Część 2 Odbiór energii z modułów fotowoltaicznych Przetwornice prądu stałego Śledzenie punktu mocy maksymalnej
Zmiana charakterystyk U-I pod wpływem nasłonecznienia i temperatury 2
Dobowa dynamika zmian punktu mocy maksymalnej 5-krotna amplituda zmian nawet w czasie kilku sąsiednich minut Dla maksymalnego wykorzystania energii konieczne szybkie i dokładne śledzenie zmian Zagadnienie tym ważniejsze im gorsze warunki nasłonecznienia (Polska) 3
Ogólna idea śledzenia punktu mocy maksymalnej Zmieniamy prąd obciążający moduł PV Zmienia się napięcie modułu Punkt pracy modułu przesuwa się w kierunku maksimum mocy hiperbola na niej iloczyn I U jest stały Bpv=Dpv Apv=Cpv Ipv Upv IL UL (przy założeniu η 1) A D: p.p. bez MPPT, odbiornika = modułu MPP Amax Dmax: p.p. odbiornika z MPPT Apv Dpv: p.p. modułu z MPPT = MPP 4
Opłacalność stosowania układów MPPT 5
Układy o działaniu ciągłym (linear mode) Definicja punkt pracy w centralnej części charakterystyki stanu przewodzenia sygnały sterujące zmieniają się w sposób ciągły oraz przez większość czasu nie przyjmują wartości skrajnych (doprowadzających do pełnego wyłączenia lub załączenia) Moc strat Maksymalna moc strat UDS = UDD / 2 P = UDD2/4 6
Układy o działaniu przełączającym (switched-mode) Sygnał sterujący zmienia się w sposób skokowy, przyjmując na przemian skrajne wartości tons na przemian pełne wyłączenie lub pełne załączenie przełączanie zmiana drogi przepływu, tj. przełączanie prądu do innej gałęzi, czy też przełączanie efektywnej topologii układu ton toff toffs ons offs ons ton+ toff offs offs offs ons offs 7
Przykład układ obniżający napięcie Przekształtnik elektromechaniczny Założenia Ui = 20 V Uo = 10 V Io = 1 A LR= Uo / Io = 10 Ω η = 0,5 Przekształtnik elektroniczny o działaniu ciągłym (linear-mode) η = 0,5 8
Sterowanie impulsowe Przekształtnik elektroniczny o działaniu przełączającym (switched-mode) czas trwania impulsu (pulse width) tp okres powtarzania (period of repetition) Tp częstotliwość powtarzania / przełączania (repetition / switching frequency) współczynnik wypełnienia (duty ratio/cycle) 9
Przekształtnik przełączający Założenia dodatkowe fs = fp = 100 khz s =T 10 µs D = 0,5 p =t 0,5 Tp = 5 µs Parametry tranzystora Uon = 1 V; Iof = 0 A tr(sw) = tf(sw) = 0,5 µs Takt 1: Takt 2: 10
Energia strat dynamicznych w tranzystorze Obciążenie rezystancyjne Obciążenie indukcyjne (źródło prądowe) 11
Przekształtnik przełączający (cd.) η = 0,92 12
Przyczyny stosowania techniki impulsowej Mniejsza moc strat wyższa sprawność Większy uzysk energii z modułów PV szybszy zwrot inwestycji Funkcje niedostępne z użyciem układów o działaniu ciągłym Szersze możliwości optymalizacji oraz prostsza realizacja w porównaniu z układami tyrystorowymi (falowniki) podwyższanie napięcia podwyższanie i obniżanie za pomocą tego samego układu natężenie prądu wejściowego większe niż Uo/RL (mimo nazwy Linear Current Boosters są to zwykle impulsowe przetwornice obniżające napięcie) zawartość harmonicznych, regulacja napięcia wyjściowego Wady konieczność filtracji dla uzyskania przebiegu użytecznego (DC, AC) konieczność filtracji dla eliminacji zaburzeń elektromagnetycznych impulsowe obciążenie modułów PV (niektóre topologie) impulsowe dostarczanie mocy na wyjście (niektóre topologie) bardziej złożone sterowanie 13
Przetwornica obniżająca napięcie (buck / step-down converter) 14
Topologia układu w dwóch taktach pracy Takt 1 tranzystor załączony; dioda wyłączona Takt 2 tranzystor wyłączony; dioda załączona 15
Przebiegi napięć i prądów 16
Przetwornica podwyższająca napięcie (boost / step-up converter) 17
Przetwornica podwyższająca napięcie przebiegi napięć i prądów 18
Obciążenie modułu fotowoltaicznego prąd wejściowy przetwornicy Przetwornica obniżająca iin przebieg impulsowy powtarzający się stan rozwarcia powrót do MPP zajmuje czas trudniejsze sterowanie MPPT niepełne wykorzystanie energii rozwiązanie: kondensator równolegle do modułu (odpo wiednio duża pojemność) Przetwornica podwyższająca dławik na wejściu prąd ciągły pod warunkiem CCM pożądane małe tętnienie prądu małe zmiany punktu pracy łatwe sterowanie MPPT wysoki stopień wykorzystania energii odpowiednio duża L iin 19
Tryb ciągłego prądu dławika Gdy obciążenie zmniejsza się Przypadek graniczny składowa stała prądu dławika zmniejsza się proporcjonalnie składowa przemienna nie zmienia się IL(av) = IL/2 Prąd graniczny Io(B) zależy od warunków pracy Ui/Uo parametrów układu L, fs 20
Tryb nieciągłego prądu dławika Przetwornice niesynchroniczne pojawia się 3. takt pracy zmiana charakterystyki Uo/Ui silna zależność od obciążenia Przetwornice synchroniczne zamiast diody drugi tranzystor, sterowany odwrotnie możliwy ujemny prąd chwilowy dławika w takcie 2 potencjalnie większa sprawność równoległe połączenie T+D charakterystyki jak w CCM ujemny prąd modułu PV jest jednak niedopuszczalny Discontinuous Conduction Mode (DCM) 21
Przykład zastosowania przetwornicy jako układu MPPT Moduł PV A, C: Vm = 18,3 V Im = 2,2 A B, D: Vm = 18,8 V Im = 4,8 A Odbiornik RL1 = 16,4 Ω RL2 = 2,8 Ω Bpv=Dpv Apv=Cpv Przekształtnik MPPT Vo =? D=? Io =? 22
Klasyfikacja metod śledzenia punktu mocy maksymalnej W kolejności zwiększającego się skomplikowania: 1. Ułamka napięcia rozwarcia (Fractional Open-Circuit Voltage) Ułamka prądu zwarcia (Fractional Short-Circuit Current) 2. Zaburz-obserwuj (Perturb and Observe) Wspinania (Hill Climbing) 3. Konduktancji / impedancji przyrostowej (Incremental Conductance / Impedance) Bezpośredniego sterowania pochodną mocy 4. Techniki cyfrowe popularne w pracach rozwojowych (zwykle łączone z jedną z powyższych) losowe (random control) logika rozmyta (fuzzy logic) sieci neuronowe (neural networks) adaptacyjne (adaptive control) 23
Metoda ułamka napięcia rozwarcia Zakłada się, że stosunek Ump / Uoc pozostaje stały (ku 0,71 0,78) θ = 25 C = const G = var Mierzone jest Uoc, a napięcie pracy modułu utrzymywane jest na wartości ku Uoc Metody pomiaru w zespole instaluje się jeden moduł rozwarty pomiar w trybie ciągłym, bez dodatkowych elementów warunki pracy inne niż pozostałych modułów, np. brak samonagrzewania temperatura pracy przebieg starzenia odmienne charakterystyki większy koszt instalacji przy niewykorzystanej części energii słonecznej okresowo odłącza się przekształtnik odbierający energię przerwa w dopływie energii do systemu krótki czas, długi okres korzysta się z topologii przekształtnika przełączanie realizuje jego tranzystor tranzystor szeregowo na wejściu (np. przetwornica obniżająca) nie może występować kondensator wejściowy niezbędna synchronizacja pomiaru z przełączaniem 24
Metoda ułamka prądu zwarcia Zakłada się, że Imp / Isc = const (ki 0,78 0,92) Mierzony jest Isc, a prąd pracy modułu utrzymywany jest na wartości ki Isc Metody pomiaru zależność bliższa proporcjonalnej niż Ump/Uoc θ = 25 C = const G = var jeden moduł na stałe zwarty okresowe zwieranie zespołu przełącznikiem wykorzystanie topologii przetwornicy tranzystor musi być równolegle do wejścia pomiar dopiero po ustaleniu się prądu dłuższa przerwa w dopływie energii do wyjścia można wykorzystać bocznik sterowania prądowego Zalety metod ułamkowych prosta operacja arytmetyczna możliwość stosowania prostych mikrokontrolerów lub układów analogowych pomiar jednej wielkości (bardzo prosty dla napięcia) 25