
  
   
Analiza aplikacij Pri ocenjevanju vrednosti mikro-frekvenčnega pretvornika v določeni aplikaciji je treba topologijo upoštevati na več načinov.
  
V majhnih aplikacijah se plošče lahko v bistvu srečujejo z enakimi osvetlitvami, temperaturo in senčnimi pogoji.
Zato imajo mikro-inverterji omejeno vlogo pri izboljšanju učinkovitosti.
  
Za upravljanje plošč pri različnih napetostih za največjo energetsko učinkovitost je potreben pretvornik DC / DC, da se izhodna napetost vsake plošče poveže z delovno napetostjo baterije za shranjevanje energije. Da bi zmanjšali proizvodne stroške, je DC / DC pretvornik in pretvornik lahko zasnovan kot en sam modul.
V modul je mogoče vključiti pretvornik DC / AC za lokalno omrežje ali distribucijsko omrežje.
  
Solarne plošče morajo komunicirati drug z drugim, kar dodaja žice in kompleksnost.
To je še eno vprašanje za vključitev pretvornikov, DC / DC pretvornikov in sončnih celic v modul.
  
   
MCU vsakega pretvornika mora imeti še vedno dovolj zmogljivosti za izvajanje več MPTP algoritmov, ki ustrezajo različnim delovnim okoljem.
  
   
Uporaba več MCU-jev bo povečala materialne stroške celotnega sistema.
  
Vsakič, ko razmišljate o spremembi arhitekture, boste pozorni na njegove stroške.
Da bi zadostili cenovnemu cilju sistema, ima en krmilnik na ploščo, da morajo biti stroški krmilnika konkurenčni in majhni, vendar hkrati vodijo hkrati vse nadzorne, komunikacijske in računalniške naloge.
  
Vključevanje prave nadzorne periferije na čipu in visoko analogno integracijo sta dva temeljna elementa, ki zagotavljata nizek sistemski strošek.
Visoka zmogljivost je potrebna tudi za izvajanje algoritmov, razvitih za učinkovito optimiranje pretvorbe, spremljanje sistema in shranjevanje energije.
  
Poleg izpolnjevanja zahtev mikro-inverterja lahko ravna tudi z MCU-ji, ki zahtevajo večino celotnega sistema, vključno z pretvorbo AC / DC, pretvorbo DC / DC in komunikacijo med paneli, kar zmanjšuje stroške uporabe več MCU-jev .
porast.
  
   
4 funkcije MCU
  
Previdno tehtanje teh zahtev na visoki ravni je najboljši način za ugotavljanje, katere funkcije potrebuje MCU. Na primer, kadar je vzporedno s ploščami potrebna uravnavanje obremenitve. Izbrani MCU mora biti zmožen zaznati tok tovora in povečati ali znižati izhodno napetost z vklopom / izklopom izhodnega MOSFET-a.
To zahteva visoko hitrostni ADC na čipu za vzorčenje napetosti in toka.
  
Zasnova mikro-inverterja nima "nespremenjenega" načina. To pomeni, da morajo oblikovalci biti zmožni in inovativni, da sprejmejo nove tehnike in tehnologije, zlasti pri komunikaciji med ploščami in sistemi. Najprimernejši MCU mora podpirati različne protokole, vključno z nekaterimi, za katere se običajno ne štejejo, kot so Power Line Communications (PLC) in Area Control Network Network (CAN). Zlasti komunikacija v omrežju lahko zmanjša stroške sistema, ker ni potrebnih nobenih posebnih komunikacijskih linij.
Vendar to zahteva, da ima MCU vgrajen visoko zmogljiv PWM, visokohitrostni ADC in visoko zmogljiv CPU.
  
Nepričakovana, vendar dragocena funkcija za MCU-je, namenjena uporabi v solarnih pretvornikih, je dvojni čipni oscilator, ki ga lahko uporabite za odkrivanje napak pri urah, da izboljšate zanesljivost.
Zmožnost simultanega vodenja dveh sistemskih urah pomaga zmanjšati težave pri namestitvi solarnih panelov.
  
Zaradi številnih inovacij pri oblikovanju sončnih mikro-inverterjev je morda najpomembnejša značilnost MCU-jeva programsko programiranje.
Ta funkcija vam omogoča največjo prilagodljivost pri načrtovanju in nadzoru električnega tokokroga.
  
Mikrokontroler C2000 je opremljen z naprednim digitalnim procesnim jedrom, ki učinkovito obdeluje algoritemske operacije in on-chip periferijo za nadzor pretvorbe energije, in se pogosto uporablja v tradicionalnih topologij solarnih panelnih pretvornikov. Nova Piccolo družina mikrokrmilnikov serije C2000 je ekonomična. Najmanjši paket v tej družini je le 38 zatičev, vendar je njegova arhitektura bolj napredna in periferne enote so izboljšane, kar prinaša koristi 32-bitnega nadzora v realnem času na nizke zahteve.
Aplikacije, kot so mikro-pretvorniki za celotne sistemske stroške.
  
Poleg tega družina Piccolo MCU integrira dva oscilatorja 10MHz na čipu za primerjavo uro, on-chip VREG s ponovnim vklopom in zaščito pred izklopom, večkratno 150 PWM z visoko ločljivostjo in 12-bitnim 4,6
  
  
Megasample / drugi ADC in vmesniki komunikacijskega protokola, kot so I2C (PMBus), CAN, SPI in UART.
  
  
  
   
Slika 3: MCU sistem za sisteme, ki temeljijo na mikro-inverterju, sestavljajo CPU, pomnilnik, moč in ura, periferne enote.
  
Uspešnost je ključna značilnost mikro-pretvornikov. Čeprav je družina naprav Piccolo manjša in cenejša od drugih MCU-jev C2000, se je izboljšala njegova funkcionalnost, kot je njegov programabilni pospeševalnik zaklepanja s plavajočo vejico (CLA), ki se ukvarja s kompleksnimi hitrimi nadzornimi algoritmi za CPU.
To odpravlja potrebo, da CPU upravlja z vhodno / izhodnimi povratnimi zanki in lahko izboljša učinkovitost s faktorjem 5 v aplikacijah z zaprto zanko.
  
   
5 Izzivi fotonapetostnih baterij
  
Ena od pomanjkljivosti sistemov za proizvodnjo sončne energije je učinkovitost pretvorbe. Solarne plošče lahko v povprečju izdelajo približno 1 mW od vsakih 100 mm2 fotonapetostnih celic. Tipična učinkovitost je približno 10%.
Faktor moči fotovoltaičnega vira energije (tj. Razmerje med povprečno električno energijo, ki jo dejansko proizvaja sončna celica in teoretično proizvedena električna energija pod pogojem, da je sončna svetloba vedno osvetljena) je približno 15% do 20%.
  
   
Za to obstaja več razlogov, vključno s spremembami v samem soncu, kot je popolno izginotje ponoči, in tudi čez dan sence in vremenske razmere pogosto povzročijo zmanjšano svetlobo.
  
Fotoelektrična pretvorba v izračun učinkovitosti uvaja več spremenljivk, vključno s temperaturo sončne celice in njeno teoretično maksimalno učinkovitostjo. Druga težava za inženirje oblikovanja je, da napetost, ki jo ustvarja fotonapetostna celica, nepravilno variira okoli 0,5 V. Ta sprememba lahko resno vpliva pri izbiri topologije pretvorbe energije.
Na primer, za neučinkovito tehnologijo pretvorbe energije je mogoče porabiti velik del zbrane fotonapetostne energije.
  
Za sprejemanje dejstva, da sonce ne osvetljuje 24 ur na dan, morajo sistemi za sončno energijo vsebovati baterije in zahtevno elektroniko, potrebne za učinkovito polnjenje baterij.
Ko je baterija vgrajena v sistem, polnjenje akumulatorjev zahteva dodatno vezje DC / DC pretvorbe, hkrati pa zahteva upravljanje in nadzor baterij.
  
Veliko sistemov na sončno energijo se prav tako povezuje z mrežo, ki zahteva fazno sinhronizacijo in korekcijo faktorja moči. Obstaja tudi veliko okolij, ki zahtevajo zapletene kontrole. Na primer, mora biti vgrajen mehanizem za opozarjanje na napake, da se prepreči dogodke, kot so izpadi električne energije v javnem omrežju. To so samo vrhunske stvari, ki jih morajo načrtovati inženirji.