Оптимизиране на ефективността на фотоволтаични системи

Специфики на Maximum Power Point Tracker (MPPT) технологията

Фотоволтаичните модули все още имат относително ниска ефективност на преобразуване. Поради тази причина при проектирането на PV системи от голямо значение е управлението на модула с цел отдаване на максимална мощност (Maximum Power Point Tracker - MPPT). Тя се изменя в зависимост от промяната на слънчевата радиация и температурата на модула, които са различни за отделните етапи от деня.

Използват се различни методи за реализиране на MPPT процесите. В зависимост от степента на сложност на задачата, те варират от прости алгоритми по смущение и наблюдение до по-сложни като размита логика, невронни системи и други. При първия тип се прави опит за определяне на точката на максимална мощност, като се управлява директно мощността, пресметната от измерваните стойности на тока и напрежението на модула като първоначална стойност. С напредването на технологиите, в процеса на следенето на MPPT все по-често се използват размита логика и размити контролери. Основното им предимство е, че при изпълнението на управлението не са необходими математически модели. В замяна на това е необходима значителна по обем информация от предварителни изследвания за определяне на функциите на принадлежност на лингвистичните термини, базата правила и други, за постигане на висока точност.

Приложение намират и други методи за следене на максималната работна точка с техните предимства и недостатъци. Някои от тях използват измерване на слънчевата радиация и температурата на панела, а при други се използват напрежението и токът. Малка част от методите отчитат наличието на множество локални максимуми на мощността, получени в резултат на частично засенчване на PV панелите, което може да бъде реална пречка пред функционалната способност на MPPT. Когато се попадне и работи в локален максимум, са налице значителни енергийни загуби, защото се следи локалният MPP, вместо глобалният MPP, твърдят специалистите. Все пак някои от методите изискват допълнителни начални етапи за избягване на това множество от локални максимуми и постигат близост до истинския MPP.

Осигуряване на максимална мощност

На фигура 1 е показана зависимостта на мощността от напрежението на фотоволтаичен панел, състоящ се от 48 силициеви клетки (2 паралелно свързани групи, всяка с 24 серийно присъединени клетки). Видно е, че кривата има ясно изразен максимум. Системата за управление има за задача да поддържа напрежението на фотоволтаичния панел на стойност от около 17 V, за да се осигури максимум на генерираната мощност. В случай че напрежението нарасне над 18,5 V, панелът ще работи в режим на празен ход, т. е. големината на тока ще клони към нулата. Ако клетката се експлоатира в режим близък до късо съединение, токът ще е голям, но напрежението малко, което на практика означава отново малка полезна мощност. При промяна на условията на осветяване на фотоволтаичния панел, оптималната работна точка се измества. Следователно, задачата на системата за управление е да “проследява” изместването на работната точка във времето и да поддържа работата на клетката непрекъснато в оптималната зона.

За сравнение, на фигури 2 и 3 са показани зависимостите на мощността от напрежението на същия фотоволтаичен панел, но при различна степен на частично засенчване. Ясно се вижда, че точката на максимална мощност би могла да се измести значително, в зависимост от условията на работа. Също така са възможни локални максимуми в кривата. Следователно, изборът на контролер или инвертор е много важен, тъй като те би следвало да поддържат функционална възможност за откриване на глобалния максимум и осигуряване работа на панела именно в точката на глобалния, а не на локалния максимум.

Ролята на постояннотоковия преобразувател

В реалните системи фотоволтаиците не се свързват директно към постояннотоковия товар. Системата за управление използва постояннотоков преобразувател, който има за задача да преобразува постоянното напрежение на изхода на фотоволтаика до постоянно напрежение с друг волтаж - този на шините на товара. Най-често постояннотоковият преобразувател се реализира като повишаващ преобразувател, чиято схема е показана на фигура 4. При този тип преобразуватели постоянното напрежение на изхода (от страната на RT) е по-високо от напрежението на входа. При отпушване на транзистора, токът през индуктивността започва да се повишава, запасявайки в нея енергия. При запушване на транзистора, ЕДН на самоиндукция на индуктивността се сумира с напрежението на фотоволтаика и кондензаторът се зарежда до сумата от двете напрежения. През времето, когато транзисторът е отпушен, товарът се захранва от запасената в кондензатора енергия. Отношението на времето, през което транзисторът е отпушен, към периода, когато е запушен, представлява коефициент на запълване D на конвертора. Възможно е да се докаже, че с промяна на коефициента на запълване на конвертора се изменя и еквивалентното му входно съпротивление.

Когато в системата с фотоволтаик е включен конвертор, на практика еквивалентното му входно съпротивление се явява товарно за фотоволтаика, а постояннотоковият товар RT е изходно съпротивление за конвертора.

При повишаващия преобразувател изходното напрежение U0 (т. е. напрежението върху RT) е свързано с входното напрежение Ui (т. е. напрежението на фотоволтаика) с формулата: U0 = Ui/1 - D2. При това положение входното съпротивление на инвертора се представя с израза: Ri = RT(1 - D)2, където Ri е входното съпротивление на преобразувателя, а RT е неговото изходно товарно съпротивление.

Тъй като постояннотоковият преобразувател се явява товар на фотоволтаика, то с изменение на коефициента на запълване на преобразувателя се променя и товарното съпротивление на фотоволтаика, което определя и работната му точка - фигура 5. Ако фотоволтаикът е натоварен директно със съпротивлението RT, т. е. без постояннотоков преобразувател, той би работил в точка А, която е пресечна на волтамперната характеристика на фотоволтаика и товарната права, която в този случай би имала ъглов коефициент 1/RT. Както се вижда от втората графика, при работа в точка А фотоволтаикът има по-ниска изходна мощност. При въвеждане на постояннотоков преобразувател в системата, работната точка би могла да се измести в точка В, при която фотоволтаикът отдава максимална мощност.

Алгоритми за оптимална работна точка

Както вече бе изяснено, работната точка с максимална мощност не е постоянна, а зависи от условията на работа и контролерите/ инверторите трябва адаптивно да изменят коефициента на запълване на преобразувателя, за да поддържат работата на системата оптимална.

Съществува голямо разнообразие от алгоритми и средства за “намиране” на оптималната работна точка. Тъй като по модифицирането и оптимизирането на алгоритмите се работи активно в момента, постоянно се публикуват нови решения. Често използваните алгоритми за определяне на оптимална работна точка могат да се класифицират в следните групи: методи “отклонение-наблюдение”; методи, следящи “инкрементална проводимост”; методи, базирани на наблюдение на напрежението, както и методи, базирани на наблюдение на тока.

Характерно за метода “отклонение-наблюдение” е, че се практикува леко отклонение от работната точка и се наблюдава изменението на отдаваната от фотоволтаика мощност. Установяването, че мощността нараства, означава, че това е правилната посока на изменение на работната точка и отклонението продължава в същата посока. Ако отдаваната мощност се понижава след отклонението, то необходимото движение на работната точка е в другата посока. Ако при отклонение и в двете посоки, мощността се понижава, следователно текущата работна точка съвпада с максимума.

При методите, следящи "инкрементална проводимост", се работи на базата на определени зависимости. Известно е, че мощността на фотоволтаика, изразена чрез тока и напрежението на модула, е равна на P = UI. След диференциране по отношение на напрежението се получава dP/dU = I + U(dI/dU). В точката на максимума е изпълнено условието dP/dU = 0, откъдето следва, че за нея е в сила зависимостта I/U = - dI/dU. Ако работната точка се намира вдясно от максимума, то dP/dU < 0 и I/U < - dI/dU. Когато работната точка е вляво от максимума, са в сила зависимостите dP/dU > 0 и I/U > - dI/dU.

Контролерите, работещи по този алгоритъм, могат по-бързо да намират точката на максимална мощност при бързо променящи се атмосферни условия. Горните 3 отношения задават както условие за определяне на оптимум, така и посока на изменение при неговото търсене.

За разлика от двата предходни метода, при методите, базирани на наблюдение на напрежението и на тока, се следи напрежението на празен ход или токът на късо съединение на фотоволтаика. След това се предполага, че работната точка с максимална мощност се намира при напрежение, равно на около 0,75 от напрежението на празен ход, или при ток, равен на около 0,9 от тока на късо съединение.

Контролерите, работещи с този тип алгоритми, отделят за съвсем кратък период от време фотоволтаичния модул от останалата част на системата и го оставят на празен ход, когато трябва да се измери напрежението на празен ход или го свързват към малко по стойност, но мощно съпротивление, за да измерят тока на празен ход. Необходимостта от отделяне на фотоволтаика от системата, макар и за кратко, е недостатък на тази група методи, както и необходимостта от мощно съпротивление за измерване на тока на късо съединение, характерно при системите, измерващи ток.

В много случаи контролерите извършват измервания само върху един панел от фотоволтаичната система, като след което всички панели се управляват в получената работна точка, тъй като се предполага, че те функционират при идентични условия.

Фактори, влияещи върху постигането на MPPT

Както вече споменахме, отдаването на максимална мощност от панелите се изменя през различните периоди от деня, в зависимост от промяната на слънчевата радиация и температурата на модула. Следователно, МРРТ в голяма степен се влияе от ефекта на засенчването на модулите. Степента на влияние зависи от броя засенчени модули, клетки и bypass диоди, посоката на засенчване, вътрешното свързване на модула, дизайн на инвертора и др. Специалистите определят 2 основни вида засенчване: временно и постоянно. При временното засенчване значително намалява светлината, достигаща до панела, като частично или изцяло закрива клетките му. Това могат да са клони на близки дървета, покриви на съседни къщи или други предмети, които хвърлят сянка върху панела през определена част от деня.

Постоянните източници са замърсявания, които пречат на светлината да достигне клетката като паднали листа, прах, влажност и други. Ако дори само една от клетките в панела е постоянно засенчена, напрежението от нея ще намалее наполовина, което означава че тя ще увеличи съпротивлението си и ще намали напрежението в околните още повече. Ако по-голям брой клетки бъдат засенчени, панелът няма да преобразува никаква слънчева енергия, дори може да се държи като товар.

Ако панелите са последователно свързани в стринг, при засенчване се обуславят 2 точки на МРР. При коя от двете точки се достига МРР, зависи от засенчването през различните часове от деня. При паралелното свързване на модулите е валидно, че загубите зависят от броя засенчени стрингове. При засенчване на два стринга, с от две до осем клетки от тях, няма промяна в параметрите, независимо дали са засенчени 2 или 8 клетки. При последователно свързване се забелязва увеличаване на загубите след всяка засенчена клетка. За да се избегнат тези проблеми, някои компании поставят конвертори на максималната работна точка (peak power point converters) в отделните фотоволтаични панели, което позволява на всеки от тях да работи с максимална ефективност, въпреки неравномерното осветяване, замърсяване или електрически несъответствия.