ANALIZA WPŁYWU KONFIGURACJI PANELI FOTOWOLTAICZNYCH NA WEWNĘTRZNE STRATY MOCY ELEKTROWNI PV

Transkrypt

1 Stefan WÓJTOWICZ Maciej ZAWISTOWSKI ANALIZA WPŁYWU KONFIGURACJI PANELI FOTOWOLTAICZNYCH NA WEWNĘTRZNE STRATY MOCY ELEKTROWNI PV STRESZCZENIE Konfiguracja szeregowo-równoległa paneli w Elektrowni Fotowoltaicznej determinowana jest kilkoma względami. Najistotniejsze są wymagania elektryczne dotyczące napięcia i prądu wejściowego falownika sprzęgającego z siecią elektroenergetyczną. Plan rozłożenia paneli w terenie wynika z ukształtowania powierzchni oraz możliwości prowadzenia kabli i usytuowania przestrzennego takich elementów jak przyłącze, falownik, zestaw akumulatorów. W pracy poddano analizie wpływ rozrzutu indywidualnych parametrów paneli fotowoltaicznych na straty własne elektrowni. Wykazano, że sposób doboru paneli według indywidualnych parametrów oraz łączenie paneli w gałęzie szeregowe i równoległe ma wpływ na straty własne i tym samym wpływa na sprawność elektrowni. Badania symulacyjne przeprowadzono z wykorzystaniem opracowanego przez autorów modułu PVP CAD w środowisku MATLAB. Słowa kluczowe: elektrownie fotowoltaiczne, straty mocy w panelach fotowoltaicznych DOI: / WPROWADZENIE Elektrownia fotowoltaiczna składa się z paneli połączonych w układzie szeregowo-równoległym z zachowaniem możliwej do osiągnięcia symetrii elektrycznej. Charakterystyki dostarczanych przez producenta paneli nie są identyczne. Rozrzut parametrów technicznych paneli wynika z technologii wytwarzania podzespołów oraz różnic w umiejscowieniu na terenie elektrowni. Sposób dobierania i łączenia paneli różniących się parametrami ma wpływ na straty wewnętrzne elektrowni. Już na poziomie sprawdzania charakterystyk paneli odebranych od producenta możliwa jest analiza różnych konfiguracji możliwych połączeń i wybranie najlepszej. Opracowany w Zakładzie Systemów Pomiarowo-Diagnostycznych Instytutu Elektrotechniki program dr inż. Stefan WÓJTOWICZ 1), mgr inż. Maciej ZAWISTOWSKI 2) m.zawistowski@iel.waw.pl 1) FRAKO-TERM, Toruń, ul. Morwowa 6, Toruń 2) Instytut Elektrotechniki, ul. M. Pożaryskiego 28, Warszawa PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, ISSN , LXIV, zeszyt 276, 2017

2 50 S. Wójtowicz, M. Zawistowski symulacyjny PVP CAD pozwala wyznaczać straty wewnętrzne zestawu dla różnych konfiguracji połączeń. Instalator elektrowni może poprawić sprawność elektrowni stosując program symulacyjny i badając straty własne w zależności od rozmieszczenia paneli. 2. MODEL FUNKCJONALNY ELEKTROWNI FOTOWOLTAICZNEJ Przyjęto model elektrowni fotowoltaicznej [1], która składa się z N równolegle połączonych gałęzi. Każda gałąź składa się z M paneli połączonych szeregowo. Sieć połączeń między panelami zakończona jest dwubiegunowym wejściem na falownik sprzęgający elektrownię z siecią elektroenergetyczną. Pojedynczy panel określony jest charakterystykami, które są przyjmowane według danych producenta lub są odtwarzane w procesie kontroli dostaw przed zamontowaniem. W środowisku MATLAB panele są modelowane układem zastępczym, pozwalającym na wyznaczenie charakterystyk zmian prądu i napięcia w funkcji nasłonecznienia panelu przy zadanej temperaturze (rys. 1). Rys. 1. Model symulacyjny panelu fotowoltaicznego Pojedyncze ogniwo fotowoltaiczne jest modelowane poprzez źródło prądowe połączone z dwiema diodami ekwipotencjalnymi i dwoma rezystorami [2] (rys. 2). Rys. 2. Schemat zastępczy ogniwa fotowoltaicznego

3 Analiza wpływu konfiguracji paneli fotowoltaicznych na wewnętrzne straty mocy 51 Prąd wyjściowy w tym obwodzie wyrażany jest zależnością [1]: I wy I ph I s e V I Rs NVt V I Rs N V V I R t s I 2 1 s e 1 (1) 2 R p Wartość źródła prądowego przedstawia zależność: I G r ph I (2) ph0 Gr 0 oraz napięcie termiczne wyznaczane jest ze wzoru: kt V t (3) q oznaczenia: G r nasłonecznienie W, 2 m G r 0 nasłonecznienie w parametrach normalnych I s prąd nasycenia diody D1, I prąd nasycenia diody D2, s2 V t napięcie termiczne, k stała Boltzmanna, T symulowana temperatura, q ładunek elementarny elektronu, N współczynnik emisji diody D1, N 2 współczynnik emisji diody D2, V napięcie na wyjściu, R rezystancja szeregowa s R rezystancja równoległa. p W, 2 m Model całej elektrowni tworzony jest z paneli połączonych w układ szeregoworównoległy [4]. Każdy panel posiada indywidualną charakterystykę prądowo-napięciową. Charakterystyki indywidualne tworzone są przez dodanie czynnika losowego do modelu podstawowego pokazanego na rysunku 1. W celu wyznaczenia mocy strat elektrowni i rozpływu prądów gałęziowych w stanie jałowym wykorzystano metodę prądów oczkowych. Do wyznaczenia parametrów elektrowni w stanie jałowym (bez obciążenia) skorzystano z metody Thevenina. Program pozwala na wyznaczanie wartości strat w zależności od wartości obciążenia elektrowni. Wartości niezbędne do wyznaczenia tego parametru są obliczane za pomocą metody superpozycji.

4 52 S. Wójtowicz, M. Zawistowski 3. RÓWNANIE STRAT WŁASNYCH Straty własne całego zestawu paneli w sieci szeregowo-równoległej elektrowni fotowoltaicznej wyznaczane są jako suma strat w poszczególnych gałęziach. Sumaryczna wartość strat jest wyznaczana równaniem: gdzie: P cał n N n1 2 P( n) R g ( n) I g ( n), P( n) (4) Rg ( n ) suma rezystancji szeregowych w gałęzi n, I prąd gałęzi n. g W przyjętym modelu całkowite straty własne są sumą strat w każdym z paneli. W warunkach rzeczywistej eksploatacji istotne są straty lokalne w panelach powodujące wzrost temperatury i zmniejszenie sprawności. W modelu można zidentyfikować panele, które charakteryzują się największymi stratami własnymi dokonując wyboru według wzoru: 2 P R n m I n (5) max max[ (, ) ( )] nm Na tej podstawie można wskazać panele powodujące powstawanie największych asymetrii w elektrowni fotowoltaicznej. 4. PROGRAM SYMULACYJNY PVP CAD Program symulacyjny PVP CAD jest tworzony w środowisku MATLAB do badań ukierunkowanych na optymalizację energetyczną elektrowni fotowoltaicznych. Moduł wykorzystany do wyznaczania strat własnych wyposażony jest w następujące funkcje: wyznaczanie rozpływu prądów dla losowego ułożenia paneli; wyznaczanie rozpływu prądów dla zoptymalizowanego ułożenia paneli pod względem najmniejszej różnicy sumy napięć gałęziowych, najmniejszej różnicy sumy prądów generowanych w gałęziach, najmniejszej różnicy sumy rezystancji w gałęziach; wyznaczanie rozpływu prądów dla najgorszego ułożenia paneli pod względem największej różnicy sumy napięć gałęziowych, największej różnicy sumy prądów generowanych w gałęziach, największej różnicy sumy rezystancji w gałęziach; wyznaczanie charakterystyk prądu i napięcia modułu fotowoltaicznego w funkcji nasłonecznienia; wyznaczanie strat, napięcia oraz prądu zwarcia w stanie jałowym elektrowni; wpływ zmiany obciążenia na rozpływ prądów gałęziowych; graficzne przedstawienie rozbieżności parametrów poszczególnych ogniw;

5 Analiza wpływu konfiguracji paneli fotowoltaicznych na wewnętrzne straty mocy 53 Możliwości wprowadzania parametrów symulacji pokazano na rysunku 3. Rys. 3. Widok ekranu komunikacji aplikacji PVP CAD 5. WYZNACZANIE STRAT WŁASNYCH Celem badań symulacyjnych jest wyznaczenie strat własnych w funkcji obciążenia dla wybranych konfiguracji połączeń. W prezentowanej symulacji wykorzystano przykładowy panel fotowoltaiczny firmy SUNEN typ AS Seginus SE [3] o parametrach przedstawionych w tabeli 1. Program pozwala wykonywać badania dla innych typów paneli.

6 54 S. Wójtowicz, M. Zawistowski TABELA 1 Nominalne parametry techniczne pojedynczego panelu analizowanej elektrowni w warunkach STC Nazwa parametru Wartość Jednostka Napięcie rozwarcia U oc 36,2 V Prąd generowany w MPP I ph0 7,27 A Prąd zwarcia I zw 7,89 A Rezystancja szeregowa R s 0,9078 Ω Rezystancja równoległa R p 4,5880 Ω Współczynnik zmiany rezystancji w funkcji temperatury R(t)* 0,02 * %/K Współczynnik zmiany prądu w funkcji temperatury I(t) 0,06 %/K * współczynnik został przyjęty. W symulacji została rozpatrzona elektrownia składająca się z N = 15 gałęzi po M = 12 ogniw połączonych szeregowo w każdej. Przykładowe wartości wylosowanych prądów i napięć dla tego przypadku są pokazane na rysunku 4. Losowano parametry z zakładanego rozkładu równomiernego (+5%, -5%). Rys. 4. Wylosowane wartości parametrów dla poszczególnych paneli elektrowni Program pozwala na wyznaczenie rozmieszczenia połączeń paneli na farmie fotowoltaicznej w postaci macierzy o wymiarach (N, M). W tabeli 2 pokazano otrzymane rozkłady w konfiguracji szeregowo-równoległej. Przypadek (a) dotyczy minimalizacji różnicy napięć gałęziowych. Najgorszy przypadek (b) powstał przez najbardziej niekorzystny dobór paneli.

7 Analiza wpływu konfiguracji paneli fotowoltaicznych na wewnętrzne straty mocy 55 TABELA 2 Rozmieszczenie paneli dla minimalnych różnic gałęziowych (a) oraz dla najgorszego przypadku (b) a) b) TABELA 3 Straty własne elektrowni fotowoltaicznej przy różnym sposobie dobierania paneli Parametr Dobór przypadkowy Warunki niekorzystne Po optymalizacji Napięcie na zaciskach V elektrowni U oc Wartość prądu zwarcia I zw A Wartość rezystancji R wyp Ω Wektor prądów gałęziowych I g e e e e e e e e e e e Wartość strat jałowych W A

8 56 S. Wójtowicz, M. Zawistowski a) rozrzut parametrów 5% a) rozrzut parametrów 10% c) rozrzut parametrów 20% Rys. 5. Różnica wartości strat własnych między najgorszym i optymalnym przypadkiem w zależności od obciążenia rezystancyjnego (lewa strona), zależność mocy elektrowni od obciążenia rezystancyjnego (prawa strona)

9 Analiza wpływu konfiguracji paneli fotowoltaicznych na wewnętrzne straty mocy 57 Wyniki obliczeń parametrów elektrycznych elektrowni fotowoltaicznej pokazano w tabeli 3. Dobór przypadkowy oznacza przypadkowe wstawianie paneli do przyjętej konfiguracji szeregowo-równoległej. Warunki niekorzystne stworzono przez takie składanie paneli by asymetria gałęziowa była największa. Z kolei za dobór optymalny uznano dobór prowadzący do minimalnej asymetrii w gałęziach. Przeprowadzona analiza wykazała różnice strat własnych w przypadku najgorszym i optymalnym. Różnice strat własnych są największe dla dużych rezystancji obciążenia (rys. 5). 6. WYNIKI BADAŃ I WNIOSKI Projektowanie elektrowni fotowoltaicznych wymaga uwzględnienia wielu czynników technicznych [5]. Powinno się brać pod uwagę także rozrzut parametrów paneli, który może wprowadzać asymetrię w gałęziach połączeń szeregowo-równoległych. Asymetria powoduje dodatkowe straty wewnętrzne, które niekorzystnie wpływają na temperaturę ogniw pogłębiając asymetrię. Przeprowadzona analiza wykazała, że sposób dobierania i łączenia paneli ma wpływ na straty wewnętrzne elektrowni. Opracowany program symulacyjny PVP CAD pozwala wyznaczać straty wewnętrzne dla różnych konfiguracji połączeń. Można poprawić sprawność elektrowni stosując program symulacyjny i badając straty własne w zależności od rozmieszczenia paneli. Z badań modelu symulacyjnego można sformułować następujące wnioski: odpowiedni rozkład paneli, uwzględniający ich rzeczywiste charakterystyki prądowonapięciowe ma wpływ na sprawność całej elektrowni, moduł symulacyjny PVP CAD pozwala na badanie rozmieszczenia dostarczonych rzeczywistych paneli w elektrowni. wartość różnicy mocy strat pomiędzy układem zoptymalizowanym i najgorszym rośnie nieliniowo wraz ze wzrostem rezystancji obciążenia, dzięki selekcji paneli z tego samego zestawu można uzyskać wyższą sprawność elektrowni. Badania wykazały przydatność modułu PVP CAD, który będzie rozbudowany w kierunku modelowania wpływu nierównomiernego oświetlenia na zjawiska fizyczne występujące w elektrowni fotowoltaicznej. LITERATURA 1. Uzunoglu M., Onar O.C., Alam M.S.: Modeling, control and simulation of a PV/FC/UC based hybrid power generation system for stand-alone applications. Elsevier Ltd. Renewable Energy, vol. 34, z. 3, s , marzec [ ] 3. [ ]

10 58 S. Wójtowicz, M. Zawistowski 4. Freeman D., Sridhar N., Thornton C.: Ogniwa fotowoltaiczne. Jak w pełni wykorzystać ich możliwości. Texas Instruments, [ ] 5. Pierz D., Panicz A., Rusek A.: Opracowanie studialne wykorzystania energii słonecznej i energii wiatru do potrzeb eksploatacyjnych budynków mieszkalnych, obiektów przemysłowych i użyteczności publicznej. Firma robót elektrycznych Leszek Kaniowski. Częstochowa, październik %20sloneczna%20iwiatrowa%20badania%20PCzWE.pdf [ ] IMPACT ANALYSIS CONFIGURATION OF PHOTOVOLTAIC PANELS FOR INTERNAL POWER LOSSES Stefan WÓJTOWICZ, Maciej ZAWISTOWSKI ABSTRACT Series-parallel configuration of panels Photovoltaic Power Plant is determined in several ways. The most important are the electrical requirements for voltage and input current of the inverter coupling to the energetic grid. The distribution of panels results from the shape surface, cable management capabilities, and spatial location of elements such as connection, inverter, and energy storage. The study analyzed the impact of the distribution of individual parameters of photovoltaic panels on the own losses of power. It has been shown that the method of selection of the parameters according to individual panels and the panels in the serial and parallel branches has influence the losses, and thus influences the efficiency of the power plant. Simulation studies were carried out using the module developed by the authors of PVP CAD MATLAB. Keywords: Photovoltaic power plants, power losses in photovoltaic panels