Rastreamento de ponto de potência máxima – HiSoUR Arte Cultura Exposição

Rastreamento de ponto de potência máxima (MPPT) ou, às vezes, apenas rastreamento de ponto de potência (PPT) é uma técnica comumente usada com turbinas eólicas e sistemas solares fotovoltaicos (PV) para maximizar a extração de energia sob todas as condições.

Embora a energia solar seja principalmente coberta, o princípio se aplica geralmente a fontes com potência variável: por exemplo, transmissão de potência óptica e termofotovoltaica.

Os sistemas solares fotovoltaicos existem em muitas configurações diferentes no que diz respeito à sua relação com sistemas inversores, redes externas, bancos de baterias ou outras cargas elétricas.Independentemente do destino final da energia solar, o problema central abordado pelo MPPT é que a eficiência da transferência de energia da célula solar depende tanto da quantidade de luz solar que cai nos painéis solares quanto das características elétricas da carga. Como a quantidade de luz solar varia, a característica de carga que fornece a maior eficiência de transferência de energia muda, de modo que a eficiência do sistema é otimizada quando a característica de carga muda para manter a transferência de energia com a máxima eficiência. Essa característica de carga é chamada de ponto de potência máxima (MPP) e MPPT é o processo de encontrar esse ponto e manter a característica de carga lá. Os circuitos elétricos podem ser projetados para apresentar cargas arbitrárias às células fotovoltaicas e, em seguida, converter a tensão, corrente ou frequência para se adequar a outros dispositivos ou sistemas, e o MPPT resolve o problema de escolher a melhor carga a ser apresentada às células. o poder mais utilizável.

As células solares têm uma relação complexa entre temperatura e resistência total que produz uma eficiência de saída não linear que pode ser analisada com base na curva IV. É a finalidade do sistema MPPT amostrar a saída das células fotovoltaicas e aplicar a resistência adequada (carga) para obter a potência máxima para quaisquer condições ambientais. Os dispositivos MPPT são tipicamente integrados em um sistema conversor de energia elétrica que fornece conversão de tensão ou corrente, filtragem e regulação para acionar várias cargas, incluindo redes elétricas, baterias ou motores.

Os inversores solares convertem a energia CC em energia CA e podem incorporar MPPT: tais inversores amostram a energia de saída (curva IV) dos módulos solares e aplicam a resistência adequada (carga) para obter a máxima potência.
A potência no MPP (Pmpp) é o produto da voltagem MPP (Vmpp) e da corrente MPP (Impp).

Definições

Vista de um módulo solar uniformemente iluminado
O diagrama de tensão atual, como mostrado ao lado, é tipicamente aplicado de tal forma que a direção técnica atual da corrente reversa medida da célula solar é mostrada. A corrente é aplicada positivamente na iluminação, em contraste com a característica do diodo clássico.

A relação entre a potência máxima P MPP da célula solar no ponto de potência máxima e o produto da tensão de circuito aberto UL e a corrente de curto-circuito IK é chamada de fator de enchimento FF:
$FF = {\ frac {P _ {{{\ rm {MPP}}}} {U {{{{{{}}}} \ cdot I _ {{{{\ rm {K}}}} }$

com a função da tensão de circuito aberto do módulo solar:

$U {{{{\} {L}}}} = m \ cdot U {{{{\ rm {T}}}} \ cdot \ ln \ left ({\ frac {I} {{{\ rm {Ph }}}}} {I _ {{{\ rm {S}}}}}} + 1 \ right)$
$m$ = Fator de diodo
$U {{{{\ rm {L}}}}$ = Tensão de circuito aberto
$Eu _ {{{\ rm {S}}}}$ = Corrente de saturação
$U {{{{\ rm {T}}}}$ = Tensão de temperatura
$Eu {{{{\ rm {Ph}}}}$ = Photocurrent

A fotocorrente aumenta ligeiramente com o aumento da temperatura e é geralmente negligenciada na prática. Com o aumento da irradiação do módulo solar, a corrente aumenta aproximadamente proporcionalmente, a potência aumenta. A tensão dificilmente muda. Com o aumento da temperatura, a tensão cai um pouco, porque a corrente de saturação, também chamada de corrente escura, aumenta.

A energia resultante do produto da tensão e da corrente diminui assim com a irradiação constante e aumentando a temperatura do módulo. Valores típicos são -0,45% por Kelvin para células solares de silício cristalino.

As propriedades a seguir são identificadas na característica de tensão atual como recursos de reconhecimento para adaptação bem-sucedida de energia:
Aplica-se com ajuste de desempenho no MPP: ${\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} eu} {\ mathrm {d} U}} = - {\ frac {I} {U}}}$

No MPP, a característica IU toca a hipérbole com P = Pmpp = const.
O MPP divide sua tangente em duas seções igualmente longas.

A diagonal no retângulo das coordenadas do ponto é paralela à tangente.

As características de reconhecimento são devidas à propriedade de desempenho máximo local (dp / dU = 0). Eles são adequados para determinar ou verificar a posição dos MPPs nas curvas características mesmo sem um eixo de desempenho. Eles também são aplicáveis se a escala do eixo estiver ausente.

Consideração de vários módulos solares conectados em série com sombreamento parcial
As figuras adjacentes mostram uma série de dez módulos solares conectados em série: A curva tracejada a azul representa o caso em que todos os módulos são uniformemente irradiados. A curva preta significa que dois dos dez módulos estão à sombra e recebem apenas 20% da radiação em comparação com os outros módulos (por radiação difusa).

Pode ser visto que no caso sombreado, não há mais apenas um desempenho máximo, mas vários.Destacado em verde é o “MPP global”, ou seja, o ponto real de potência máxima. Marcado em vermelho é o “MPP local”, ou seja, um ponto alto local na curva de desempenho.

A causa deste processo está nos diodos bypass, que são integrados nos módulos solares para proteger as células individuais: No MPP local, todos os módulos são operados com a mesma corrente baixa que os módulos sombreados ainda podem fornecer (por irradiação difusa) . Somente quando a tensão é reduzida ou a corrente é aumentada, os diodos de bypass dos módulos sombreados respondem e fecham essas partes do módulo, então faça a ponte. Como resultado, a tensão da string é menor (os módulos sombreados estão realmente “ausentes” na string), mas a corrente é muito mais alta, o que explica a maior potência no máximo global.

fundo
As células fotovoltaicas têm uma relação complexa entre o ambiente operacional e a potência máxima que podem produzir. O fator de preenchimento, abreviado como FF, é um parâmetro que caracteriza o comportamento elétrico não linear da célula solar. O fator de enchimento é definido como a relação entre a potência máxima da célula solar e o produto da tensão de circuito aberto Voc e corrente de curto-circuito Isc. Nos dados tabulados, é frequentemente utilizado para estimar a potência máxima que uma célula pode fornecer com uma carga ideal sob determinadas condições, P = FF * Voc * Isc. Para a maioria das finalidades, FF, Voc e Isc são informações suficientes para fornecer um modelo aproximado útil do comportamento elétrico de uma célula fotovoltaica sob condições típicas.

Para qualquer conjunto de condições operacionais, as células têm um único ponto de operação onde os valores da corrente (I) e tensão (V) da célula resultam em uma potência máxima de saída.Estes valores correspondem a uma determinada resistência de carga, que é igual a V / I, conforme especificado pela Lei de Ohm. A potência P é dada por P = V * I. Uma célula fotovoltaica, para a maioria de sua curva útil, atua como uma fonte de corrente constante. No entanto, na região MPP de uma célula fotovoltaica, sua curva tem uma relação exponencial aproximadamente inversa entre corrente e tensão. Da teoria do circuito básico, a potência fornecida por ou para um dispositivo é otimizada onde a derivada (graficamente, a inclinação) dI / dV da curva IV é igual e oposta à relação I / V (onde dP / dV = 0). Isso é conhecido como o ponto de potência máxima (MPP) e corresponde ao “joelho” da curva.

Uma carga com resistência R = V / I igual à recíproca deste valor retira a potência máxima do dispositivo. Isso às vezes é chamado de “resistência característica” da célula. Esta é uma quantidade dinâmica que muda dependendo do nível de iluminação, assim como outros fatores como a temperatura e a idade da célula. Se a resistência for menor ou maior que esse valor, a energia consumida será menor que o máximo disponível e, portanto, a célula não será usada com a maior eficiência possível. Os rastreadores de ponto de potência máximo utilizam diferentes tipos de circuito de controle ou lógica para procurar por este ponto e, assim, permitir que o circuito conversor extraia a potência máxima disponível de uma célula.

Implementação
Quando uma carga é conectada diretamente ao painel solar, o ponto de operação do painel raramente estará no pico de energia. A impedância vista pelo painel deriva o ponto de operação do painel solar. Assim, variando a impedância vista pelo painel, o ponto de operação pode ser movido em direção ao ponto de potência de pico. Como os painéis são dispositivos DC, os conversores DC-DC devem ser utilizados para transformar a impedância de um circuito (fonte) para o outro circuito (carga). Alterar a taxa de serviço do conversor DC-DC resulta em uma mudança de impedância, conforme visto pelo painel. Em uma impedância específica (ou razão de trabalho), o ponto de operação estará no ponto de transferência de potência de pico. A curva IV do painel pode variar consideravelmente com a variação nas condições atmosféricas, como radiância e temperatura.Portanto, não é viável fixar a razão de encargos com tais condições de operação que mudam dinamicamente.

As implementações de MPPT utilizam algoritmos que frequentemente analisam voltagens e correntes do painel e ajustam a taxa de trabalho conforme necessário. Microcontroladores são empregados para implementar os algoritmos. Implementações modernas frequentemente utilizam computadores maiores para análise e previsão de carga.

Classificação
Os controladores podem seguir várias estratégias para otimizar a saída de energia de uma matriz.Os rastreadores de ponto de potência máxima podem implementar diferentes algoritmos e alternar entre eles com base nas condições de operação da matriz.

Perturb e observe
Nesse método, o controlador ajusta a tensão em uma pequena quantidade da matriz e mede a potência; se a potência aumentar, novos ajustes nessa direção serão tentados até que a energia não aumente mais. Isso é chamado de método de perturbação e observação e é mais comum, embora esse método possa resultar em oscilações de potência. É referido como um método de subida de montanha, porque depende da subida da curva de potência contra a tensão abaixo do ponto de máxima potência, e a queda acima desse ponto. Perturb e observe é o método MPPT mais comumente usado devido à sua facilidade de implementação. O método Perturb e observe pode resultar em eficiência de alto nível, desde que seja adotada uma estratégia preditiva e adaptativa de subida apropriada.

Condutância Incremental
No método de condutância incremental, o controlador mede as mudanças incrementais na corrente e na tensão do painel fotovoltaico para prever o efeito de uma alteração de tensão. Este método requer mais computação no controlador, mas pode rastrear mudanças de condições mais rapidamente do que o método de perturbação e observação (P & amp; O). Como o algoritmo P & O, ele pode produzir oscilações na saída de potência. Este método utiliza a condutância incremental (dI / dV) da matriz fotovoltaica para calcular o sinal da mudança de potência em relação à tensão (dP / dV).

O método de condutância incremental calcula o ponto de potência máxima por comparação da condutância incremental (IΔ / VΔ) com a condutância do arranjo (I / V). Quando estes dois são iguais (I / V = IΔ / VΔ), a tensão de saída é a tensão MPP. O controlador mantém essa tensão até que a irradiação mude e o processo seja repetido.

O método de condutância incremental baseia-se na observação de que no ponto de potência máxima dP / dV = 0 e que P = IV. A corrente da matriz pode ser expressa como uma função da tensão: P = I (V) V. Portanto, dP / dV = VdI / dV + I (V). Definindo este valor igual a zero, obtém-se: dI / dV = -I (V) / V. Portanto, o ponto de potência máxima é atingido quando a condutância incremental é igual ao negativo da condutância instantânea.

Procedimentos técnicos

“Gerenciamento de sombra”
Todos os métodos descritos abaixo estão procurando o MPP em incrementos relativamente pequenos em torno do máximo de desempenho atual. Isto tem a vantagem de o gerador solar ser operado muito próximo do MPP na maior parte do tempo (alta “eficiência de adaptação MPP”). A desvantagem é que o rastreador em um gerador solar parcialmente sombreado freqüentemente permanece no MPP local (veja acima), sem encontrar o caminho para o MPP global.

É por isso que a maioria dos fabricantes de inversores já integrou uma função adicional, que executa em intervalos regulares (geralmente a cada 5-10 minutos) muito rapidamente toda a característica do gerador solar para procurar o MPP global. Esse recurso é chamado de “gerenciamento de sombra” ou “gerenciamento de sombra”, às vezes, como “função de varredura” e não substitui o rastreamento contínuo de MPP.

Para a maioria dos fabricantes, a função é ativada de fábrica, para outros, pode ser ativada no menu. A perda de rendimento devido ao deslocamento regular da curva característica (durante a qual o gerador não é naturalmente operado no MPP) é, por exemplo, dado como “& lt; 0.2%”, por exemplo, a duração para percorrer a curva característica é chamada de 2 segundos .

Deve-se notar que a faixa de tensão de entrada do inversor é um fator limitante: somente se o número de módulos sem decaimento for suficiente para alcançar a tensão de entrada mínima do inversor, com esses módulos sozinhos, ele poderá controlar o MPP global. Portanto, é importante formar strings suficientemente longas para sombreamento. (Anteriormente, o uso de sombras para formar muitas strings curtas tornou-se obsoleto desde a introdução do gerenciamento de sombra.)

Método de aumento de voltagem
Na maneira mais simples de encontrar a potência máxima, o rastreador MPP aumenta continuamente a carga da célula solar de zero, aumentando a potência de saída. Se a potência máxima for atingida, a energia começa a diminuir novamente, o que serve como um critério de terminação para a pesquisa. Este é um processo iterativo que executa constantemente um microprocessador no rastreador MPP, de modo que, mesmo com a mudança das condições de irradiação, sempre há uma operação no ponto de potência máxima. No caso de um gerador solar parcialmente sombreado, o controlador permanece no máximo local se estiver (por acaso) nele.

Método de saltos de carga
No método de saltos de carga (Inglês Perturb e observar), o controlador altera periodicamente a carga da célula solar em pequenos passos (passo de carga) em uma determinada direção e, em seguida, mede a potência fornecida pela célula solar. Se a potência medida agora for maior que a potência medida do período anterior, o controlador manterá essa direção de busca e fará com que a próxima potência salte. Se a potência medida for menor que a do último período de medição, o controlador altera a direção de busca e agora executa saltos de carga na direção oposta. Desta forma, a potência máxima é constantemente pesquisada, com o resultado de que o ponto exato de potência máxima nunca é encontrado, mas é aproximado de 1 salto de carga, o que não é um problema se for pequeno o suficiente. Cria um tipo de oscilação por cima do máximo de desempenho. Se o gerador solar estiver parcialmente sombreado, o controlador permanecerá no máximo local se estiver (por acaso) nele.

Condutância Crescente
A ideia do método de condutância incremental baseia-se em encontrar a potência máxima com base no diferencial e na condutância específica da célula solar. O ponto de potência máxima é caracterizado pelo fato de que a mudança na saída de potência em relação à variação na tensão torna-se zero. Dependendo de qual lado da curva de potência é o ponto de carga atual, a relação de tensão de energia aumenta ou diminui com a mudança de carga, resultando nas seguintes equações:

À esquerda do máximo:
${\ frac {dP} {dU}}> 0$

Bem ao lado do máximo:
${\ frac {dP} {dU}} <0$

Transformando as equações, as seguintes condições são obtidas para o controlador, onde I e U são os valores medidos atuais do período de controle e dI, dU são as alterações no período de controle anterior.

À esquerda do máximo:
${\ frac {dI} {dU}}> - {\ frac {I} {U}}$

Bem ao lado do máximo:
${\ frac {dI} {dU}} <- {\ frac {I} {U}}$

No máximo desempenho:
${\ frac {dI} {dU}} = - {\ frac {I} {U}}$

Usando essa condição, o controlador altera a carga por ciclo de controle, passo a passo, na direção em que se aproxima da condição da potência máxima desejada. Se o sistema atender a essa condição, o máximo de desempenho foi encontrado e a pesquisa poderá ser finalizada. Se a potência de saída mudar devido à intensidade de iluminação da célula solar, o controlador retoma a busca.

No caso de um gerador solar parcialmente sombreado, o controlador permanece no máximo local se estiver (por acaso) nele.

Método de tensão constante
O método de tensão constante é baseado em uma relação entre a tensão de circuito aberto da célula solar e a tensão na qual a célula solar fornece a potência máxima. Assim, pode ser concluído com base no conhecimento da tensão de circuito aberto para o necessário para a remoção da máxima tensão de carga de energia possível e, portanto, a carga. Como a tensão sem carga muda com base em parâmetros diferentes, o controlador deve medi-los periodicamente durante a operação. Para este propósito, a carga é separada da célula solar durante a medição da tensão.Com base na tensão sem carga agora medida, o controlador pode calcular a carga ideal e configurá-la ao reconectar a carga e a célula solar. Como a relação entre tensão de circuito aberto e tensão de carga ideal é empírica, determinada antecipadamente e depende de muitos parâmetros, a potência máxima exata não é alcançada. O algoritmo é, portanto, no sentido estrito, ninguém que está procurando a potência máxima real, e não funciona no gerador solar teilverschattetem.

Implementação técnica

Programas
Em implementações técnicas deste método, um microcontrolador ou um processador de sinal digital geralmente executa um dos métodos possíveis. Neste caso, o processador, os dados de medição necessários fornecidos por um conversor analógico-digital, com o qual este pode executar os cálculos necessários e passa o resultado por meio de modulação de largura de pulso para um conversor DC-DC.

Hardware
Como a carga da célula solar é ajustada com base na tensão da carga, mas a tensão de saída do regulador deve ser quase constante, ela requer um conversor DC-DC para ajustar as diferenças de tensão e, assim, a carga na célula solar. No caso de um sistema fotovoltaico, é perfeitamente possível que a faixa de tensão da tensão de carga ideal da célula solar se mova em torno da voltagem do acumulador a ser carregada. Assim, a tensão de entrada do conversor DC-DC pode ser maior e menor que sua tensão de saída. Para atender a esse requisito, é necessária uma topologia de conversor que atenda a esse recurso, como o conversor inverso, o conversor split-pi ou um conversor de ordem superior (conversor UC, conversor SEPIC, inversor duplo).

Varredura atual
O método de varredura de corrente usa uma forma de onda de varredura para a corrente do arranjo fotovoltaico de tal forma que a característica IV do arranjo fotovoltaico é obtida e atualizada em intervalos de tempo fixos. A tensão máxima do ponto de potência pode então ser calculada a partir da curva característica nos mesmos intervalos.

Voltagem constante
O termo “tensão constante” no MPP é usado para descrever diferentes técnicas de diferentes autores, uma na qual a tensão de saída é regulada para um valor constante em todas as condições e uma na qual a tensão de saída é regulada com base na taxa constante. tensão de circuito aberto medida (VOC). Esta última técnica é referida, pelo contrário, como o método da “tensão aberta” por alguns autores. Se a tensão de saída é mantida constante, não há nenhuma tentativa de rastrear o ponto de potência máxima, portanto não é uma técnica de rastreamento de ponto de potência máxima em um sentido estrito, embora tenha algumas vantagens nos casos em que o rastreamento de MPP tende a falhar. e assim, às vezes, é usado para suplementar um método MPPT nesses casos.

No método MPPT de “tensão constante” (também conhecido como “método de tensão aberta”), a energia fornecida à carga é momentaneamente interrompida e a tensão de circuito aberto com corrente zero é medida. O controlador então retoma a operação com a tensão controlada em uma relação fixa, como 0,76, da voltagem de circuito aberto VOC. Este é geralmente um valor que foi determinado como sendo o ponto de máxima potência, seja empiricamente ou baseado na modelagem, para as condições operacionais esperadas. O ponto de operação do arranjo fotovoltaico é assim mantido próximo do MPP regulando a tensão do arranjo e combinando-o com a voltagem de referência fixa Vref = kVOC. O valor de Vref também pode ser escolhido para dar um desempenho ótimo em relação a outros fatores, bem como ao MPP, mas a ideia central nessa técnica é que o Vref é determinado como uma razão para o VOC.

Uma das aproximações inerentes ao método da taxa de “tensão constante” é que a relação entre a tensão do MPP e o VOC é aproximadamente constante, de modo que deixa espaço para otimização adicional possível.

Comparação de métodos
Ambas perturbam e observam, e condutância incremental, são exemplos de métodos de “hill climbing” que podem encontrar o máximo local da curva de potência para a condição de operação do arranjo fotovoltaico e, assim, fornecer um verdadeiro ponto de potência máxima.

O método de perturbação e observação requer uma potência de oscilação em torno do ponto de potência máxima, mesmo sob irradiância estável.

O método de condutância incremental tem a vantagem sobre o método de perturbação e observação (P & amp; O) que pode determinar o ponto de potência máxima sem oscilar em torno deste valor. Ele pode executar rastreamento de ponto de potência máxima sob condições de irradiação variando rapidamente com maior precisão do que o método de perturbação e observação.No entanto, o método de condutância incremental pode produzir oscilações (não intencionalmente) e pode funcionar de forma irregular sob condições atmosféricas que mudam rapidamente. A frequência de amostragem é diminuída devido à maior complexidade do algoritmo em comparação com o método P & amp; O.

No método de taxa de tensão constante (ou “tensão aberta”), a corrente do arranjo fotovoltaico deve ser ajustada para zero momentaneamente para medir a tensão de circuito aberto e depois ajustada para uma porcentagem predeterminada da voltagem medida, geralmente em torno de 76%. A energia pode ser desperdiçada durante o tempo em que a corrente é ajustada para zero. A aproximação de 76% como a relação MPP / VOC não é necessariamente exata. Embora simples e de baixo custo para implementar, as interrupções reduzem a eficiência da matriz e não garantem encontrar o ponto de potência máxima real. No entanto, eficiências de alguns sistemas podem atingir acima de 95%.

Colocação de MPPT
Inversores solares tradicionais executam MPPT para todo o arranjo fotovoltaico (associação de módulos) como um todo. Em tais sistemas, a mesma corrente, ditada pelo inversor, flui através de todos os módulos da cadeia (série). Como diferentes módulos têm diferentes curvas IV e MPPs diferentes (devido à tolerância de fabricação, sombreamento parcial, etc.), essa arquitetura significa que alguns módulos estarão executando abaixo de seu MPP, resultando em menor eficiência.

Algumas empresas (consulte o otimizador de energia) agora estão colocando o rastreador de ponto de potência máxima em módulos individuais, permitindo que cada um opere com eficiência máxima, apesar do sombreamento desigual, da sujeira ou da incompatibilidade elétrica.

Os dados sugerem que ter um inversor com um MPPT para um projeto que tenha módulos voltados para leste e oeste não apresenta desvantagens quando comparado a ter dois inversores ou um inversor com mais de um MPPT.

Operação com baterias
À noite, um sistema fotovoltaico fora da rede pode usar baterias para fornecer cargas. Embora a tensão da bateria totalmente carregada possa estar próxima da voltagem máxima do ponto de energia do painel fotovoltaico, é improvável que isso aconteça ao nascer do sol quando a bateria estiver parcialmente descarregada. O carregamento pode começar com uma tensão consideravelmente abaixo da tensão máxima do ponto de energia do painel fotovoltaico, e um MPPT pode resolver essa incompatibilidade.

Quando as baterias de um sistema fora da rede estão totalmente carregadas e a produção fotovoltaica excede as cargas locais, um MPPT não pode mais operar o painel em seu ponto de potência máxima, pois o excesso de energia não tem carga para absorvê-lo. O MPPT deve então afastar o ponto de operação do painel fotovoltaico do ponto de potência de pico até que a produção corresponda exatamente à demanda. (Uma abordagem alternativa comumente usada em espaçonaves é desviar energia PV excedente para uma carga resistiva, permitindo que o painel opere continuamente em seu ponto de potência máxima.)

Em um sistema fotovoltaico conectado à rede, toda a energia fornecida pelos módulos solares será enviada para a rede. Portanto, o MPPT em um sistema fotovoltaico conectado à rede sempre tentará operar os módulos fotovoltaicos em seu ponto de potência máxima.