Suunnitteluehdotus aurinkoenergiajärjestelmien optimoimiseksi

Uudempi lähestymistapa aurinkojärjestelmien tehokkuuden ja luotettavuuden optimointiin on mikro-invertterien käyttö, jotka on kytketty jokaiseen aurinkopaneeliin.
Jokaiselle aurinkopaneelille on varustettu erillisellä mikro-invertterillä, ja järjestelmä voi sopeutua muuttuviin kuormitus- ja sääolosuhteisiin.
  
   
Mikro-invertteri-arkkitehtuuri myös helpottaa kaapelointia, mikä tarkoittaa pienempiä asennuskustannuksia.
  
   
Tehostamalla kuluttajan aurinkoenergian tuotantojärjestelmää, aika, joka kuluu järjestelmän "takaisinvetoon" aurinkotekniikkaan, vähenee.
  
Tehosuuntaajat ovat aurinkosähköjärjestelmien keskeisiä elektronisia komponentteja. Kaupallisissa sovelluksissa nämä komponentit yhdistävät aurinkosähköpaneeleita, sähköenergiaa varastoivia paristoja sekä paikallisia sähkönjakelujärjestelmiä tai -verkkoja.
Kuvio 1 esittää tyypillistä aurinkosuuntaajaa, joka muuntaa erittäin pienet tasajännitteet PV-ryhmästä ulostuloksi useiksi jännitteiksi, kuten akun tasajännitteeksi, verkkojohdon jännitteeksi ja jakeluverkon jännitteeksi.
  
   
Tyypillisessä aurinkoenergian keräysjärjestelmässä useita aurinkopaneeleja on kytketty rinnakkain taajuusmuuttajan kanssa, joka muuntaa useiden aurinkokennojen muuttuvan DC-ulostulon puhtaaksi 50 Hz: n tai 60 Hz: n siniaalto-invertteriksi.
  
   
  
  
Lisäksi on huomattava, että mikrokontrolleri (MCU) -moduuli TMS320C2000 tai MSP430 kuviossa 1 sisältää tyypillisesti avain-siru-oheislaitteita, kuten pulssileveysmodulaation (PWM) moduulit ja A / D-muuntimet.
  
  
  
   
Kuva 1: Perinteinen tehonmuunnosarkkitehtuuri koostuu aurinkosuuntaajasta, joka vastaanottaa pienen tasavirtajännitteen PV-ryhmästä ja tuottaa verkkojohdon jännitteen.
  
Suunnittelun päätavoitteena on maksimoida konversiotehokkuus.
Tämä on monimutkainen ja iteratiivinen prosessi, johon liittyy suurin tehopisteen seurantaalgoritmi (MPPT) ja reaaliaikainen ohjain, joka suorittaa niihin liittyvät algoritmit.
  
   
1 Maksimoi tehon muuntamisen tehokkuus
  
Invertterit, jotka eivät käytä MPPT-algoritmia, yhdistävät PV-moduulin suoraan akkuun ja pakottavat PV-moduulin toimimaan akun jännitteellä.
  
  
Melkein poikkeuksetta akun jännite ei ole ihanteellinen arvo käytettävissä olevan aurinkoenergian keräämiseksi.
  
  
  
Kuvio 2 havainnollistaa tyypillisen 75 W: n PV-moduulin tyypillisiä virran / jännitteen ominaisuuksia akun 25 ° C: n lämpötilassa.
Pisteviiva osoittaa jännitteen (PV VOLTS) ja tehon (PV WATTS) suhdetta.
  
Kiinteä viiva osoittaa jännitteen ja virran suhdetta (PV AMPS). Kuten kuviossa 2 on esitetty, 12 V: n ulostuloteho on noin 53 W.
Toisin sanoen pakottamalla aurinkosähkömoduulin toimimaan 12 V: n ulostuloteholla on rajoitettu noin 53 W.
  
Mutta MPPT-algoritmilla tilanne on muuttunut radikaalisti. Tässä esimerkissä jännite, jolla moduuli voi saavuttaa suurimman lähtötehon, on 17V.
Tästä syystä MPPT-algoritmin tehtävänä on käyttää moduulia 17 V: ssa, jotta kaikki 75 W: n teho voidaan saada moduulista akun jännitteestä riippumatta.
  
Korkean hyötysuhteen omaava DC / DC-muunnin muuntaa säätimen tulossa olevan 17V: n jännitteen akun jännitteeksi ulostulossa.
Koska DC / DC-muunnin vähentää jännitettä 17V: sta 12V: een, tässä tapauksessa akun latausvirta MPPT-toimintoa tukevassa järjestelmässä on:
  
   
(VMODULE / VBATTERY) × IMODULE tai (17V / 12V) × 4.45A = 6.30A.
  
   
Olettaen, että DC / DC-muuntimen muuntotehokkuus on 100%, latausvirta kasvaa 1,85A: lla (tai 42%).
  
Vaikka tässä esimerkissä oletetaan, että taajuusmuuttaja käsittelee energiaa yhdestä aurinkopaneelista, tavanomaisissa järjestelmissä on tyypillisesti yksi invertteri, joka on kytketty useisiin paneeleihin.
Tällä topologialla on sekä etuja että haittoja sovelluksesta riippuen.
  
   
2 MPPT-algoritmi
  
MPPT-algoritmeja on kolmea päätyyppiä: häiriötarkastus, johtokyvyn lisäys ja vakiojännite.
Kaksi ensimmäistä menetelmää kutsutaan usein "kiipeilyksi", koska ne perustuvat seuraaviin seikkoihin:
  
   
MPP: n vasemmalla puolella käyrä on nousussa (dP / dV) 0), kun taas MPP: n oikealla puolella käyrä on alaspäin (dP / dV "0").
  
Häiriötarkkailutapa (P&O) on yleisimmin käytetty. Algoritmi häiritsee käyttöjännitettä tietyssä suunnassa ja näytteitä dP / dV. Jos dP / dV on positiivinen, algoritmi "ymmärtää", että se vain sääteli jännitettä MPP: hen.
Sitten se säätää aina jännitettä tähän suuntaan, kunnes dP / dV tulee negatiiviseksi.
  
P & O-algoritmeja on helppo toteuttaa, mutta vakaan tilan toiminnassa ne joskus värähtelevät MPP: n ympärillä.
Ja niiden vasteaika on hidasta, ja jopa nopeasti muuttuvissa sääolosuhteissa on mahdollista kääntää suunta.
  
Conductance Increment (INC) -menetelmässä käytetään PV-ryhmän johtokyvyn lisäystä dI / dV dP / dV: n positiivisen ja negatiivisen laskemiseksi. INC voi seurata nopeasti muuttuvia valoaltistuksia tarkemmin kuin P&O. Mutta kuten P * O: lla, se voi myös värähtyä ja "pettää" nopeasti muuttuvissa ilmakehän olosuhteissa.
Toinen haittapuoli on se, että lisätty monimutkaisuus lisää laskenta-aikaa ja vähentää näytteenottotaajuutta.
  
Kolmas menetelmä, "vakiojännitemenetelmä", perustuu seuraaviin seikkoihin: Yleensä VMPP / VOC0.76. Tämän menetelmän ongelmana on se, että se vaatii välittömästi PV-ryhmän virran säätämisen nollaan matriisin avoimen piirin jännitteen mittaamiseksi. Sitten massan käyttöjännite asetetaan 76%: iin mitatusta arvosta. Ryhmän irrottamisen aikana käytettävissä oleva energia hukkaan kuitenkin.
On myös havaittu, että vaikka 76% avoimen piirin jännitteestä on hyvä likiarvo, se ei aina ole yhdenmukainen MPP: n kanssa.
  
Koska mikään MPPT-algoritmi ei pysty menestyksekkäästi täyttämään kaikki yleiset käyttövaatimukset, monet suunnitteluinsinöörit antavat järjestelmän arvioida ensin ympäristöolosuhteet ja valita sitten algoritmin, joka parhaiten sopii nykyisiin ympäristöolosuhteisiin.
Itse asiassa on olemassa monia MPPT-algoritmeja, eikä aurinkopaneelien valmistajilla ole harvinaista tarjota omia algoritmejaan.
  
   
Halvat ohjaimet MCU: n normaalien ohjaustoimintojen lisäksi MPPT-algoritmin suorittaminen ei ole helppoa. Algoritmi vaatii näiden säätimien ylivoimaisen laskentatehon.
  
   
Edistykselliset 32-bittiset reaaliaikaiset mikrokontrollerit, kuten Texas Instruments C2000 -ympäristöperhe, soveltuvat erilaisiin aurinkosovelluksiin.
  
   
3 tehonsuuntaaja
  
Yhden taajuusmuuttajan käytössä on monia etuja, joista merkittävin on yksinkertaisuus ja edulliset kustannukset. Yksittäisen invertterijärjestelmän tehokkuutta parannetaan MPPT-algoritmilla ja muilla tekniikoilla, mutta vain tietyssä määrin. Yhden taajuusmuuttajan topologian haitat voivat vaihdella sovelluksesta riippuen.
Merkittävin on luotettavuusongelma: niin kauan kuin taajuusmuuttaja epäonnistuu, kaikkien paneelien tuottama energia hukkaan ennen kuin taajuusmuuttaja korjataan tai vaihdetaan.
  
Vaikka taajuusmuuttaja toimii oikein, yksittäisellä invertterin topologialla voi olla kielteinen vaikutus järjestelmän tehokkuuteen. Useimmissa tapauksissa jokaisella aurinkopaneelilla on erilaiset ohjausvaatimukset maksimaalisen tehokkuuden saavuttamiseksi.
Kunkin paneelin tehokkuutta määrittävät tekijät ovat: paneelin sisältämien aurinkosähkömoduulien valmistuksen erot, erilaiset ympäristön lämpötilat, varjot ja eri valon voimakkuudet (vastaanotettu aurinkoenergia).
  
Verrattuna taajuusmuuttajan käyttöön koko järjestelmässä, mikro-invertterin tarjoaminen jokaiselle järjestelmän aurinkopaneelille lisää jälleen koko järjestelmän muuntamistehokkuutta.
Mikro-invertterin topologian tärkein etu on, että vaikka yksi taajuusmuuttajista epäonnistuu, energian muuntaminen voi silti tapahtua.
  
Muita mikro-invertterin käytön etuja ovat kyky säätää kunkin aurinkopaneelin muunnosparametreja käyttämällä korkean resoluution PWM: ää. Koska pilvet, varjot ja varjot muuttavat kunkin paneelin ulostuloa, jokaisen paneelin tarjoaminen ainutlaatuisella mikro-invertterillä mahdollistaa järjestelmän sopeutumisen muuttuviin kuormitusolosuhteisiin.
Tämä tarjoaa parhaan muuntamistehokkuuden kullekin paneelille ja koko järjestelmälle.
  
Mikro-invertteri-arkkitehtuuri edellyttää, että kullakin paneelilla on oma MCU, jolla hallitaan energian muuntamista.
Näitä ylimääräisiä MCU: ita voidaan kuitenkin käyttää myös järjestelmän ja paneelin valvonnan parantamiseen.
  
Esimerkiksi suuret aurinkotilat hyötyvät paneelien välisestä viestinnästä, joka auttaa ylläpitämään kuormituksen tasapainottamista ja antamaan järjestelmänvalvojille mahdollisuuden suunnitella etukäteen, kuinka paljon energiaa on saatavilla ja mitä siihen energiaan.
Jotta järjestelmävalvonnan hyödyt voitaisiin hyödyntää täysimääräisesti, MCU: n on integroitava siruyhteyden oheislaitteet (CAN, SPI, UART, jne.), Jotta yksinkertaistettaisiin muiden aurinkopiirin mikro-invertterien liittymistä.
  
Monissa sovelluksissa mikro-invertterin topologian käyttö voi lisätä merkittävästi järjestelmän kokonaistehokkuutta. Paneelin tasolla tehokkuuden odotetaan kasvavan 30%.
Sovellusten laajasta vaihtelusta johtuen järjestelmän keskimääräisten parannusten ”keskimääräinen” prosenttiosuus ei kuitenkaan ole järkevää.
  
   
Sovellusten analysointi Kun arvioidaan mikro-taajuusmuuttajan arvoa tietyssä sovelluksessa, topologiaa tulisi tarkastella usealla tavalla.
  
Pienissä sovelluksissa paneelit voivat kohdata olennaisesti samat valaistus-, lämpötila- ja varjo-olosuhteet.
Siksi mikro-inverttereilla on rajallinen rooli tehokkuuden parantamisessa.
  
Jotta paneeleja voitaisiin käyttää eri jännitteissä maksimaalisen energiatehokkuuden saavuttamiseksi, tarvitaan DC / DC-muunnin kunkin paneelin lähtöjännitteen yhdistämiseksi energian varastointiakun käyttöjännitteeseen. Valmistuskustannusten minimoimiseksi DC / DC-muunnin ja invertteri voidaan suunnitella yhtenä moduulina.
Moduuliin voidaan myös integroida DC / AC-muunnin paikallis- tai jakeluverkkoon.
  
Aurinkopaneelien on oltava yhteydessä toisiinsa, mikä lisää johtoja ja monimutkaisuutta.
Tämä on toinen ongelma invertterien, DC / DC-muuntimien ja aurinkopaneelien sisällyttämiseksi moduuliin.
  
   
Kunkin taajuusmuuttajan MCU: lla on edelleen oltava riittävä kapasiteetti useiden MPPT-algoritmien suorittamiseen erilaisiin käyttöympäristöihin.
  
   
Useiden MCU: iden käyttö lisää koko järjestelmän materiaalikustannuksia.
  
Aina kun harkitset arkkitehtuurin muuttamista, kiinnität huomiota sen kustannuksiin.
Järjestelmän hintatavoitteen saavuttamiseksi yhdellä ohjaimella paneelilla tarkoitetaan sitä, että ohjaimen kustannusten tulee olla kilpailukykyisiä ja pieniä, mutta silti käsitellä kaikkia ohjaus-, viestintä- ja laskentatehtäviä samanaikaisesti.
  
Oikean ohjauksen oheislaitteiden integrointi sirulle ja korkea analoginen integraatio ovat kaksi perustavaa laatua olevaa elementtiä, jotka takaavat järjestelmän alhaiset kustannukset.
Korkea suorituskyky edellyttää myös algoritmien toteuttamista, jotka on kehitetty muuntamisen, järjestelmän seurannan ja energian varastoinnin tehokkuuden parantamiseksi.
  
Sen lisäksi, että se täyttää mikro-invertterin vaatimukset, se voi myös käsitellä MCU-laitteita, jotka vaativat suurimman osan koko järjestelmästä, mukaan lukien AC / DC-muunnos, DC / DC-muunnos ja paneeliviestintä, mikä vähentää useiden MCU-laitteiden käyttökustannuksia .
lisääntyä.
  
   
4 MCU-ominaisuutta
  
Näiden korkean tason vaatimusten huolellinen punnitseminen on paras tapa määrittää, mitä ominaisuuksia MCU tarvitsee. Esimerkiksi kuormituksen tasapainotusohjausta tarvitaan, kun paneeleja käytetään rinnakkain. Valitun MCU: n täytyy pystyä tunnistamaan kuormavirta ja voi nostaa tai laskea lähtöjännitettä kääntämällä lähtö MOSFET päälle / pois.
Tämä vaatii nopean kiintolevyn ADC: n näytteen jännitteeseen ja virtaan.
  
Mikroinvertterin suunnittelussa ei ole "muuttumatonta" tilaa. Tämä tarkoittaa sitä, että suunnittelijoiden on pystyttävä ja innovatiivinen ottamaan käyttöön uusia tekniikoita ja tekniikoita, erityisesti paneelien ja järjestelmien välisessä viestinnässä. Sopivimman MCU: n pitäisi tukea erilaisia protokollia, mukaan lukien jotkut, joita ei yleensä ajatella, kuten Power Line Communications (PLC) ja Controller Area Network (CAN). Erityisesti sähköjohdon tiedonsiirto voi vähentää järjestelmän kustannuksia, koska erityisiä tietoliikenneyhteyksiä ei tarvita.
Mutta tämä edellyttää, että MCU: lla on sisäänrakennettu tehokas PWM, nopea ADC ja tehokas CPU.
  
Odottamaton mutta arvokas piirre aurinkosuuntaajakäyttöjärjestelmille suunnitelluille MCU-laitteille on kaksois-siru-oskillaattori, jota voidaan käyttää kellovirheen havaitsemiseen luotettavuuden parantamiseksi.
Kyky käyttää kahta järjestelmäkelloa samanaikaisesti auttaa myös vähentämään aurinkopaneelien asennuksen ongelmia.
  
Aurinko-mikro-invertterien suunnittelun monien innovaatioiden vuoksi MCU: iden ehkä tärkein ominaisuus on ohjelmistojen ohjelmointi.
Tämä ominaisuus antaa sinulle suurimman joustavuuden virtapiirin suunnittelussa ja ohjauksessa.
  
C2000-mikrokontrolleri on varustettu kehittyneellä digitaalisella prosessointisydämellä, joka käsittelee tehokkaasti algoritmisia toimintoja ja piirisarjaa energian muuntamisen ohjaukseen ja jota käytetään laajalti perinteisissä aurinkopaneelien inverterin topologioissa. C2000-sarjan mikrokontrollerien uusi Piccolo-perhe on taloudellinen. Pienin paketti tässä perheessä on vain 38 nastaa, mutta sen arkkitehtuuri on kehittyneempi ja oheislaitteet paranevat, mikä tuo 32-bittisen reaaliaikaisen ohjauksen edut alhaisiin vaatimuksiin.
Sovellukset, kuten mikro-invertterit, järjestelmän kokonaiskustannuksiin.
  
Lisäksi Piccolo MCU -perhe yhdistää kaksi chip-10MHz: n oskillaattoria kellon vertailuun, on-chip-VREG-virransyöttö- ja virrankatkaisusuojaus, useita suuriresoluutioisia 150ps PWM ja 12-bittinen 4,6
  
  
Megasample / second ADC- ja tietoliikenneprotokollarajapinnat, kuten I2C (PMBus), CAN, SPI ja UART.
  
  
  
   
Kuva 3: Mikroinvertterien PV-pohjaisten järjestelmien MCU-järjestelmä koostuu CPU: sta, muistista, tehosta ja kellosta, oheislaitteista.
  
Suorituskyky on mikro-invertterien keskeinen piirre. Vaikka Piccolo-laitteiden ryhmä on pienempi ja halvempi kuin muut C2000-MCU: t, sen toiminnallisuus on parantunut, kuten sen ohjelmoitava kelluva pisteenohjauslainsäädännön kiihdytin (CLA), joka käsittelee monimutkaisia nopeusohjausalgoritmeja CPU: lle.
Tämä poistaa CPU: n tarpeen käsitellä I / O- ja takaisinkytkentäsilmukoita ja parantaa suorituskykyä 5: llä suljetun silmukan sovelluksissa.
  
   
5 Aurinkokennojen haasteet
  
Yksi aurinkoenergian tuotantojärjestelmien haitoista on muuntotehokkuus. Aurinkopaneelit voivat vetää keskimäärin noin 1 mW jokaista 100 mm2 aurinkosähköelementtiä kohti. Tyypillinen hyötysuhde on noin 10%.
Aurinkosähkövirran tehokerroin (ts. Aurinkokennon tuottaman keskimääräisen sähköenergian suhde teoreettisesti tuotettuun sähköenergiaan sillä edellytyksellä, että auringonvalo on aina valaistu) on noin 15% - 20%.
  
   
Tähän on useita syitä, kuten itse auringon muutokset, kuten täydellinen katoaminen yöllä, ja jopa päivän aikana varjojen ja sääolosuhteiden vuoksi valo heikkenee usein.
  
Valosähköinen muunnos tuo lisää muuttujia tehokkuuden laskentaan, mukaan lukien aurinkopaneelin lämpötila ja teoreettinen huipputehokkuus. Toinen suunnittelijan ongelma on se, että aurinkokennon tuottama jännite vaihtelee noin 0,5 V epäsäännöllisesti. Tällä muutoksella voi olla vakava vaikutus valittaessa energian muuntamisen topologiaa.
Esimerkiksi tehottomasta energian muuntamistekniikasta on mahdollista kuluttaa suuri osa kerätystä aurinkosähköstä.
  
Jotta aurinko ei syty 24 tuntia vuorokaudessa, aurinkoenergialla varustettujen järjestelmien on sisällettävä paristot ja monimutkainen elektroniikka, jota tarvitaan akkujen lataamiseen.
Kun akku on integroitu järjestelmään, akun lataaminen vaatii ylimääräisiä DC / DC-muunnospiirejä ja vaatii samalla akun hallintaa ja seurantaa.
  
Monet aurinkokäyttöiset järjestelmät ovat myös liitäntäverkkoa verkkoon, mikä vaatii vaihesynkronointia ja tehokertoimen korjausta. On myös monia ympäristöjä, jotka vaativat monimutkaisia säätöjä. Esimerkiksi vikailmoitusmekanismi on rakennettava siten, että estetään sellaisten tapahtumien kuten sähkökatkosten tekeminen julkisessa ruudussa. Nämä ovat vain huipputekijöitä, jotka suunnittelijan on otettava huomioon.