Проектна пропозиція щодо оптимізації сонячних енергетичних систем

Новіший підхід до оптимізації ефективності та надійності сонячних систем - використання мікроінверторів, підключених до кожної сонячної панелі.
Оснащений окремим мікроінвертором для кожної сонячної панелі, система може адаптуватися до змінної навантаження та погодних умов, забезпечуючи оптимальну ефективність перетворення для однієї панелі та всієї системи.
  
   
Архітектура мікроінверторів також спрощує кабельне забезпечення, що означає зниження витрат на встановлення.
  
   
Зробіть споживача більш ефективною систему генерації сонячної енергії, час, який потрібно для того, щоб система "відкату" початкових інвестицій у сонячні технології, зменшилась.
  
Інвертори потужності є ключовими електронними компонентами сонячних енергетичних систем. У комерційних цілях ці компоненти об'єднують фотоелектричні панелі (ПВ), акумулятори, що зберігають електричну енергію, а також локальні системи розподілу електроенергії або комунальні мережі.
На рисунку 1 показаний типовий сонячний інвертор, який перетворює дуже низькі напруги постійного струму з виходу PV масиву на кілька напруг, таких як напруга живлення акумулятора, напруга лінії змінного струму та напруга розподільної мережі.
  
   
У типовій системі збирання сонячної енергії декілька сонячних панелей підключаються паралельно з інвертором, який перетворює змінний вихід постійного струму з декількох фотоелектричних елементів у чистий 50 Гц або 60 Гц синусоїдальний інвертор.
  
   
  
  
Крім того, слід зазначити, що модуль мікроконтролера (MCU) TMS320C2000 або MSP430 на рисунку 1, як правило, містить основні периферійні пристрої з чіпом, такі як модулі модуляції ширини імпульсу (PWM) та перетворювачі A / D.
  
  
  
   
Малюнок 1: Традиційна архітектура перетворення потужності складається з сонячного інвертора, який отримує низьку вихідну напругу постійного струму від матриці ПВ та виробляє напругу лінії змінного струму.
  
Головна мета дизайну - максимізувати ефективність конвертації.
Це комплексний і повторюваний процес, що включає алгоритм відстеження максимальної потужності (MPPT) та контролер реального часу, який виконує пов'язані алгоритми.
  
   
1 Збільшення ефективності перетворення енергії
  
Інвертори, які не використовують алгоритм MPPT, просто підключають PV-модуль безпосередньо до акумулятора, змушуючи PV-модуль працювати при напрузі акумулятора.
  
  
Майже без винятку напруга акумулятора не є ідеальною ціною для збору найбільш доступної сонячної енергії.
  
  
  
На рисунку 2 показані типові характеристики струму / напруги типового 75 Вт модуля ПЗ при температурі 25 ° C батареї.
Пунктирна лінія показує співвідношення напруги (PV VOLTS) до потужності (PV WATTS).
  
Суцільна лінія вказує на співвідношення напруги до струму (PV AMPS). Як показано на малюнку 2, при 12 В вихідна потужність складає приблизно 53 Вт.
Іншими словами, змушуючи фотоелектричний модуль працювати на 12 В, вихідна потужність обмежена приблизно 53 Вт.
  
Але за допомогою алгоритму MPPT ситуація кардинально змінилася. У цьому прикладі напруга, при якій модуль може досягти максимальної вихідної потужності, становить 17 В.
Тому робота алгоритму MPPT полягає в тому, щоб керувати модулем на рівні 17 В, так що всі 75 Вт потужності можна отримати від модуля незалежно від напруги акумулятора.
  
Високошвидкісний перетворювач постійного та постійного струму перетворює напругу 17 В на вході контролера на напругу акумулятора на виході.
Оскільки перетворювач постійного струму / постійного струму знижує напругу від 17 В до 12 В, в цьому випадку струм заряджання акумулятора в системі, що підтримує функцію MPPT:
  
   
(VMODULE / VBATTERY) × IMODULE, або (17V / 12V) × 4.45A = 6.30A.
  
   
Припускаючи, що коефіцієнт перетворення DC / DC перетворювача становить 100%, струм зарядки збільшиться на 1,85A (або 42%).
  
Хоча в цьому прикладі передбачається, що інвертор обробляє енергію від однієї сонячної панелі, традиційні системи зазвичай мають один інвертор, підключений до декількох панелей.
Ця топологія має як переваги, так і недоліки в залежності від застосування.
  
   
2 MPPT алгоритм
  
Існує три основних типи алгоритмів MPPT: спостереження за порушеннями, приріст провідності та постійна напруга.
Перші два способи часто називають "сходженням", оскільки вони базуються на наступних фактах:
  
   
Зліва від MPP крива зростає (dP / dV) 0), а праворуч від MPP крива зменшується (dP / dV "0").
  
Спостереження-спостереження (P & O) метод найчастіше використовується. Алгоритм збуджує робочу напругу у заданому напрямку і зразки dP / dV. Якщо dP / dV є позитивним, алгоритм "розуміє", що це просто регулювання напруги до MPP.
Тоді він завжди буде регулювати напругу в цьому напрямку, доки dP / dV не стане негативним.
  
Алгоритми P & O легко реалізувати, але в стаціонарному режимі вони іноді коливаються навколо MPP.
І швидкість їх реакції є повільною, і навіть у швидко мінливих погодних умовах можна змінити напрямок.
  
Метод збільшення провідності (INC) використовує приріст провідності dI / dV масиву PV для обчислення позитивного та негативного значення dP / dV. INC може відслідковувати швидкі зміни експозиції світла більш точно, ніж P & O. Але, як і P * O, він також може коливатися і "обманюватися" швидко змінюючими атмосферними умовами.
Інший недолік полягає в тому, що додаткова складність збільшує час обчислення та зменшує частоту дискретизації.
  
Третій метод, "Постійний метод напруги", базується на наступних фактах: Загалом, VMPP / VOC0.76. Проблема з цим методом полягає в тому, що вона вимагає миттєвого регулювання струму PV масиву до нуля, щоб виміряти напругу розімкнення схеми масиву. Тоді робоча напруга масиву встановлюється на 76% від вимірюваного значення. Проте під час відключення масиву витрачається енергія.
Було також виявлено, що, хоча 76% напруги з відкритою схемою є гарним наближенням, це не завжди відповідає MPP.
  
Оскільки жоден алгоритм MPPT не може успішно виконувати всі загальні вимоги до використання, багато інженерів-конструкторів дозволять системі спочатку оцінити умови навколишнього середовища, а потім вибрати алгоритм, який найкращим чином відповідає поточним умовам навколишнього середовища.
Справді, існує багато алгоритмів MPPT, і для виробників сонячних панелей не є рідкістю надавати власні алгоритми.
  
   
Для недорогих контролерів, крім звичайних контрольних функцій MCU, виконання алгоритму MPPT - це непроста задача. Алгоритм вимагає від цих контролерів вищої обчислювальної потужності.
  
   
Розширені 32-розрядні мікроконтролери в режимі реального часу, такі як сімейство платформ Texas Instruments C2000, підходять для різних сонячних програм.
  
   
3 інвертора потужності
  
Є багато переваг використання одного інвертора, найвидатнішим з яких є простота та низька вартість. Ефективність єдиної інверторної системи покращується за допомогою алгоритму MPPT та інших методів, але лише в певній мірі. Недоліки однієї топології інвертора можуть відрізнятися залежно від програми.
Найбільш помітною є проблема надійності: якщо інвертор не працює, енергія, яка генерується всіма панелями, витрачається перед тим, як інвертор буде відремонтовано або замінено.
  
Навіть якщо інвертор працює належним чином, одна топологія інвертора може негативно впливати на ефективність системи. У більшості випадків кожна панель сонячних батарей має різні вимоги до керування для максимальної ефективності.
Факторами, що визначають ефективність кожної панелі, є: відмінності у виробництві фотоелектричних модулів, що містяться в панелі, різні температури навколишнього середовища, тіні та азимути різної інтенсивності світла (отримана сонячна енергія).
  
У порівнянні з використанням інвертора у всій системі, забезпечення мікроінвертора для кожної сонячної панелі в системі знову підвищить ефективність перетворення всієї системи.
Основна перевага топології мікроінверторів полягає в тому, що навіть якщо один з інверторів не вдається, перетворення енергії все одно може відбутися.
  
Інші переваги використання мікроінвертора включають можливість регулювання параметрів перетворення кожної сонячної панелі за допомогою високошвидкісної ШІМ. Оскільки хмари, тіні та тіні змінюють вихід кожної панелі, надаючи кожній панелі унікальний мікроінвертор, система може адаптуватися до змінних умов навантаження.
Це забезпечує найкращу ефективність перетворення для кожної панелі та всієї системи.
  
Архітектура мікроінверторів вимагає наявності виділеного мікроконтролера для управління перетворенням енергії.
Однак ці додаткові мікроконтролери також можуть бути використані для поліпшення системного та панельного моніторингу.
  
Наприклад, великі сонячні ферми отримують переваги від міжпанельних комунікацій, щоб допомогти підтримувати балансування навантажень і дозволити системним адміністраторам планувати заздалегідь, скільки енергії доступно і що робити з цією енергією.
Однак для повного використання переваг моніторингу системи, MCU повинна інтегрувати периферійні пристрої зв'язку на основі мікросхем (CAN, SPI, UART та ін.), Щоб спростити взаємодію з іншими мікроінверторами в сонячному масиві.
  
У багатьох додатках використання топології мікроінвертора може значно підвищити загальну ефективність системи. На рівні панелі очікується, що ефективність буде збільшена на 30%.
Проте через велику різницю в додатках, "середній" відсоток системних покращень не має сенсу.
  
   
Аналіз застосувань При оцінці значення мікрочастотного перетворювача в конкретній програмі топологія повинна розглядатися кількома способами.
  
У малих застосунках панелі можуть стикатися з такими самими умовами освітлення, температури та тіні.
Тому мікроінвертори мають обмежену роль у підвищенні ефективності.
  
Для роботи панелей різної напруги для максимальної енергоефективності перетворювач постійного струму / постійного струму потрібен для уніфікації вихідної напруги кожної панелі до робочої напруги акумулятора енергії. Щоб мінімізувати витрати на виробництво, перетворювач постійного струму / постійного струму та інвертор можуть бути спроектовані як єдиний модуль.
Конвертер DC / AC для локальної лінії електропередачі або розподільної мережі також може бути інтегрований у модуль.
  
Сонячні панелі повинні зв'язуватися один з одним, що додає дроти і складності.
Це ще одне питання для включення інверторів, перетворювачів постійного струму / постійного струму та сонячних батарей у модулі.
  
   
MCU кожного інвертора все ще має достатню ємність для роботи з декількома алгоритмами MPPT для різних операційних середовищ.
  
   
Використання декількох мікроконтролерів збільшить матеріальну вартість всієї системи.
  
Кожного разу, коли ви хочете змінити архітектуру, ви будете звертати увагу на його вартість.
Для досягнення цінової цілі системи, наявність одного контролера на панелі означає, що вартість контролера повинна бути конкурентоспроможною та невеликою, але одночасно виконувати всі контрольні, комунікаційні та обчислювальні завдання.
  
Інтеграція правильних периферійних пристроїв на чіпі та висока аналогова інтеграція є двома основними елементами для забезпечення низької вартості системи.
Висока продуктивність також необхідна для реалізації алгоритмів, розроблених для ефективності оптимізації перетворення, системного моніторингу та зберігання енергії.
  
Окрім відповідності вимогам самого мікроінвертора, він також може обробляти мікроконтролери, що вимагають більшої частини всієї системи, включаючи перетворення змінного струму / постійного струму, перетворення постійного і постійного струму та міжмережевий зв'язок, зменшуючи витрати на використання декількох мікроконтролерів .
збільшувати.
  
   
4 функції мікроконтролера
  
Ретельне зважування цих вимог високого рівня - це найкращий спосіб визначити, які функції потребує MCU. Наприклад, керування балансуванням навантаження потрібне при паралельних панелях. Обраний мікроконтроллер повинен мати можливість виявляти струм навантаження, а також підвищити або знизити вихідну напругу, повертаючи вихідний MOSFET вмикання / вимикання.
Для цього потрібен високошвидкісний АЦП для аналізу напруги та струму.
  
Конструкція мікроінвертора не має "незмінного" режиму. Це означає, що дизайнери повинні бути здатними і інноваційно застосовувати нові технології та технології, особливо в спілкуванні між панелями та системами. Найбільш відповідний MCU повинен підтримувати різні протоколи, в тому числі деякі, які зазвичай не розглядаються, такі як Power Line Communications (PLC) та Area Controller Area Network (CAN). Зокрема, зв'язок в лінії електропередач може зменшити вартість системи, тому що спеціальних ліній зв'язку не потрібні.
Але для цього потрібен вбудований високошвидкісний ШІМ, високошвидкісний АЦП та високопродуктивний процесор.
  
Несподівана, але цінна функція для мікроконтролерів, призначених для додатків сонячного інвертора, - це подвійний генератор на мікросхемах, який може використовуватися для виявлення несправностей з годинником для підвищення надійності.
Можливість одночасно запускати два системні годинники також допомагає зменшити проблеми з установкою сонячних панелей.
  
Через багато нововведень у розробці сонячних мікроінверторів, можливо, найважливішою особливістю для MCU є програмне забезпечення.
Ця функція дає вам максимальну гнучкість у дизайні та керуванні електричною схемою.
  
Мікроконтроллер C2000 оснащений сучасним цифровим процесорним ядром, який ефективно обробляє алгоритмічні операції та набір мікросхем периферійних пристроїв для керування перетворенням енергії та широко використовується в традиційних топологіях інвертора сонячних панелей. Нова сім'я Piccolo мікроконтролерів серії C2000 є економічною. Найменший пакет у цій родині становить лише 38 штифтів, однак його архітектура є більш розвиненою, а периферійні пристрої покращені, забезпечуючи переваги 32-бітового контролю в реальному часі до низьких вимог.
Такі програми, як мікроінвертори для загальної вартості системи.
  
Крім того, сімейство Piccolo MCU об'єднує два генератори 10 МГц на мікросхемі для аналізу годин, VREG-на-чіпі з відключенням живлення та захистом від вимкнення живлення, декількома PWM з високою роздільною здатністю 150ps і 12-бітним 4.6
  
  
Megasample / second інтерфейси ADC та протоколу зв'язку, такі як I2C (PMBus), CAN, SPI та UART.
  
  
  
   
Малюнок 3: Система MCU для мікро-інверторів PV-систем складається з процесора, пам'яті, живлення та годинник, периферійних пристроїв.
  
Продуктивність є ключовою особливістю мікроінверторів. Хоча сімейство пристроїв Piccolo є меншим і менш дорогим, ніж інші MCU C2000, його функціональність покращилася, наприклад, його програмувальний прискорювач керування з плаваючою комою (CLA), який обробляє складні алгоритми високошвидкісного керування процесором.
Це усуває необхідність для ЦП для обробки входів / виходів і циклів зворотного зв'язку, і може підвищити продуктивність в 5 разів у закритих програмах.
  
   
5 Випробування фотоелектричної батареї
  
Одним з недоліків систем виробництва сонячної енергії є ефективність конверсії. Сонячні панелі можуть малювати в середньому близько 1 мВт від кожного 100 мм2 фотоелектричних елементів. Типова ефективність - близько 10%.
Коефіцієнт потужності джерела фотоелектричної енергії (тобто відношення середньої електричної енергії, фактично виробленої сонячною батареєю, до теоретично згенерованої електричної енергії за умови, що сонячне світло завжди висвітлюється) становить від 15% до 20%.
  
   
Для цього є цілий ряд причин, включаючи зміни в самій сонячній воді, такі як повне зникнення вночі, і навіть протягом дня, тіні та погодні умови часто призводять до зменшення світла.
  
Фотоелектрична перетворення вводить більше змінних в розрахунок ефективності, включаючи температуру сонячної панелі та її теоретичну максимальну ефективність. Ще однією проблемою для інженерів-конструкторів є те, що напруга, що породжується фотоелектричною кліткою, коливається приблизно на 0,5 В неправильно. Ця зміна може мати серйозний вплив при виборі топології перетворення енергії.
Наприклад, за неефективну технологію перетворення енергії можна споживати значну частину зібраної фотоелектричної енергії.
  
Щоб пристосуватись до того, що сонячне світло не висвітлюється 24 години на добу, системи сонячних батарей повинні містити батареї та складну електроніку, необхідну для ефективного заряду акумуляторів.
Коли акумулятор вбудований в систему, для заряджання акумулятора потрібні додаткові схеми перетворення постійного струму / постійного струму, а також вимагають керування акумулятором та моніторинг.
  
Багато сонячних силових систем також взаємодіють з мережею, що вимагає фазової синхронізації та корекції коефіцієнта потужності. Також існує безліч середовищ, які вимагають складного контролю. Наприклад, необхідно побудувати механізм попередження несправностей, щоб запобігти таким подіям, як перебої з живленням у громадській сітці. Це лише найважливіші речі, які інженери-конструктори повинні враховувати.