Отслеживание точки максимальной мощности ( MPPT ) [1] [2] или иногда просто отслеживание точки мощности ( PPT ) [3] [4] — это метод, используемый с источниками переменной мощности для максимизации извлечения энергии при изменении условий. [5] Этот метод чаще всего используется с фотоэлектрическими (PV) солнечными системами, но может также использоваться с ветряными турбинами , оптической передачей энергии и термофотоэлектрикой .
Солнечные фотоэлектрические системы по-разному взаимодействуют с инверторными системами, внешними сетями, аккумуляторными батареями и другими электрическими нагрузками. [6] Основная проблема, решаемая MPPT, заключается в том, что эффективность передачи энергии от солнечного элемента зависит от количества доступного солнечного света, затенения, температуры солнечной панели и электрических характеристик нагрузки . Поскольку эти условия изменяются, характеристика нагрузки ( импеданс ), которая обеспечивает самую высокую передачу энергии, изменяется. Система оптимизируется, когда характеристика нагрузки изменяется, чтобы поддерживать передачу энергии с самой высокой эффективностью. Эта оптимальная характеристика нагрузки называется точкой максимальной мощности (MPP). MPPT — это процесс регулировки характеристики нагрузки по мере изменения условий. Схемы могут быть спроектированы для подачи оптимальных нагрузок на фотоэлектрические элементы, а затем преобразования напряжения, тока или частоты в соответствии с другими устройствами или системами.
Нелинейная зависимость между температурой и общим сопротивлением солнечных элементов может быть проанализирована на основе кривой «ток-напряжение» (IV) и кривых «мощность-напряжение» (PV). [7] [8] MPPT отбирает выходной сигнал элемента и применяет соответствующее сопротивление (нагрузку) для получения максимальной мощности. [9] Устройства MPPT обычно интегрируются в систему преобразователя электроэнергии , которая обеспечивает преобразование напряжения или тока, фильтрацию и регулирование для управления различными нагрузками, включая электросети, батареи или двигатели. Солнечные инверторы преобразуют мощность постоянного тока в мощность переменного тока и могут включать MPPT.
Мощность в точке MPP (P mpp ) является произведением напряжения MPP (V mpp ) и тока MPP (I mpp ).
В общем случае кривая фотоэлектрических характеристик частично затененной солнечной батареи может иметь несколько пиков, и некоторые алгоритмы могут застрять на локальном максимуме, а не на глобальном максимуме кривой. [10]
Фотоэлектрические элементы имеют сложную взаимосвязь между их рабочей средой и мощностью , которую они вырабатывают. Нелинейная характеристика кривой IV данного элемента в определенных температурных и инсоляционных условиях может быть функционально охарактеризована коэффициентом заполнения ( FF ). Коэффициент заполнения определяется как отношение максимальной мощности от элемента к произведению напряжения холостого хода V oc и тока короткого замыкания I sc . Табличные данные часто используются для оценки максимальной мощности, которую элемент может обеспечить при оптимальной нагрузке в данных условиях:
Для большинства целей FF , V oc и I sc дают достаточную информацию, чтобы дать полезное приблизительное представление об электрическом поведении элемента в типичных условиях.
Для любого заданного набора условий ячейки имеют единственную рабочую точку, в которой значения тока ( I ) и напряжения ( V ) ячейки обеспечивают максимальную выходную мощность . [11] Эти значения соответствуют определенному сопротивлению нагрузки , которое равно V / I , как указано в законе Ома . Мощность P определяется по формуле P=VI .
Фотоэлектрический элемент, для большей части своей полезной кривой, действует как источник постоянного тока . [12] Однако в области MPP фотоэлектрического элемента его кривая имеет приблизительно обратную экспоненциальную зависимость между током и напряжением. Из базовой теории цепей мощность, подаваемая на устройство, оптимизируется (MPP), где производная ( графически, наклон) dI/dV кривой IV равна и противоположна отношению I/V (где d P/dV = 0) [13] и соответствует «колену» кривой.
Нагрузка с сопротивлением R=V/I , равным обратной величине этого значения, потребляет максимальную мощность от устройства. Иногда это называют «характеристическим сопротивлением» ячейки. Это динамическая величина, которая изменяется в зависимости от уровня освещенности, а также других факторов, таких как температура и состояние ячейки. Более низкое или более высокое сопротивление снижает выходную мощность. Трекеры точки максимальной мощности используют схемы управления или логику для определения этой точки.
Если доступна полная кривая мощности-напряжения (PV), то точку максимальной мощности можно получить, используя метод деления пополам .
При прямом подключении нагрузки к ячейке рабочая точка панели редко находится на пиковой мощности. Сопротивление, видимое панелью, определяет ее рабочую точку. Правильная настройка сопротивления обеспечивает достижение пиковой мощности. Поскольку панели являются устройствами постоянного тока, преобразователи постоянного тока преобразуют сопротивление одной цепи (источника) в сопротивление другой цепи (нагрузки). Изменение коэффициента заполнения преобразователя постоянного тока изменяет импеданс (коэффициент заполнения), видимый ячейкой. На кривую IV панели могут существенно влиять атмосферные условия, такие как освещенность и температура.
Алгоритмы MPPT часто берут образцы напряжений и токов панели, а затем соответствующим образом корректируют коэффициент заполнения. Микроконтроллеры реализуют алгоритмы. Современные реализации часто используют более сложные компьютеры для аналитики и прогнозирования нагрузки.
Контроллеры могут следовать нескольким стратегиям для оптимизации выходной мощности. MPPT могут переключаться между несколькими алгоритмами в зависимости от условий. [14]
В этом методе контроллер регулирует напряжение от массива на небольшую величину и измеряет мощность; если мощность увеличивается, то предпринимаются дальнейшие корректировки в этом направлении до тех пор, пока мощность больше не будет увеличиваться. Это называется возмущением и наблюдением (P&O) и является наиболее распространенным, хотя этот метод может вызвать колебания выходной мощности. [15] [16] Его также называют методом восхождения на холм , поскольку он зависит от подъема кривой мощности по напряжению ниже точки максимальной мощности и падения выше этой точки. [17] Метод возмущения и наблюдения является наиболее часто используемым из-за его простоты реализации. [15] Метод возмущения и наблюдения может привести к достижению наивысшего уровня эффективности при условии принятия надлежащей предиктивной и адаптивной стратегии восхождения на холм. [18] [19]
В этом методе контроллер измеряет инкрементные изменения тока и напряжения, чтобы предсказать эффект изменения напряжения. Этот метод требует больше вычислений в контроллере, но может отслеживать изменяющиеся условия быстрее, чем P&O. Выходная мощность не колеблется. [20] Он использует инкрементную проводимость ( ) фотоэлектрической батареи для вычисления знака изменения мощности относительно напряжения ( ). [21] Метод инкрементной проводимости вычисляет MPP путем сравнения инкрементной проводимости ( ) с проводимостью батареи ( ). Когда эти два параметра одинаковы ( ), выходное напряжение является напряжением MPP. Контроллер поддерживает это напряжение до тех пор, пока не изменится облучение, и процесс не будет повторен.
Метод инкрементной проводимости основан на наблюдении, что при MPP, , и что . Ток от массива можно выразить как функцию напряжения:
Следовательно, . Приравнивая это к нулю, получаем: . Следовательно, MPP достигается, когда инкрементная проводимость равна отрицательной мгновенной проводимости. Характеристика кривой мощность-напряжение показывает, что: когда напряжение меньше MPP, , поэтому ; когда напряжение больше MPP, или . Таким образом, трекер может узнать, где он находится на кривой мощность-напряжение, вычислив отношение изменения тока/напряжения и самого текущего напряжения.
Метод развертки тока использует форму волны развертки для тока массива таким образом, что характеристика IV массива PV получается и обновляется через фиксированные интервалы времени. Затем напряжение MPP может быть вычислено из характеристической кривой через те же интервалы. [22] [23]
Методы постоянного напряжения включают в себя метод, в котором выходное напряжение регулируется до постоянного значения при всех условиях, и метод, в котором выходное напряжение регулируется на основе постоянного отношения к измеренному напряжению разомкнутой цепи ( ). Последний метод также может быть назван методом «разомкнутого напряжения». [24] Если выходное напряжение поддерживается постоянным, нет попытки отслеживать MPP, поэтому это не строго метод MPPT, хотя он работает в случаях, когда отслеживание MPP имеет тенденцию к сбою, и поэтому он иногда используется дополнительно. В методе разомкнутого напряжения подача питания на мгновение прерывается, и измеряется напряжение разомкнутой цепи с нулевым током. Затем контроллер возобновляет работу с напряжением, контролируемым при фиксированном отношении, например 0,76, к напряжению разомкнутой цепи . [25] Обычно это значение, которое было заранее определено как MPP, либо эмпирически, либо на основе моделирования для ожидаемых условий эксплуатации. [20] [21] Таким образом, рабочая точка массива поддерживается вблизи MPP путем регулирования напряжения массива и сопоставления его с фиксированным опорным напряжением . Значение может быть выбрано для получения оптимальной производительности относительно других факторов, а также MPP, но основная идея заключается в том, что оно определяется как отношение к . Одно из неотъемлемых приближений в методе заключается в том, что отношение напряжения MPP к является лишь приблизительно постоянным, поэтому оно оставляет место для дальнейшей возможной оптимизации.
Этот метод оценивает напряжение MPP ( ) путем измерения температуры солнечного модуля и сравнения ее с эталоном. [26] Поскольку изменения уровней облучения оказывают незначительное влияние на напряжение MPP, его влияние можно игнорировать — предполагается, что напряжение изменяется линейно с температурой.
Этот алгоритм вычисляет следующее уравнение:
где:
Как метод P&O, так и метод инкрементной проводимости являются примерами методов «подъема на холм», которые позволяют найти локальный максимум кривой мощности для рабочего состояния массива и, таким образом, обеспечить истинный MPP. [7] [17] [20]
P&O создает колебания выходной мощности около точки максимальной мощности даже при устойчивом облучении.
Инкрементальная проводимость может определять максимальную точку мощности без колебаний. [15] Он может выполнять MPPT при быстро меняющихся условиях облучения с большей точностью, чем P&O. [15] Однако этот метод может создавать колебания и может работать неустойчиво при быстро меняющихся атмосферных условиях. Частота дискретизации уменьшается из-за более высокой сложности алгоритма по сравнению с P&O. [21]
В методе постоянного отношения напряжения (или «разомкнутого напряжения») энергия может теряться в то время, когда ток установлен на ноль. [21] Приближение 76% как отношения не обязательно является точным. [21] Несмотря на простоту и низкую стоимость реализации, прерывания снижают эффективность массива и не гарантируют нахождение фактического MPP. Однако эффективность некоторых систем может достигать более 95%. [25]
Традиционные солнечные инверторы выполняют MPPT для всего массива. В таких системах один и тот же ток, диктуемый инвертором, протекает через все модули в цепочке (серии). Поскольку разные модули имеют разные кривые IV и разные MPP (из-за производственных допусков, частичного затенения [27] и т. д.), эта архитектура означает, что некоторые модули будут работать ниже своего MPP, что снижает эффективность. [28]
Вместо этого MPPT можно развернуть для отдельных модулей, что позволит каждому из них работать с максимальной эффективностью, несмотря на неравномерное затенение, загрязнение или электрическое несоответствие.
Данные показывают, что наличие одного инвертора с одним MPPT для проекта, имеющего одинаковое количество модулей, ориентированных на восток и запад, не представляет никаких недостатков по сравнению с наличием двух инверторов или одного инвертора с более чем одним MPPT. [29]
Ночью автономная фотоэлектрическая система может использовать батареи для питания нагрузок. Хотя напряжение полностью заряженной батареи может быть близко к напряжению MPP фотоэлектрической панели, это вряд ли будет верно на рассвете, когда батарея частично разряжена. Зарядка может начаться при напряжении, значительно ниже напряжения MPP фотоэлектрической панели, и MPPT может устранить это несоответствие.
Когда батареи полностью заряжены и производство PV превышает локальные нагрузки, MPPT больше не может управлять панелью на ее MPP, поскольку избыточная мощность не имеет нагрузки, которая могла бы ее поглотить. Затем MPPT должен сместить рабочую точку PV панели от точки пиковой мощности до тех пор, пока производство не сравняется со спросом. (Альтернативный подход, обычно используемый в космических аппаратах, заключается в перенаправлении избыточной PV мощности на резистивную нагрузку, что позволяет панели непрерывно работать на своей точке пиковой мощности, чтобы поддерживать панель как можно более холодной. [30] )
В системе, подключенной к сети, вся поставляемая мощность от солнечных модулей отправляется в сеть. Поэтому MPPT в системе, подключенной к сети, всегда пытается работать на MPP.
Медиа, связанные с Maximum power point tracker на Wikimedia Commons