POLITECHNIKA GDAŃSKA. Laboratorium Układów Sterowania z Niekonwencjonalnymi Źródłami Energii

Transkrypt

1 POLITECHNIKA GDAŃSKA Laboratorium Układów Sterowania z Niekonwencjonalnymi Źródłami Energii Badanie wpływu częściowego przesłonięcia na charakterystyki ogniwa fotowoltaicznego Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego GDAŃSK

2 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest analiza wpływu przesłonięcia na pracę ogniwa słonecznego. Na sprawność ogniwa wpływa nasłonecznienie, temperatura otoczenia i kąt promieni słonecznych względem ogniwa oraz ich równomierność. 2. Wstęp Całkowite zasłonięcie tylko jednej komórki, pomimo pełnego nasłonecznienia reszty komórek, powoduje istotny spadek mocy całego ogniwa. Zasłonięcie jednej komórki powoduje, że część komórek nagrzewa się, co może prowadzić do awarii. Ograniczeniu wpływu zakłócenia, jakim jest częściowe zasłonięcie, służą diody bocznikujące, które sprawiają, że prąd omija słabo oświetlone komórki ogniwa. Zastosowanie diod U WY Rys. 1. Budowa panelu fotowoltaicznego. Ogniwo Komputer Przetwornica Interfejs sterowania i programowania Odbiornik Magazyn energii Rys. 2. Schemat funkcjonalny stanowiska laboratoryjnego. 2

3 bocznikujących, pozwala nie tylko poprawić sprawność systemu, ale co najważniejsze, chroni ogniwo przed destrukcją termiczną. 2. Algorytmy obliczania punktu pracy komórki ogniwa. Stanowisko laboratoryjne stanowi ogniwo słoneczne Kyocera 40CT-1, przetwornica napięcia z interfejsem sterowania firmy MMB Drives, akumulator oraz obciążenie rozładowujące akumulator. Schemat funkcjonalny stanowiska laboratoryjnego został przedstawiony na rys. 2. Pomiar charakterystyki ogniwa fotowoltaicznego można zrealizować przez wymuszenie najpierw napięcia minimalnego, a następnie wymuszenie napięcia maksymalnego. Ponieważ zmiana wartości napięcia nie odbywa się natychmiastowo i trwa od 0,25s przy maksymalnym nasłonecznieniu do 1s przy nasłonecznieniu 100W/m2, można w tym czasie wielokrotnie zmierzyć wartości napięć oraz prądów, i w ten sposób utworzyć charakterystykę I WY = f(u WY ). Zmiana wartości napięcia ogniwa odbywa się przez wymuszenie czasów załączenia pierwszego tranzystora przetwornicy. Drugi tranzystor służy do kondycjonowania napięcia wyjściowego przetwornicy. Jednym z zaimplementowanych algorytmów poszukiwania maksymalnego punktu pracy (MPP) na stanowisku laboratoryjnym jest często wykorzystywany przy poszukiwaniu optymalnego napięcia algorytm Perturb and Observe (PO). Algorytm ten polega na niewielkim okresowym podwyższaniu lub obniżania napięcia, a następnie porównywaniu mocy oddawanej w danej chwili i mocy oddawanej przed zmianą napięcia. Na podstawie porównania mocy wyznacza się kolejną wartość przyrostu napięcia oraz jego znak. Do zalet tej metody poszukiwania punktu maksymalnej mocy należy zaliczyć brak przerw w oddawaniu mocy oraz wysoką skuteczność przy dużych wartościach nasłonecznienia. Główne wady to ciągłe oscylacje wokół optymalnego punktu pracy i brak możliwości odnalezienia wszystkich ekstremów lokalnych, gdy ogniwo jest częściowo przesłonięte. Algorytm PO został przedstawiony na rys. 3, gdzie U MPPS napięcie maksymalnej mocy ogniwa w standardowych warunkach testowych, U WY mierzone napięcie wyjściowe ogniwa, U REF zadane napięcie wyjściowe ogniwa, I WY mierzony prąd wyjściowy ogniwa, U wartość przyrostu napięcia, P 1 moc przed zaburzeniem oraz P 2 moc po zaburzeniu. 3

4 moc wyjściowa ogniwa P WY [W] Start U REF = U MPP U = 0.05V U WY = U REF P 1 =U REF I WY U REF = U REF + U U WY = U REF U REF = U REF + U P 2 =U REF I WY U = - U P 1 = P 2 P 1 < P 2 Rys. 3. Algorytm poszukiwania punktu maksymalnej mocy metodą PO ,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 napięcie wyjściowe ogniwa U WY [V] Rys. 4. Charakterystyka P = f(u) panelu fotowoltaicznego KC40T-1 dla standardowych warunków testowych. 4

5 Kolejna zastosowana metoda poszukiania MPP to Momentarily Short Calibration method, która polega na zwieraniu ogniwa przez cewkę, co pozwala na zarejestrowanie charakterystyki w zakresie napięć od napięcia nie obciążonego ogniwa (U WY = U OC ) do ogniwa w stanie zwarcia (U WY = O). W czasie zwarcia jednocześnie rejestrowane i zatrzaskiwane są prąd i napięcie. Zaletą tej metody jest duża dokładność i bardzo wysoka odporność na zakłócenia związane z częściowym przesłonięciem i zmianami temperatur. Wadą tej metody są: konieczność instalacji czujników prądu i napięcia oraz dodatkowego wyposażenia. Kolejną wadą jest fakt, że metoda ta wymaga chwilowego odłączania ogniwa. Na rys. 5 przedstawiono schemat układu wraz z modyfikacją pozwalającą na zastosowanie przedstawionego wyżej algorytmu. Przetwornica Obciążenie DC DC I Ogniwo słoneczne Układ A/C regulacji U Rys. 5. Schemat układu ogniwa i przetwornicy wraz z modyfikacją umożliwiającą wykorzystanie algorytmu short-calibration. Ponieważ algorytm PO wykazuje brak odporności na częściowe przesłonięcie, a algorytm MSC wymaga okresowego odłączania ogniwa słonecznego, jako rozwiązanie pośrednie zastosowano algorytm, który po zmianie warunków nasłonecznienia, a więc i mocy oddawanej, odszukuje punkt maksymalnej mocy, a następnie śledzi go za pomocą metody PO. Główną zaletą rozwiązania wykorzystującego pomiar charakterystyki jest odporność na częściowe przesłonięcie. Zaletą metod gradientowych jest duża dokładność i brak przerw w dostarczaniu energii. Główną ideą tego algorytmu poszukiwania punktu maksymalnej mocy jest reakcja na nagłe zmiany prądu dostarczanego przez ogniwo, które są efektem zmiany warunków nasłonecznienia. Reakcją na nagłe zmiany nasłonecznienia i wynikające z nich nagłe zmiany mocy np. o 10% w ciągu sekundy, jest pomiar charakterystyki prądowo 5

6 napięciowej, który pozwala na przybliżone określenie napięcia przy którym uzyskiwana jest moc maksymalna. Kolejnym krokiem jest śledzenie punktu maksymalnej mocy, aż do kolejnej nagłej zmiany prądu ogniwa. Uproszczony graf algorytmu został przedstawiony na rys. 6, gdzie U Pmax napięcie punktu maksymalnej mocy, I Pmax prąd punktu maksymalnej mocy. Start Pomiar charakterystyki I = f(u) Obliczenie charakterystyki P = f(u) Odnalezienie U Pmax Śledzenie U Pmax algorytmem PO Nagła zmiana mocy ogniwa (zmiana nasłonecznienia) Rys. 6. Hybrydowy algorytm poszukiwania punktu maksymalnej mocy. Algorytm ten łączy zalety wszystkich przedstawionych wcześniej algorytmów i ogranicza ich wady. Dzięki pomiarowi całej charakterystyki układ jest odporny na częściowe zasłonięcie, a dzięki algorytmowi PO wyznaczanie punktu maksymalnej mocy jest dokładne oraz ograniczana jest ilość odłączeń ogniwa. W celu zmniejszenie amplitudy oscylacji napięcia wokół punktu maksymalnej mocy należy zastosować algorytm PO o zmiennej wartości przyrostu napięcia ( U). Na rys. 7 przedstawiono opisywany tutaj hybrydowy algorytm sterowania ze szczegółowym uwzględnieniem algorytmu PO. 6

7 Start Pomiar charakterystyki I = f(u) Obliczenie charakterystyki P = f(u) Estymacja U Pmax U REF = U Pmax U = 0.05V U WY = U REF P 1 =U REF I WY U REF = U REF + U U WY = U REF P 2 =U REF I WY U REF = U REF + U U = - U P MAX U WY I WY < P P 1 = P 2 P 1 < P 2 Rys. 7. Szczegółowy graf algorytmu hybrydowego poszukiwania punktu maksymalnej mocy. Ponadto częściowe zasłonięcie ogniwa wiąże się z nagrzewaniem ogniwa i może prowadzić do jego destrukcji. Odpowiedni algorytm sterowania pozwala nie tylko na wzrost zysku energetycznego ale i wydłużenie czasu życia ogniwa. 7

8 3. Schemat układu laboratoryjnego Schemat energetycznej i pomiarowej części przetwornicy przedstawiono na rys. 8. Rys. 8. Schemat ideowy energetycznej i pomiarowej części przetwornicy. 8

9 Przetwornica ma możliwość zarówno obniżania jak i podwyższania napięcia. Sterowanie napięciem wyjściowym ogniwa i przetwornicy odbywa się za pomocą tranzystorów Q1 i Q3. Pomiar napięć wykonywany jest za pomocą dzielników rezystancyjnych oraz wzmacniaczy. Sygnały załączające tranzystory pochodzą z interfejsu sterowania i mogą być podane na wejścia tranzystora jedynie za pośrednictwem układu kondycjonującego, którego głównymi elementami są układy scalone U6 i U7. 4. Aplikacja do obsługi przetwornicy. Do obsługi przetwornicy został wykorzystany aplet wykonany przez firmę MBB. Aplet został zmodyfikowany na potrzeby długotrwałej rejestracji charakterystyk. Modyfikacja pozwala na rejestracje trzech tablic o wielkości 1300 elementów każda. Uruchomienie przetwornicy rozpoczynamy od jej załączenia przełącznikiem na obudowie, następnie włączamy program Tkombajn. Następnie należy wgrać program sterujący do pamięci interfejsu. Odbywa się to przez kliknięcie przycisku zaznaczonego na rysunku 9. Rys. 9. Program do obsługi przetwornicy wraz z zaznaczonym przyciskiem wgrywania programu sterującego przetwornicą. Następnie należy sprawdzić status przetwornicy. Po kliknięciu na zakładce Inne zaznaczamy opcję status (rys. 10). 9

10 Rys. 10. Włączenie okna status W oknie status poprawne wgranie program sygnalizowane jest przez podświetlenie na zielono pierwszych czterech pól. Pole piąte powinno być podświetlone na fioletowo, dopuszczalne jest aby ostatnie pole było podświetlone na fioletowo lub zielono. Sygnalizacja błędów odbywa się przez podświetlenie jednego z pól na czerwono. Po wgraniu programu można przejść do ustawienia parametrów przetwornicy. Po kliknięciu na zakładce Zmienne w dowolnej komórce kolumny Nazwa należy wpisać KontrolaKonfiguracjiUkladuL1. Następnie w tej samym wierszu i sąsiedniej kolumnie Zapis wpisujemy wartość 6. W ten sposób wybrano hybrydowy algorytm sterowania punktem pracy ogniwa. Wpisując nazwy innych zmiennych możliwe jest odczyt ich wartości. Ostatnim krokiem jest włączenie zezwolenia na załączanie tranzystorów. Odbywa się to przez kliknięcie przycisku ON. Wyłączenie odbywa się przez kliknięcie przycisku OFF. Rejestracji krótkich przebiegów można dokonać w zakładce rejestracje (rysunek 11). Wybór zmiennych do rejestracji odbywa się przez wpisanie ich nazw w lewą kolumnę. Rejestracja może być wyzwalana natychmiast lub gdy pewna zmienna osiągnie określoną wartość, wybór zmiennej odbywa się przez zaznaczenie jej i wybór warunku i wartości po której osiągnięciu załączana jest rejestracja (niebieska ramka na rysunku 11). Zarówno natychmiastowe jak i wyzwalane warunkiem rejestracje uruchamia się przez wciśnięcie przycisku uruchom (zielona ramka na rysunku 11). Czas rejestracji w milisekundach (maksymalnie 10s) podawany jest w polu zaznaczonym czerwoną ramką na rysunku 11. Po zakończeniu rejestracji, dane należy ściągnąć przez wciśnięcie klawisza Transfer i wyświetlić klikając klawisz Wykres fst. 10

11 Rys. 11. Zakładka rejestracji przebiegów. Możliwa jest również rejestracja przebiegów trwających dłużej niż 10s, rejestrowane jest napięcie, moc oraz ilość załączeń algorytmu SC. Załączenie rejestracji odbywa się przez ustawienie wartości zmiennej rejestracja na 1. Ustawienie okresu próbkowania odbywa się przez zmianę wartości zmiennej czasprobki (wartość w sekundach). Po zakończeniu rejestracji sygnalizowanym przez zmianę wartości zmiennej rejestracja na 0 należy kliknąć przycisk Odczyt. Przebiegi zostają zapisane do pliku: c:\przebiegi.dat. Zmienne zapisane dużymi literami są zmiennymi względnymi i przyjmują wartości z zakresu <0,1>, zaś zmienne zapisane małymi reprezentują zapis bezwzględny. 5. Program ćwiczenia: 1) Zapoznać się ze strukturą stanowiska laboratoryjnego obsługą oprogramowania 2) Przeprowadzić rejestrację pomiarów pracy ogniwa fotowoltaicznego dla algorytmów poszukiwania MPP PO i SC oraz dla zadawanego napięcia w zmiennej ufv_zad. 3) Przeprowadzić rejestrację jak w pkt 2 dla różnych stanów przesłonięcia ogniwa. Zarejestrować przebiegi przejściowe podczas zasłaniania i odsłaniania wybranych komórek. 4) Ocenić jakość pracy układu regulacji dla poszczególnych algorytmów poszukiwania MPP. Literatura [1] Licznerski M.:Optymalne sterowanie systemem fotowoltaicznym. [2] Evaluating MPPT Converter Topologies Using a Matlab PV Model. G. Walker; Power Conversion Conference 2002 PCC Osaka

12 [3] Study on dynamic and static characteristics of photovoltaic cell. Ujiie, K.; Izumi, T.; Yokoyama, T.; Haneyoshi, T.; Power Conversion Conference, PCC Osaka [4] A novel Maximum Power Point Tracker Controlling Several Converters Connected to Photovoltaic Arrays with Particle Swarm Optimization Technique. Miyatake, M.; Toriumi, F.; Endo, T.; Fujii, N.; Power Conversion Conference, EPE Aalborg [5] Characteristics of solar PV array under partial shaded conditions. Ramaprabha, R., Mathur, B.L.; TENCON 2008 IEEE Region 10 Conference. [6] Temperature Coefficients for PV Modules and Arrays: Measurement Methods, Difficulties and Results. D. L. King, J. A. Kratochvil, W. E. Boyson; 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Anaheim, California [7] Topology Study of Photovoltaic Interface for maximum Power Point Tracking. Weidong Xiao, Ozog N., Dunford W.G.; IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol. 54, no.3, June [8] A Combined Two-Method MPPT Control Scheme for Grid-Connected Photovoltaic Systems. Dorofte C., Borup U., Blaabjerg F.; Power Electronics and Applications, 2005 European Conference on. [9] Real-time maximum power point tracking for grid-connected photovoltaic systems. L. Zhanlg, A. Al-Amoudi, Y. Bai; IEE Publ. No. 475, 2000, pp [10] Variable Frequency Controlled Incremental Conductance Derived MPPT Photovoltaic Stand-Along DC Bus System. Guan-Chyun Hsieh, Hung-Liang Chen, Yaohwa Chen, Chee-Ming Tsai, and Shian-Shing Shyu. Załącznik 1.: Fragment pliku źródłowego programu sterującego pracą przetwornicy reprezentujący algorytm sterowania hybrydowego. if (KontrolaKonfiguracjiUkladuL1 == SC) //Short calibration - 6 if (krok==1) ufv_zad=0; if (UFV <3.5) krok = 2; if (krok == 2) ufv_zad=1; krok = 3; 12

13 maxp = 0; i=0; UFVmax=0; if (krok ==3) p[1] = UFV * IFV; if (maxp < p[1]) maxp = p[1]; UOPT = ufv; IOPT = IFV; i++; if (i>80000) krok=4; ufv_zad=uopt; if (krok ==4) if (fabs(ufv-ufv_zad)<0.2) wymu=ufv-ufv_zad; i=0; KontrolaKonfiguracjiUkladuL1 = PO; // PO - 5 if (KontrolaKonfiguracjiUkladuL1 == PO) //PO if( i == 0) p[1] = UFV * IFV; ufv_zad = ufv_zad + deltau; if( i == 1000) p[2] = UFV * IFV; if ( p[2] < p[1] ) deltau = - deltau; i=-1; if (fabs(ifv - IOPT)> 4.8*IOPT) krok =1; KontrolaKonfiguracjiUkladuL1 = SC; i++; 13