Максимальное отслеживание точки электропитания (MPPT) или иногда просто отслеживание точки электропитания (PPT)) — это метод, используемый обычно с ветровыми турбинами и фотоэлектрическими (PV) солнечными системами, чтобы максимизировать извлечение энергии при любых условиях.

Хотя солнечная энергия в основном покрыта, этот принцип обычно применяется к источникам с переменной мощностью: например, оптическая передача мощности и термофотовольтаика.

Солнечные системы PV существуют во многих различных конфигурациях в отношении их отношения к инверторным системам, внешним сетям, батареям или другим электрическим нагрузкам. Независимо от конечного назначения солнечной энергии, центральная проблема, решаемая MPPT, заключается в том, что эффективность передачи энергии от солнечного элемента зависит как от количества солнечного света, падающего на солнечные батареи, так и от электрических характеристик нагрузки. Поскольку количество солнечного света изменяется, изменяется характеристика нагрузки, которая дает максимальную эффективность передачи мощности, так что эффективность системы оптимизируется, когда характеристика нагрузки изменяется, чтобы поддерживать передачу мощности с наивысшим КПД. Эта нагрузочная характеристика называется максимальной точкой питания (MPP), а MPPT — это процесс нахождения этой точки и поддержания там нагрузки. Электрические схемы могут быть спроектированы таким образом, чтобы представлять произвольные нагрузки на фотогальванические элементы, а затем преобразовывать напряжение, ток или частоту в соответствии с другими устройствами или системами, а MPPT решает проблему выбора наилучшей нагрузки, которая должна быть представлена ​​ячейкам, чтобы получить самая используемая мощность.

Солнечные элементы имеют сложную взаимосвязь между температурой и полным сопротивлением, что дает нелинейную эффективность выхода, которая может быть проанализирована на основе кривой IV. Целью системы MPPT является выборка выходных элементов фотоэлементов и применение надлежащего сопротивления (нагрузки) для получения максимальной мощности для любых условий окружающей среды. Устройства MPPT обычно интегрированы в систему преобразователей электроэнергии, которая обеспечивает преобразование, фильтрацию и регулирование напряжения или тока для управления различными нагрузками, включая силовые сетки, батареи или двигатели.

Солнечные инверторы преобразуют мощность постоянного тока в переменную мощность и могут включать MPPT: такие инверторы пробуют выходную мощность (IV-кривую) от солнечных модулей и применяют надлежащее сопротивление (нагрузку), чтобы получить максимальную мощность.
Мощность MPP (Pmpp) является продуктом напряжения MPP (Vmpp) и MPP (Impp).

Определения

Вид солнечного модуля с равномерно освещенным
Диаграмма тока-напряжения, как показано напротив, обычно применяется таким образом, что показано техническое направление тока измеренного обратного тока солнечного элемента.Таким образом, ток действует положительно на освещение, в отличие от классической диодной характеристики.

Соотношение между максимальной мощностью P MPP солнечного элемента в максимальной точке мощности и продуктом напряжения UL открытой цепи и током IK короткого замыкания называется коэффициентом заполнения FF:

с функцией напряжения разомкнутой цепи солнечного модуля:

 = Диодный коэффициент
 = Напряжение разомкнутой цепи
 = Ток насыщения
 = Температурное напряжение
 = Фототока

Фототока слегка возрастает с повышением температуры и на практике обычно игнорируется.При увеличении облучения солнечного модуля ток увеличивается примерно пропорционально, мощность увеличивается. Напряжение почти не меняется. С повышением температуры напряжение падает незначительно, потому что ток насыщения, называемый также темным током, увеличивается.

Таким образом, мощность, возникающая из-за продукта напряжения и тока, уменьшается при постоянном облучении и повышении температуры модуля. Типичные значения составляют -0,45% на Кельвина для солнечных элементов из кристаллического кремния.

В характеристике вольт-амперных характеристиках идентифицируются следующие свойства: функции распознавания для успешной адаптации мощности:
Он применяется с настройкой производительности в MPP: 

В МПП характеристика IU затрагивает гиперболу с P = Pmpp = const.
MPP делит свою касательную на две одинаково длинные секции.

Диагональ в прямоугольнике точечных координат параллельна касательной.

Характеристики распознавания обусловлены локальным свойством максимальной производительности (dp / dU = 0). Они хорошо подходят для определения или проверки положения МПП в характеристических кривых даже без оси производительности. Они также применимы, если отсутствует масштабирование оси.

Рассмотрение нескольких последовательно соединенных солнечных модулей с частичным затенением
На соседних рисунках показана цепочка из десяти солнечных модулей, соединенных последовательно: синяя пунктирная кривая представляет случай, когда все модули подвергаются равномерному облучению. Черная кривая означает, что два из десяти модулей находятся в тени и получают только 20% излучения по сравнению с другими модулями (диффузным излучением).

Можно видеть, что в заштрихованном случае уже не один максимум производительности, а несколько. Выделенный зеленый цвет — это «глобальный MPP», то есть фактическая точка максимальной мощности. Покрашенный в красный цвет — это «местный MPP», то есть местная высокая точка на кривой производительности.

Причина этого процесса заключается в обходных диодах, которые интегрированы в солнечные модули для защиты отдельных ячеек: в локальном MPP все модули работают с тем же низким током, который затененные модули могут доставлять (путем диффузного облучения) , Только когда напряжение понижается или ток увеличивается, байпасные диоды заштрихованных модулей реагируют и закрывают эти части модуля короткими, поэтому их можно скомпоновать.В результате строковое напряжение меньше (заштрихованные модули фактически «отсутствуют» в строке), но ток намного выше, что объясняет более высокую мощность при глобальном максимуме.

Задний план
Фотовольтаические ячейки имеют сложную взаимосвязь между их операционной средой и максимальной мощностью, которую они могут производить. Коэффициент заполнения, сокращенный FF, является параметром, который характеризует нелинейное электрическое поведение солнечного элемента. Коэффициент заполнения определяется как отношение максимальной мощности от солнечного элемента к продукту напряжения разомкнутой цепи Voc и тока короткого замыкания Isc. В табличных данных часто используется для оценки максимальной мощности, которую ячейка может обеспечить с оптимальной нагрузкой в ​​данных условиях, P = FF * Voc * Isc. Для большинства целей FF, Voc и Isc достаточно информации, чтобы дать полезную примерную модель электрического поведения фотогальванической ячейки в типичных условиях.

Для любого заданного набора рабочих условий ячейки имеют одну рабочую точку, где значения тока (I) и напряжения (V) ячейки приводят к максимальной выходной мощности. Эти значения соответствуют конкретному сопротивлению нагрузки, равному V / I, как указано Законом Ома. Мощность P задается P = V * I. Фотовольтаическая ячейка для большей части полезной кривой действует как источник постоянного тока. Однако в области MPP фотовольтаической ячейки ее кривая имеет приблизительно обратную экспоненциальную зависимость между током и напряжением. Из теории базовой схемы мощность, подаваемая от или к устройству, оптимизируется там, где производная (графически, наклон) dI / dV кривой IV равна и противоположна отношению I / V (где dP / dV = 0). Это называется максимальной точкой питания (MPP) и соответствует «колену» кривой.

Нагрузка с сопротивлением R = V / I, равная обратной величине этого значения, потребляет максимальную мощность от устройства. Это иногда называют «характерным сопротивлением» клетки. Это динамическая величина, которая изменяется в зависимости от уровня освещенности, а также от других факторов, таких как температура и возраст клетки. Если сопротивление ниже или выше этого значения, потребляемая мощность будет меньше максимально доступной, и, таким образом, ячейка не будет использоваться так эффективно, как могла бы быть. Контроллеры максимальной мощности используют различные типы схем управления или логики для поиска этой точки и, таким образом, чтобы схема преобразователя извлекала максимальную мощность, доступную из ячейки.

Реализация
Когда нагрузка непосредственно подключена к панели солнечных батарей, рабочая точка панели редко будет иметь максимальную мощность. Сопротивление, наблюдаемое панелью, выводит рабочую точку панели солнечных батарей. Таким образом, изменяя импеданс, наблюдаемый панелью, рабочая точка может быть перемещена в сторону пиковой мощности.Поскольку панели представляют собой устройства постоянного тока, преобразователи постоянного тока должны использоваться для преобразования импеданса одной цепи (источника) в другую цепь (нагрузку). Изменение коэффициента заполнения преобразователя постоянного тока приводит к изменению импеданса, как видно на панели. При определенном импедансе (или коэффициенте заполнения) рабочая точка будет находиться в точке пиковой мощности. Кривая IV панели может значительно варьироваться при изменении атмосферных условий, таких как сияние и температура. Поэтому нецелесообразно фиксировать коэффициент заполнения при таких динамически изменяющихся условиях эксплуатации.

В реализациях MPPT используются алгоритмы, которые часто воспроизводят напряжения на панели и токи, а затем при необходимости настраивают коэффициент заполнения. Для реализации алгоритмов используются микроконтроллеры. Современные реализации часто используют более крупные компьютеры для анализа и прогнозирования нагрузки.

классификация
Контроллеры могут следовать нескольким стратегиям для оптимизации выходной мощности массива. Контроллеры максимальной мощности могут реализовывать различные алгоритмы и переключаться между ними на основе условий работы массива.

Пертурбей и наблюдай
В этом методе контроллер настраивает напряжение на небольшое количество из массива и измеряет мощность; если мощность увеличивается, дальнейшие корректировки в этом направлении проверяются до тех пор, пока мощность больше не увеличится. Это называется методом возмущения и наблюдения и является наиболее распространенным, хотя этот метод может привести к колебаниям выходной мощности. Он называется методом подъема холма, поскольку он зависит от возрастания кривой мощности против напряжения ниже максимальной точки мощности и падения выше этой точки. Пертурбом и наблюдением является наиболее часто используемый метод MPPT из-за его простоты внедрения. Метод пертурба и наблюдения может привести к эффективности верхнего уровня при условии, что будет принята надлежащая прогностическая и адаптивная стратегия восхождения на холм.

Инкрементная проводимость
В методе инкрементной проводимости контроллер измеряет инкрементные изменения в токе и напряжении PV-массива для прогнозирования влияния изменения напряжения. Этот метод требует большего количества вычислений в контроллере, но может отслеживать изменение условий быстрее, чем метод возмущения и наблюдения (P & amp; O). Подобно алгоритму P & amp; O, он может генерировать колебания в выходной мощности. Этот метод использует инкрементную проводимость (dI / dV) фотогальванической решетки для вычисления знака изменения мощности по напряжению (dP / dV).

Метод инкрементной проводимости вычисляет максимальную точку мощности путем сравнения инкрементной проводимости (IΔ / VΔ) с проводимостью массива (I / V). Когда эти два являются одинаковыми (I / V = ​​IΔ / VΔ), выходное напряжение представляет собой напряжение MPP. Контроллер поддерживает это напряжение до тех пор, пока облучение не изменится, и процесс повторяется.

Метод инкрементной проводимости основан на наблюдении, что в максимальной точке мощности dP / dV = 0 и P = IV. Ток из массива может быть выражен как функция напряжения: P = I (V) V. Следовательно, dP / dV = VdI / dV + I (V). Полагая это равным нулю, получаем: dI / dV = -I (V) / V. Поэтому максимальная точка мощности достигается, когда инкрементная проводимость равна отрицательному значению мгновенной проводимости.

Технические процедуры

«Управление тенью»
Все методы, описанные ниже, ищут MPP с относительно небольшим шагом по сравнению с текущим максимумом производительности. Это имеет то преимущество, что солнечный генератор работает очень близко к MPP большую часть времени (высокая «эффективность адаптации MPP»). Недостаток заключается в том, что трекер в частично затененном солнечном генераторе часто остается на локальном MPP (см. Выше), не находя путь к глобальному MPP.

Именно поэтому большинство производителей инверторов теперь интегрировали дополнительную функцию, которая проходит через регулярные промежутки времени (обычно каждые 5-10 минут) очень быстро всей характеристикой солнечного генератора для поиска глобальной MPP. Эта функция называется «управление теневыми» или «управление теневыми», иногда как «широкая функция» и не заменяет непрерывное отслеживание MPP.

Для большинства производителей функция активируется на заводе, для других она может быть активирована в меню. Потери урожая из-за регулярного прохождения характеристической кривой (в течение которой генератор, естественно, не работает в МПП), например, даются как «& lt; 0,2%», например, продолжительность прохождения характеристической кривой называется 2 секундами ,

Следует отметить, что диапазон входного напряжения инвертора является ограничивающим фактором: только если количество незашитых модулей достаточно для достижения минимального входного напряжения инвертора только с этими модулями, он может управлять глобальным MPP. Поэтому важно сформировать достаточно длинные строки для затенения.(Раньше использование теней для формирования многих коротких строк стало устаревшим с момента введения теневого управления).

Способ увеличения напряжения
Самый простой способ найти максимальную мощность, отслежыватель MPP непрерывно увеличивает нагрузку на солнечный элемент с нуля, увеличивая выходную мощность. Если достигнут максимум мощности, мощность снова начинает уменьшаться, что служит критерием завершения поиска. Это итеративный процесс, который постоянно выполняет микропроцессор в трекере MPP, так что даже при изменении условий облучения всегда существует операция в максимальной точке питания. В случае частично затененного солнечного генератора контроллер остается на локальном максимуме, если он (случайно) находится на нем.

Метод скачков нагрузки
В методе скачков нагрузки (английский Perturb и наблюдение) контроллер периодически меняет нагрузку солнечного элемента небольшими шагами (шаг нагрузки) в определенном направлении, а затем измеряет мощность, подаваемую солнечным элементом. Если измеренная мощность выше измеренной мощности предыдущего периода, контроллер поддерживает это направление поиска и совершает следующий скачок мощности. Если измеренная мощность меньше, чем у последнего периода измерения, контроллер изменяет направление поиска и теперь выполняет скачки нагрузки в противоположном направлении.Таким образом, максимальная мощность постоянно исследуется, в результате чего точная точка максимальной мощности никогда не встречается, но к ней приближается 1 скачок нагрузки, что не является проблемой, если оно достаточно мало. Это создает своего рода колебания, достигающие максимума производительности. Если солнечный генератор частично затенен, контроллер остается на локальном максимуме, если он (случайно) на нем.

Восходящая проводимость
Идея метода инкрементной проводимости основана на нахождении максимальной мощности, основанной на дифференциале и удельной проводимости солнечного элемента.Максимальная точка мощности характеризуется тем, что изменение выходной мощности по отношению к изменению напряжения становится равным нулю. В зависимости от того, на какой стороне кривой мощности находится текущая точка нагрузки, соотношение мощности и напряжения увеличивается или уменьшается с изменением нагрузки, что приводит к следующим уравнениям:

Слева от максимума:


Прямо рядом с максимумом:

Преобразуя уравнения, для контроллера получаются следующие условия: I и U — текущие измеренные значения контрольного периода, а dI, dU — изменения предыдущего периода управления.

Слева от максимума:


Прямо рядом с максимумом:

В максимальной производительности:

Используя это условие, контроллер меняет нагрузку на каждый цикл управления шаг за шагом в направлении, в котором он приближается к условию требуемой максимальной мощности.Если система удовлетворяет этому условию, максимальный результат работы был найден и поиск может быть завершен. Если выходная мощность изменяется из-за интенсивности освещения солнечного элемента, контроллер возобновляет поиск.

В случае частично затененного солнечного генератора контроллер остается на локальном максимуме, если он (случайно) находится на нем.

Метод постоянного напряжения
Метод постоянного напряжения основан на зависимости между напряжением разомкнутой цепи солнечного элемента и напряжением, при котором солнечный элемент дает максимальную мощность. Таким образом, он может быть заключен на основе знания напряжения разомкнутой цепи к необходимому для снятия максимально возможного напряжения силовой нагрузки и, следовательно, нагрузки. Поскольку изменение напряжения без нагрузки зависит от разных параметров, контроллер должен периодически измерять их во время работы. Для этой цели нагрузка отделяется от солнечного элемента на время измерения напряжения. На основе измеренного напряжения без нагрузки контроллер может рассчитывать оптимальную нагрузку и устанавливать ее при повторном подключении нагрузки и солнечного элемента. Поскольку соотношение между напряжением разомкнутой цепи и оптимальным напряжением нагрузки эмпирически определено заранее и зависит от многих параметров, точная максимальная мощность не достигается. Поэтому алгоритм находится в строгом смысле этого слова, никто, кто ищет фактическую максимальную мощность и не работает в солнечном генераторе.

Техническая реализация

Программного обеспечения
В технических реализациях этого метода микроконтроллер или цифровой сигнальный процессор обычно выполняет один из возможных методов. В этом случае процессор, необходимые данные измерений, предоставляемые аналого-цифровым преобразователем, с помощью которого он может выполнять необходимые вычисления и передает результат посредством широтно-импульсной модуляции в DC-DC-преобразователь.

аппаратные средства
Поскольку нагрузка солнечного элемента регулируется в зависимости от напряжения нагрузки, но выходное напряжение регулятора должно быть почти постоянным, для регулировки разности напряжений требуется постоянный преобразователь постоянного тока, и, таким образом, нагрузка на солнечный элемент может быть. В случае фотогальванической системы вполне возможно, что диапазон напряжения оптимального напряжения нагрузки солнечного элемента будет перемещаться вокруг напряжения заряжаемого аккумулятора. Таким образом, входное напряжение DC-DC-преобразователя может быть как больше, так и меньше, чем его выходное напряжение. Для удовлетворения этого требования требуется топология преобразователя, которая удовлетворяет этой функции, такой как инверсный преобразователь, преобразователь split-pi или преобразователь более высокого порядка (конвертер UC, конвертер SEPIC, двойной инвертор).

Текущая развертка
Текущий метод развертки использует форму развертки для тока решетки PV, так что IV-характеристика массива PV получается и обновляется с фиксированными временными интервалами. Максимальное напряжение питания можно затем вычислить по характеристической кривой с одинаковыми интервалами.

Постоянное напряжение
Термин «постоянное напряжение» в отслеживании МПП используется для описания различных методов различными авторами, в котором выходное напряжение регулируется до постоянного значения при всех условиях, а также то, в котором выходное напряжение регулируется на основе постоянного отношения к измеренное напряжение разомкнутой цепи (VOC). Последний метод упоминается в противоположность методу «открытого напряжения» некоторыми авторами. Если выходное напряжение поддерживается постоянным, нет попытки отслеживать максимальную точку питания, поэтому она не является максимальной способностью отслеживания мощности в строгом смысле, хотя она имеет некоторые преимущества в случаях, когда отслеживание MPP имеет тенденцию к сбою, и поэтому иногда используется для дополнения метода MPPT в этих случаях.

В методе MPPT «постоянное напряжение» (также известном как «метод открытого напряжения») мощность, подаваемая на нагрузку, мгновенно прерывается и измеряется напряжение разомкнутой цепи с нулевым током. Затем контроллер возобновляет работу с напряжением, контролируемым при фиксированном отношении, например 0,76, от напряжения VOC с разомкнутым контуром. Обычно это значение, которое было определено как максимальная точка мощности, как эмпирически, так и на основе моделирования, для ожидаемых рабочих условий. Таким образом, рабочая точка PV-массива поддерживается вблизи MPP, регулируя напряжение массива и сопоставляя его с фиксированным опорным напряжением Vref = kVOC. Величина Vref также может быть выбрана так, чтобы обеспечить оптимальную производительность по сравнению с другими факторами, а также MPP, но центральная идея в этом методе заключается в том, что Vref определяется как отношение к VOC.

Одним из неотъемлемых приближений к методу отношения «постоянное напряжение» является то, что отношение напряжения MPP к ЛОС является только приблизительно постоянным, поэтому оно оставляет место для дальнейшей возможной оптимизации.

Сравнение методов
Как возмущение, так и наблюдение и инкрементная проводимость являются примерами методов «подъема холма», которые могут найти локальный максимум кривой мощности для рабочего состояния массива PV и, таким образом, обеспечить истинную максимальную мощность.

Метод возмущения и наблюдения требует колебательной выходной мощности вокруг максимальной точки мощности даже при постоянном освещении.

Метод инкрементной проводимости имеет преимущество перед пертурбом и наблюдает (P & amp; O) метод, что он может определить максимальную точку мощности без колебаний вокруг этого значения. Он может выполнять отслеживание максимальной мощности в условиях быстрого изменения облучения с большей точностью, чем метод возмущения и наблюдения.Однако метод инкрементной проводимости может создавать колебания (непреднамеренно) и может происходить неустойчиво в быстро меняющихся атмосферных условиях. Частота дискретизации уменьшается из-за большей сложности алгоритма по сравнению с методом P & amp; O.

В методе постоянного напряжения (или «открытого напряжения») ток от фотогальванической решетки должен быть установлен на нуль мгновенно для измерения напряжения разомкнутой цепи, а затем после этого установлен на заданный процент измеренного напряжения, обычно около 76%. Энергия может быть потрачена впустую в течение времени, когда ток установлен на ноль. Аппроксимация 76% как отношение МПП / ЛОС не обязательно является точной.Несмотря на то, что простые и недорогие для реализации, прерывания уменьшают эффективность массива и не обеспечивают поиск фактической максимальной точки питания.Однако эффективность некоторых систем может достигать 95%.

Размещение MPPT
Традиционные солнечные инверторы выполняют MPPT для всего массива PV (ассоциация модулей) в целом. В таких системах один и тот же ток, продиктованный инвертором, проходит через все модули в строке (серии). Поскольку разные модули имеют разные кривые IV и разные МПП (из-за допустимой производительности, частичного затенения и т. Д.), Эта архитектура означает, что некоторые модули будут работать ниже их MPP, что приведет к снижению эффективности.

Некоторые компании (см. «Оптимизатор мощности») теперь размещают максимальный трекер мощности в отдельных модулях, что позволяет каждому работать с максимальной эффективностью, несмотря на неравномерное затенение, загрязнение или электрическое рассогласование.

Данные предполагают наличие одного инвертора с одним MPPT для проекта с восточными и западными модулями, не имеющими недостатков, по сравнению с наличием двух инверторов или одного инвертора с более чем одним MPPT.

Работа с аккумуляторами
В ночное время внесистемная фотоэлектрическая система может использовать батареи для подачи нагрузок. Хотя полностью заряженное напряжение аккумуляторной батареи может быть близко к максимальному напряжению питания панели PV, это вряд ли будет истинным при восходе солнца, когда батарея частично разряжена. Зарядка может начинаться при напряжении, значительно ниже максимального значения напряжения питания панели PV, и MPPT может разрешить это несоответствие.

Когда батареи в автономной системе полностью заряжены, а производство PV превышает локальные нагрузки, MPPT больше не может работать с панелью в максимальной точке питания, поскольку избыточная мощность не имеет нагрузки для ее поглощения. Затем MPPT должен сдвинуть рабочую точку панели PV от пиковой точки питания до тех пор, пока производство не будет точно соответствовать спросу. (Альтернативный подход, обычно используемый в космических аппаратах, состоит в том, чтобы отвлечь излишнюю энергию PV на резистивную нагрузку, позволяя панели работать непрерывно в точке пиковой мощности).

В сетке, подключенной к фотогальванической системе, вся поставляемая мощность от солнечных модулей будет отправлена ​​в сетку. Поэтому MPPT в подключенной к сетке системе PV всегда будет пытаться управлять фотоэлектрическими модулями в максимальной точке питания.