Quyosh energetikasi tizimlarini optimallashtirish uchun loyiha taklifi

Quyosh sistemalarining samaradorligi va ishonchliligini optimallashtirish uchun yangi yondashuv har bir quyosh paneliga ulangan mikro-invertörlerin foydalanish.
Har bir quyosh paneli uchun alohida mikro-inverter bilan jihozlangan tizim, o'zgaruvchan yuk va ob-havo sharoitlariga moslasha oladi va bir panel va butun tizim uchun tejamkor ishlash samaradorligini ta'minlaydi.
  
   
Kichik invertor me'morchiligi kabellarni simini osonlashtiradi, bu esa pastroq o'rnatish xarajatlarini bildiradi.
  
   
Iste'molchilarning quyosh energiyasini ishlab chiqarish tizimini yanada samaraliroq qilish orqali, tizimni quyosh texnologiyasida dastlabki investitsiyalarni "rad etish" uchun sarflash vaqti kamayadi.
  
Quvvat inverteri - quyosh energiyasi tizimlarining asosiy elektron qismlari. Tijoriy qo'llanmalarda ushbu komponentlar fotovoltaik (PV) panellari, elektr energiyasini saqlaydigan batareyalar va mahalliy energiya taqsimlash tizimlari yoki kommunal tarmoqlarni ulashadi.
1-rasmda PV kattaligi chiqishidan juda kam shahar kuchlanishlarini batareya shahar zo'riqishida, AC chizig'ida kuchlanish va tarqatish tarmoqlari voltaji kabi bir qancha kuchlanishga aylantiradigan odatiy bir quyosh inverteri ko'rsatilgan.
  
   
Odatda, bir quyosh energiyasi yig'ish tizimida, bir nechta quyosh paneli bir xil fotovoltaik kameradan o'zgaruvchan shahar chiqishi toza 50 Hz yoki 60 Hz sinus to'lqin invertörüne o'zgartiradigan invertör parallel ravishda ulanadi.
  
   
  
  
Bunga qo'shimcha ravishda, 1-rasmda joylashgan TMS320C2000 yoki MSP430 mikrokontroleri (MCU) modulida odatda zarba kengligi modulatsiyasi (PWM) modullari va A / D konvertorlari kabi kalit chipli atrof-muhit birliklari mavjud.
  
  
  
   
Shakl 1: An'anaviy quvvat konvertatsiya qilish me'morchiligi quyosh invertsiyasidan iborat bo'lib, PV kattaligidan past bo'lgan shahar chiqish voltajini oladi va AC chizig'i kuchlanishini hosil qiladi.
  
Dizaynning asosiy maqsadi konversiya samaradorligini oshirishdir.
Bu maksimum Power Point Kuzatuv Algoritmini (MPPT) va shu bilan bog'liq algoritmlarni bajaradigan real vaqtda boshqaruvchini o'z ichiga olgan murakkab va qaytaruvchi jarayondir.
  
   
1-quvvat o'tkazish ishlash samaradorligini oshirish
  
MPPT algoritmini ishlatmaydigan invertörler, PV modulini batareyaga to'g'ridan-to'g'ri ulab, PV modulini akkumulyator voltajida ishlashga majbur qiladi.
  
  
Deyarli istisnosiz, batareya zo'riqishida eng quyosh energiyasini yig'ish uchun ideal qiymat yo'q.
  
  
  
2-rasm, odatda, 75 Vt PV modulining odatda oqim / kuchlanish xususiyatlarini 25 ° C batareya haroratida ko'rsatadi.
Nuqta chiziq kuchlanish (PV VOLTS) kuchga (PV SIK) nisbati ko'rsatadi.
  
Qattiq chiziq kuchlanish oqimining nisbatlarini ko'rsatadi (PV AMPS). Shakl 2da ko'rsatilgandek, 12Vda chiqish quvvati taxminan 53W ni tashkil qiladi.
Boshqacha qilib aytganda, fotovoltaik modulni 12V da ishlashga majbur qilish orqali, chiqish quvvati taxminan 53W bilan cheklangan.
  
Biroq, MPPT algoritmi bilan, vaziyat tubdan o'zgardi. Ushbu misolda modulning maksimal chiqish quvvatiga erishish mumkin bo'lgan kuchlanish 17Vni tashkil etadi.
Shuning uchun, MPPT algoritmi vazifasi modulni 17V da ishlatishdir, shuning uchun batareyaning kuchlanishidan qat'i nazar, barcha 75V kuchlanish moduldan olinishi mumkin.
  
Yuqori mahsuldorlikdagi shahar / shahar quvvat konvertori 17V kuchlanishni tekshirgichning chiqishida chiqishda akkumulyator kuchlanishiga o'tkazadi.
DC / DC konvertori kuchlanishni 17V dan 12Vgacha pasaytirgandan buyon, MPPT funktsiyasini qo'llab-quvvatlaydigan tizimdagi batareya zaryadlash oqimi quyidagicha:
  
   
(VMODULE / VBATTERY) × IMODULE yoki (17V / 12V) × 4.45A = 6.30A.
  
   
DC / DC konverterning ishlash samaradorligini 100% deb hisoblasa, zaryadlovchi oqim 1.85A (yoki 42%) ga oshadi.
  
Ushbu misol, inverter energiyani bitta quyosh panelidan ishlasa, odatiy tizimlar odatda bir nechta panelga ulangan bir inverterga ega.
Ushbu topologiyaning qo'llanilishiga qarab, ham afzalliklari, ham kamchiliklari mavjud.
  
   
2 MPPT algoritmi
  
MPPT algoritmlarining uchta turi mavjud: buzilish kuzatuvi, o'tkazuvchanlikning oshishi va doimiy voltaj.
Birinchi ikkita usul, odatda, "toqqa chiqish" deb nomlanadi, chunki ular quyidagi faktlarga asoslanadi:
  
   
MPP ning chap tomonida, egri chuqurlikda ko'tariladi (dP / dV) 0), MPP o'ng tomonida egri pastga tushadi (dP / dV "0").
  
Ta'sir qilish-kuzatish (P & O) usuli eng ko'p ishlatiladigan usul. Algoritm operatsion kuchlanishni ma'lum bir yo'nalishda belgilaydi va dP / dV namunalarini belgilaydi. Agar dP / dV ijobiy bo'lsa, algoritm "MPP ga nisbatan kuchlanishni to'g'rilashni" tushunadi.
Keyin u dP / dV salbiy holga kelguniga qadar har doim bu yo'nalishda kuchlanishni o'rnatadi.
  
R & O algoritmlarini bajarish oson, lekin ularni barqaror boshqarishda ular ba'zan MPP atrofida kuchayadi.
Va ularning javob tezligi sekin, hatto tez o'zgaruvchan ob-havo sharoitida ham yo'nalishni teskari o'zgartirish mumkin.
  
Supero'tkazuvchilar kattalashuvi (INC) usuli dP / dV ning ijobiy va salbiyligini hisoblash uchun PV massasining o'tkazgich o'sishini qo'llaydi. INC tez o'zgaruvchan yorug'lik ta'sirini P & O dan ko'ra aniqroq ko'ra olishi mumkin. Ammo P * O kabi, atmosfera sharoitida tezlik bilan o'zgarib, u ham salınabilir va "aldatılabilmektedir".
Boshqa ahvolga tushadigan bo'lsak, qo'shimcha murakkablik hisoblash vaqtini oshiradi va namuna olish chastotasini pasaytiradi.
  
Uchinchi usul "Ruxsat etilgan kuchlanish usuli" quyidagi faktlarga asoslanadi: Umuman, VMPP / VOC0.76. Ushbu uslub bilan bog'liq muammo, massivning ochiq elektron kuchlanishini o'lchash uchun PV massasining oqimini zudlik bilan to'g'rilashni talab qiladi. Keyin qatorning ishchi kuchlanishi o'lchagan qiymatning 76% ga teng bo'ladi. Biroq, qatorni o'chirishda mavjud energiya isrof qilinadi.
Bundan tashqari, ochiq elektron zo'riqishida 76% yaxshi taqqoslash bo'lishiga qaramasdan, har doim ham MPP bilan mos kelmaydi.
  
Hech bir MPPT algoritmi barcha keng tarqalgan ishlatish talablarini muvaffaqiyatli qondira olmaganligi sababli, ko'plab muhandislar tizimi avvalo atrof-muhit sharoitlarini baholaydi va keyinchalik mavjud ekologik sharoitga mos keladigan algoritmni tanlab oladi.
Aslida, MPPT algoritmlari mavjud va quyosh panellari ishlab chiqaruvchilari o'zlarining algoritmlarini taqdim qilishning o'zi kam emas.
  
   
Arzon boshqarish uchun MCU ning oddiy nazorat funktsiyalariga qo'shimcha ravishda, MPPT algoritmini bajarish oson ish emas. Algoritm bu kontrollerlerin yuqori hisoblash kuchiga ega bo'lishini talab qiladi.
  
   
Texas Instruments C2000 platforma oilasi kabi rivojlangan 32-bitlik real vaqtda mikrokontroller turli xil quyoshli dasturlar uchun mos keladi.
  
   
3 kuch invertörü
  
Yagona inverterni ishlatishning ko'pgina afzalliklari mavjud, ularning eng ustunligi soddalik va arzon narx. Yagona inverter tizimining samaradorligi MPPT algoritmi va boshqa metodlar bilan takomillashtiriladi, biroq u faqat ma'lum darajada. Bitta inverterli topologiyaning kamchiliklari dasturga qarab farq qilishi mumkin.
Eng ishonchli ishonchlilik muammosi: inverter ishlamay qolgan ekan, barcha panellar tomonidan ishlab chiqariladigan energiya inverterni ta'mirlash yoki almashtirishdan oldin sarflanadi.
  
Agar inverter to'g'ri ishlayotgan bo'lsa ham, bir invertör topologiyasi tizim samaradorligiga salbiy ta'sir ko'rsatishi mumkin. Ko'pgina hollarda, har bir quyosh paneli maksimal samaradorlik uchun turli xil nazorat talablariga ega.
Har bir paneldagi samaradorlikni aniqlaydigan omillar quyidagilardir: panelda joylashgan fotovoltaik modullarni ishlab chiqarish, turli xil muhit harorati, soyalar va turli xil yorug'lik intensivligining azimutlari (quyosh energiyasidan olingan).
  
Inverterni butun tizimda ishlatish bilan taqqoslaganda, tizimdagi har bir quyosh paneli uchun mikro-inverterni taqdim etish butun tizimning ishlash samaradorligini yanada oshiradi.
Micro-inverter topologiyasining asosiy afzalligi shundaki, agar inverterlarning biri muvaffaqiyatsiz bo'lsa ham, energiya almashinuvi hali ham davom etishi mumkin.
  
Micro-inverterni ishlatishning boshqa afzalliklari yuqori quyoshli PWM yordamida har bir quyosh panelining ishlash parametrlarini moslashtirish qobiliyatiga ega. Bulutlar, soyalar va shadislar har bir paneldagi chiqishni o'zgartirganligi sababli, har bir paneli noyob mikro-inverter bilan ta'minlab, tizim o'zgaruvchan yuk sharoitlariga moslashishga imkon beradi.
Bu har bir panel va butun tizim uchun eng yaxshi ishlash samaradorligini ta'minlaydi.
  
Micro-inverter me'morchiligi har bir panelni energiyani qayta ishlashni boshqarish uchun maxsus MCUga ega bo'lishni talab qiladi.
Biroq, ushbu qo'shimcha MCU'lar tizim va panelni takomillashtirish uchun ham ishlatilishi mumkin.
  
Misol uchun, katta quyosh xo'jaliklari yuklarni muvozanatlashni ta'minlash va tizim ma'murlariga qancha energiya mavjudligini va bu energiya bilan nima qilishni oldindan rejalashtirish imkonini berish uchun inter-panelli aloqa orqali foyda oladi.
Biroq, tizimni nazorat qilishning afzalliklaridan to'liq foydalanish uchun MCU quyosh majmuasidagi boshqa mikro-inverterlar bilan interfeyslarni soddalashtirish uchun on-chip aloqa aloqa qurilmalari (JON, SPI, UART, va boshqalar) ni birlashtirishi kerak.
  
Ko'pgina ilovalarda mikro-inverter topologiyasidan foydalanish umumiy tizim samaradorligini sezilarli darajada oshirishi mumkin. Panel darajasida samaradorlik 30% ga oshishi kutilmoqda.
Shu bilan birga, amaliyotda keng farqlanish tufayli tizim darajasidagi yaxshilanishlarning "o'rtacha" foizi juda mantiqiy emas.
  
   
Dasturlarni tahlil qilish Muayyan dasturda mikro chastota konvertorining qiymatini baholashda topologiyani bir necha usullar bilan ko'rib chiqish kerak.
  
Kichik ilovalarda panellar aslida bir xil yorug'lik, harorat va soya sharoitlariga duch kelishi mumkin.
Shuning uchun mikro-invertorlar samaradorlikni oshirishda cheklangan rol o'ynaydi.
  
Panellarni turli kuchlanishlarda maksimal energiya samaradorligini boshqarish uchun har bir panelning chiqish kuchlanishini energiyani saqlash batareyasining ish kuchlanishiga birlashtirish uchun DC / DC konverter kerak. Ishlab chiqarish xarajatlarini minimallashtirish uchun DC / DC konverter va invertor bitta modul sifatida ishlab chiqilishi mumkin.
Mahalliy quvvat liniyasi yoki tarqatish panjarasi uchun DC / AC konvertori modulga kiritilishi mumkin.
  
Quyosh panellari simlar va murakkabliklarni qo'shadigan bir-biri bilan muloqot qilishlari kerak.
Bu modulga invertorlar, DC / shahar konvertorlari va quyosh panellarini kiritish uchun yana bir masala.
  
   
Har bir invertordan MCU turli xil operatsion muhitlarga mos keladigan bir necha MPPT algoritmlarini ishlatish uchun hali etarli imkoniyatga ega bo'lishi kerak.
  
   
Ko'p MCUni ishlatish umumiy tizimning moddiy xarajatlarini oshiradi.
  
Har safar arxitekturani o'zgartirishni o'ylab, uning narxiga e'tibor berasiz.
Tizimning narx-navolarini qondirish uchun panelga bitta nazoratchi ega bo'lishi nazoratchining narxini raqobatbardosh va kichik bo'lishi kerak, lekin ayni paytda barcha nazorat, aloqa va hisoblash vazifalarini bir vaqtning o'zida bajarishi kerak.
  
To'g'ri boshqaruv atrof-muhit birliklari va yuqori analog integratsiyani integratsiyalashgan tizimning past xarajatlarini ta'minlash uchun ikkita asosiy element hisoblanadi.
Konvertatsiya qilish, tizimni monitoring qilish va energiyani tejashni optimallashtirish uchun samaradorlik uchun ishlab chiqilgan algoritmlarni yuqori ishlashi ham talab etiladi.
  
Kichik-inverterning o'z talablariga javob berishdan tashqari, u AC / DC konvertatsiyasini, DC / DC konversiyasini va panellararo aloqani o'z ichiga olgan barcha tizimlarning ko'pchiligini talab qiluvchi MCU'larni ham bajarishi mumkin, bu esa bir nechta MCU .
o'sish.
  
   
4 MCU xususiyatlari
  
Yuqori darajadagi ushbu talablarni diqqat bilan tortish - MCU qanday xususiyatlarga ega bo'lishini aniqlashning eng yaxshi usuli. Masalan, paneli parallel ravishda o'rnatishda yuk muvozanatlashni boshqarish kerak. Tanlangan MCU yuk oqimini aniqlashi va chiqdi MOSFETni yoqish / o'chirish orqali chiqish voltajini ko'tarishi yoki kamaytirishi kerak.
Buning uchun chastotali va oqim namunasini tayyorlash uchun yuqori tezlikli chipli ADC talab etiladi.
  
Micro-inverter dizaynida "o'zgarmas" rejim mavjud emas. Bu esa, dizaynerlar yangi texnologiyalar va texnologiyalarni, ayniqsa paneli va tizimlar o'rtasidagi muloqotda qodir va innovatsion bo'lishi kerakligini anglatadi. Eng mos MCU odatda Power Line Communications (PLC) va Controller Area Network (JON) kabi fikrga ega bo'lmagan ba'zi bir protokollarni qo'llab-quvvatlashi kerak. Xususan, elektr liniyasi aloqasi tizim xarajatlarini kamaytiradi, chunki maxsus aloqa liniyalari zarur emas.
Biroq, bu MCU-ning yuqori sifatli PWM, yuqori tezlikda ADC va yuqori ishlash ko'rsatkichli CPU o'rnatilgan bo'lishi kerak.
  
Quyosh inverter dasturlari uchun mo'ljallangan MCU'lar uchun kutilmagan, ammo qimmatli xususiyat - ishonchli ishni yaxshilash uchun soat uzilishlarni aniqlash uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan ikkita chip-osilator.
Ikkita tizim soatlarini bir vaqtning o'zida ishlatish qobiliyati quyosh panelini o'rnatish bilan bog'liq muammolarni ham kamaytiradi.
  
Quyosh mikro-invertörlerinin tasarımındaki juda ko'p yangilik tufayli, MCU'ların eng muhim xususiyati dasturiy dasturiy ta'minot.
Bu xususiyat sizga elektr simini loyihalash va boshqarish bo'yicha eng yuqori moslashuvchanlikni beradi.
  
C2000 mikrokreditlagichi rivojlangan raqamli protsessor yadrosi bilan jihozlangan bo'lib, u algoritmik operatsiyalarni samarali ravishda ishlaydi va energetik konvertatsiya qilish uchun yon chipli periferiya setini ishlatadi va an'anaviy quyosh panelli inverter topologiyalarida keng qo'llaniladi. C2000 seriyali mikrokontrolderlarning yangi Piccolo oilasi iqtisodiydir. Ushbu oiladagi eng kichik paket faqat 38 pin, ammo uning arxitekturasi yanada rivojlangan va atrof-muhit birliklari 32 bitli real vaqtda nazoratning past talablarga javob beradigan afzalliklarini oshiradi.
Mikrotirgichlar kabi umumiy tizim xarajati uchun dasturlar.
  
Bundan tashqari, Piccolo MCU oilasi soatni taqqoslash uchun ikkita chipli 10MHz osilatorni ishga tushiradi, quvvatni qayta tiklash va kuchdan pastga tushirish bilan himoyalangan VREG, bir nechta yuqori ruxsatli 150ps PWM va 12-bitli 4.6
  
  
Megasample / ikkinchi ADC va I2C (PMBus), JON, SPI va UART kabi aloqa protokoli interfeyslari.
  
  
  
   
3-rasm. Mikro invertorli PV-asosidagi tizimlar uchun MCU tizimi CPU, xotira, kuch va soat, tashqi qurilmalardan iborat.
  
Ishlash mikro-inverterlarning asosiy xususiyati hisoblanadi. Piccolo qurilmalari oilasi boshqa C2000 MCU'lardan kichikroq va kamroq qimmat bo'lsa-da, CPU uchun murakkab yuqori tezlikda boshqaruv algoritmlarini boshqaradigan dasturlashtiriladigan qaymoqli nuqtani nazorat qilish qonuni tezlashtiruvchisi (CLA) kabi funksionalligi yaxshilandi.
Bu protsessorga I / U va geribildirim looplarini ishlashi kerakligini bartaraf etadi va yopiq-pastadir dasturlarda ishlashni 5 marta oshirishi mumkin.
  
   
5 Fotovoltaik batareya bilan bog'liq muammolar
  
Quyosh energiyasini ishlab chiqarish tizimlarining kamchiliklaridan biri konversiya samaradorligi hisoblanadi. Quyosh panellari har 100 mm2 fotovoltaik kameradan o'rtacha taxminan 1 mVt chizish mumkin. Odatda hosildorlik 10% ni tashkil etadi.
Fotovoltaik quvvat manbaining quvvat faktori (quyosh xujayrasi tomonidan ishlab chiqarilgan o'rtacha elektr energiyasi nazariy jihatdan ishlab chiqarilgan elektr energiyasiga quyosh nuri har doim yonib turishi sharti bilan) 15% dan 20% gacha.
  
   
Buning bir qator sabablari, jumladan, quyoshning o'zgarishi, masalan, kechasi yo'qolishi va hatto kun davomida soyalar va ob-havo sharoitlari ko'pincha yorug'likka olib keladi.
  
Fotoelektrik konvertatsiya, quyosh panelining harorati va uning nazariy maksimal rentabelligi, shu jumladan samaradorlikni hisoblashda ko'proq o'zgaruvchanlikni keltirib chiqaradi. Dizayn muhandislari uchun yana bir muammo shundaki, fotovoltaik hujayra tomonidan ishlab chiqarilgan kuchlanish taxminan 0,5 V gacha o'zgarib turadi. Ushbu o'zgarish energiya almashinuvi topologiyasini tanlashda jiddiy ta'sir ko'rsatishi mumkin.
Misol uchun, samarasiz energiya ishlash texnologiyasi uchun to'plangan fotovoltaik energiyaning katta qismini iste'mol qilish mumkin.
  
Quyosh energiyasi bilan ishlaydigan tizimlarda batareyalar va batareyalarni samarali ravishda zaryad qilish uchun zarur bo'lgan kompleks elektronlar bo'lishi kerak.
Batareya tizimga ulangan bo'lsa, batareya zaryadlashni qo'shimcha DC / DC konvertatsiya qilish davri talab qiladi, batareya boshqaruvi va monitoringini talab qiladi.
  
Ko'pgina quyosh energiyasi bilan ishlaydigan tizimlar, shuningdek, o'zgarishlar sinxronizatsiyasini va kuch-faktorni to'g'rilashni talab qiladigan panjara bilan birlashadi. Murakkab elementlarni talab qiluvchi ko'plab muhitlar mavjud. Misol uchun, jamoatchilik tarmog'ida elektr uzilishi kabi hodisalarni bartaraf etish uchun xato signalizatsiya mexanizmini yaratish kerak. Ular muhandislarni loyihalashtirishni rejalashtiradigan eng yaxshi narsalardir.