Designvorschlag zur Optimierung von Solarsystemen

Ein neuerer Ansatz zur Optimierung der Effizienz und Zuverlässigkeit von Solarsystemen besteht in der Verwendung von an jedes Solarpanel angeschlossenen Mikro-Wechselrichtern.
Ausgestattet mit einem separaten Mikro-Wechselrichter für jedes Solarpanel, kann sich das System an sich ändernde Last- und Wetterbedingungen anpassen und sorgt so für eine optimale Umwandlungseffizienz für ein einzelnes Panel und das gesamte System.
  
   
Die Micro-Inverter-Architektur vereinfacht auch die Verkabelung, was geringere Installationskosten bedeutet.
  
   
Indem das solare Stromerzeugungssystem des Verbrauchers effizienter wird, verringert sich die Zeit, die das System benötigt, um die anfänglichen Investitionen in die Solartechnologie zurückzuziehen.
  
Wechselrichter sind wichtige elektronische Komponenten von Solarstromanlagen. In kommerziellen Anwendungen verbinden diese Komponenten Photovoltaik (PV) -Panels, Batterien, die elektrische Energie speichern, und lokale Stromverteilungssysteme oder Versorgungsnetze.
Abbildung 1 zeigt einen typischen Solar-Wechselrichter, der sehr niedrige Gleichspannungen aus dem Ausgang des PV-Arrays in verschiedene Spannungen umwandelt, z. B. Batterie-Gleichspannung, Netzspannung und Netzspannung.
  
   
In einem typischen Solarenergiegewinnungssystem sind mehrere Solarmodule parallel an einen Wechselrichter angeschlossen, der den variablen Gleichstromausgang mehrerer Fotovoltaikzellen in einen sauberen Sinus-Wechselrichter mit 50 Hz oder 60 Hz umwandelt.
  
   
  
  
Es sei außerdem angemerkt, dass das Mikrocontroller (MCU) -Modul TMS320C2000 oder MSP430 in 1 typischerweise wichtige Peripheriegeräte auf dem Chip enthält, wie z. B. Pulsbreitenmodulationsmodule (PWM) und A / D-Wandler.
  
  
  
   
Abbildung 1: Die herkömmliche Architektur zur Stromumwandlung besteht aus einem Solar-Wechselrichter, der eine niedrige Ausgangsgleichspannung von der PV-Anlage empfängt und eine Netzwechselspannung erzeugt.
  
Das Hauptziel des Designs besteht darin, die Konvertierungseffizienz zu maximieren.
Dies ist ein komplexer und iterativer Prozess, der den Maximum Power Point Tracking Algorithm (MPPT) und einen Echtzeit-Controller umfasst, der die zugehörigen Algorithmen ausführt.
  
   
1 Maximieren Sie die Energieumwandlungseffizienz
  
Wechselrichter, die den MPPT-Algorithmus nicht verwenden, schließen das PV-Modul einfach direkt an die Batterie an, sodass das PV-Modul mit der Batteriespannung arbeitet.
  
  
Fast ausnahmslos ist die Batteriespannung nicht der ideale Wert, um die meiste verfügbare Sonnenenergie zu sammeln.
  
  
  
Abbildung 2 zeigt die typischen Strom- / Spannungseigenschaften eines typischen 75-W-PV-Moduls bei einer Batterietemperatur von 25 ° C.
Die gestrichelte Linie zeigt das Verhältnis von Spannung (PV VOLTS) zu Leistung (PV WATTS).
  
Die durchgezogene Linie zeigt das Verhältnis von Spannung zu Strom (PV AMPS) an. Wie in Abbildung 2 gezeigt, beträgt die Ausgangsleistung bei 12 V ungefähr 53 W.
Mit anderen Worten, indem das Photovoltaik-Modul dazu gezwungen wird, bei 12 V zu arbeiten, ist die Ausgangsleistung auf ungefähr 53 W begrenzt.
  
Mit dem MPPT-Algorithmus hat sich die Situation jedoch radikal geändert. In diesem Beispiel beträgt die Spannung, bei der das Modul die maximale Ausgangsleistung erreichen kann, 17 V.
Daher besteht die Aufgabe des MPPT-Algorithmus darin, das Modul mit 17 V zu betreiben, so dass die gesamte 75-W-Leistung unabhängig von der Batteriespannung vom Modul bezogen werden kann.
  
Der DC / DC-Leistungswandler mit hohem Wirkungsgrad wandelt die 17-V-Spannung am Eingang des Controllers in die Batteriespannung am Ausgang um.
Da der DC / DC-Wandler die Spannung von 17 V auf 12 V reduziert, beträgt der Ladestrom der Batterie in dem System, das die MPPT-Funktion unterstützt,:
  
   
(VMODULE / VBATTERY) × IMODULE oder (17 V / 12 V) × 4,45 A = 6,30 A.
  
   
Unter der Annahme, dass der Umwandlungswirkungsgrad des DC / DC-Wandlers 100% beträgt, steigt der Ladestrom um 1,85 A (oder 42%).
  
Obwohl in diesem Beispiel davon ausgegangen wird, dass der Wechselrichter Energie von einem einzelnen Solarpanel verarbeitet, weisen herkömmliche Systeme normalerweise einen Wechselrichter auf, der mit mehreren Panels verbunden ist.
Diese Topologie hat je nach Anwendung sowohl Vor- als auch Nachteile.
  
   
2 MPPT-Algorithmus
  
Es gibt drei Haupttypen von MPPT-Algorithmen: Störungsbeobachtung, Leitfähigkeitsinkrement und Konstantspannung.
Die ersten beiden Methoden werden oft als "Klettern" bezeichnet, da sie auf folgenden Tatsachen beruhen:
  
   
Auf der linken Seite des MPP befindet sich die Kurve auf dem Anstieg (dP / dV) (0), während sich die Kurve auf der rechten Seite des MPP nach unten bewegt (dP / dV „0“).
  
Die Störungsbeobachtungsmethode (P & O) wird am häufigsten verwendet. Der Algorithmus stört die Betriebsspannung in einer vorgegebenen Richtung und tastet dP / dV ab. Wenn dP / dV positiv ist, "versteht" der Algorithmus, dass die Spannung nur in Richtung MPP eingestellt wurde.
Dann wird die Spannung immer in dieser Richtung angepasst, bis dP / dV negativ wird.
  
P & O-Algorithmen sind leicht zu implementieren, aber im stationären Betrieb oszillieren sie manchmal um den MPP.
Und ihre Reaktionsgeschwindigkeit ist langsam, und selbst bei sich schnell ändernden Wetterbedingungen ist es möglich, die Richtung umzukehren.
  
Die Conductance Increment (INC) -Methode verwendet das Leitfähigkeitsinkrement dI / dV des PV-Arrays, um das Positive und das Negative von dP / dV zu berechnen. INC kann schnell wechselnde Belichtungen genauer verfolgen als P & O. Aber wie P * O kann es auch durch schnell wechselnde atmosphärische Bedingungen oszillieren und "getäuscht" werden.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die zusätzliche Komplexität die Rechenzeit erhöht und die Abtastfrequenz verringert.
  
Die dritte Methode, "Constant Voltage Method", basiert auf den folgenden Fakten: Im Allgemeinen VMPP / VOC0.76. Das Problem bei diesem Verfahren besteht darin, dass es erforderlich ist, den Strom des PV-Arrays sofort auf Null einzustellen, um die Leerlaufspannung des Arrays zu messen. Dann wird die Betriebsspannung des Arrays auf 76% des Messwerts eingestellt. Während des Trennens des Arrays wird jedoch die verfügbare Energie verschwendet.
Es wurde auch herausgefunden, dass 76% der Leerlaufspannung zwar eine gute Näherung ist, jedoch nicht immer mit MPP übereinstimmt.
  
Da kein MPPT-Algorithmus alle gängigen Verwendungsanforderungen erfolgreich erfüllen kann, lassen viele Konstrukteure das System zuerst die Umgebungsbedingungen bewerten und wählen dann den Algorithmus aus, der den aktuellen Umgebungsbedingungen am besten entspricht.
Tatsächlich gibt es viele MPPT-Algorithmen, und es ist nicht ungewöhnlich, dass Hersteller von Solarmodulen eigene Algorithmen bereitstellen.
  
   
Für kostengünstige Steuerungen ist die Ausführung des MPPT-Algorithmus neben den normalen Steuerfunktionen der MCU keine einfache Aufgabe. Der Algorithmus erfordert, dass diese Controller überlegene Rechenleistung haben.
  
   
Fortgeschrittene 32-Bit-Echtzeit-Mikrocontroller wie die C2000-Plattformfamilie von Texas Instruments eignen sich für eine Vielzahl von Solaranwendungen.
  
   
3 Wechselrichter
  
Die Verwendung eines einzelnen Wechselrichters bietet viele Vorteile, von denen die Einfachheit und die geringen Kosten die bekanntesten sind. Die Effizienz des Einzelwechselrichtersystems wird mit dem MPPT-Algorithmus und anderen Techniken verbessert, jedoch nur bis zu einem gewissen Grad. Die Nachteile einer einzelnen Wechselrichtertopologie können je nach Anwendung variieren.
Das prominenteste ist das Zuverlässigkeitsproblem: Solange der Wechselrichter ausfällt, wird die von allen Panels erzeugte Energie verschwendet, bevor der Wechselrichter repariert oder ausgetauscht wird.
  
Selbst wenn der Wechselrichter ordnungsgemäß arbeitet, kann eine einzelne Wechselrichtertopologie die Systemeffizienz negativ beeinflussen. In den meisten Fällen hat jedes Solarmodul unterschiedliche Steuerungsanforderungen, um eine maximale Effizienz zu erreichen.
Faktoren, die die Effizienz jedes Paneels bestimmen, sind: Unterschiede bei der Herstellung der im Paneel enthaltenen Photovoltaikmodule, unterschiedliche Umgebungstemperaturen, Schatten und Azimute unterschiedlicher Lichtintensitäten (empfangene Sonnenenergie).
  
Im Vergleich zum Einsatz eines Wechselrichters im Gesamtsystem wird die Umwandlungseffizienz des Gesamtsystems durch die Bereitstellung eines Mikro-Wechselrichters für jedes Solarmodul im System erneut erhöht.
Der Hauptvorteil der Mikro-Wechselrichter-Topologie besteht darin, dass die Energieumwandlung auch dann möglich ist, wenn einer der Wechselrichter ausfällt.
  
Weitere Vorteile der Verwendung eines Mikro-Wechselrichters sind die Möglichkeit, die Umwandlungsparameter jedes Solarmoduls mithilfe von hochauflösendem PWM anzupassen. Da Wolken, Schatten und Schatten die Ausgabe jedes Paneels verändern, kann jedes Pult mit einem einzigartigen Mikro-Wechselrichter an sich ändernde Lastbedingungen angepasst werden.
Dies bietet die beste Umwandlungseffizienz für jedes Panel und das gesamte System.
  
Die Mikro-Wechselrichter-Architektur erfordert, dass jedes Panel über eine dedizierte MCU zur Verwaltung der Energieumwandlung verfügt.
Diese zusätzlichen MCUs können jedoch auch zur Verbesserung der System- und Panelüberwachung verwendet werden.
  
Beispielsweise profitieren große Solarparks von der Kommunikation zwischen den Panels, um den Lastausgleich aufrechtzuerhalten, und Systemadministratoren können im Voraus planen, wie viel Energie verfügbar ist und was mit dieser Energie zu tun ist.
Um die Vorteile der Systemüberwachung voll ausnutzen zu können, muss die MCU jedoch On-Chip-Kommunikationsperipherie (CAN, SPI, UART usw.) integrieren, um die Schnittstelle zu anderen Mikro-Wechselrichtern im Solararray zu vereinfachen.
  
In vielen Anwendungen kann die Verwendung einer Mikro-Inverter-Topologie die Gesamtsystemeffizienz erheblich steigern. Auf Panelebene wird eine Effizienzsteigerung von 30% erwartet.
Aufgrund der großen Anwendungsunterschiede macht der „durchschnittliche“ Prozentsatz der Verbesserungen auf Systemebene jedoch wenig Sinn.
  
   
Anwendungsanalyse Beim Schätzen des Wertes eines Mikro-Frequenzumrichters in einer bestimmten Anwendung sollte die Topologie auf verschiedene Arten betrachtet werden.
  
In kleinen Anwendungen können Panels im Wesentlichen denselben Beleuchtungs-, Temperatur- und Schattenbedingungen ausgesetzt sein.
Daher haben Mikrowechselrichter eine begrenzte Rolle bei der Verbesserung der Effizienz.
  
Um die Platten für eine maximale Energieeffizienz mit unterschiedlichen Spannungen zu betreiben, ist ein DC / DC-Wandler erforderlich, um die Ausgangsspannung jeder Platte mit der Betriebsspannung der Energiespeicherbatterie zu vereinheitlichen. Um die Herstellungskosten zu minimieren, können der DC / DC-Wandler und der Wechselrichter als ein einziges Modul ausgeführt werden.
In das Modul kann auch ein DC / AC-Wandler für die lokale Stromleitung oder das Verteilernetz integriert sein.
  
Sonnenkollektoren müssen miteinander kommunizieren, was die Verdrahtung und Komplexität erhöht.
Dies ist ein weiteres Problem, wenn Wechselrichter, DC / DC-Wandler und Solarkollektoren in das Modul aufgenommen werden.
  
   
Die MCU jedes Wechselrichters muss noch ausreichend Kapazität haben, um mehrere MPPT-Algorithmen ausführen zu können, um sich an unterschiedliche Betriebsumgebungen anzupassen.
  
   
Die Verwendung mehrerer MCUs erhöht die Materialkosten des Gesamtsystems.
  
Jedes Mal, wenn Sie die Architektur ändern möchten, achten Sie auf die Kosten.
Um das Preisziel des Systems zu erreichen, bedeutet ein Controller pro Panel, dass die Kosten des Controllers wettbewerbsfähig und gering sein müssen, aber alle Steuerungs-, Kommunikations- und Rechenaufgaben gleichzeitig abwickeln.
  
Die Integration der richtigen Steuerperipherie auf dem Chip und die hohe analoge Integration sind zwei grundlegende Elemente, um niedrige Systemkosten sicherzustellen.
Hohe Leistung ist auch erforderlich, um Algorithmen zu implementieren, die zur Optimierung der Konvertierung, der Systemüberwachung und der Energiespeicherung entwickelt wurden.
  
Er erfüllt nicht nur die Anforderungen des Mikro-Wechselrichters selbst, sondern kann auch mit MCUs umgehen, die den Großteil des gesamten Systems erfordern, einschließlich AC / DC-Wandlung, DC / DC-Wandlung und Interpanel-Kommunikation, wodurch die Kosten für die Verwendung mehrerer MCUs reduziert werden .
erhöhen, ansteigen.
  
   
4 MCU-Funktionen
  
Ein sorgfältiges Abwägen dieser hohen Anforderungen ist der beste Weg, um herauszufinden, welche Funktionen eine MCU benötigt. Zum Beispiel ist eine Lastausgleichssteuerung erforderlich, wenn Panels parallel geschaltet werden. Die ausgewählte MCU muss den Laststrom erkennen können und die Ausgangsspannung durch Ein- / Ausschalten des Ausgangs-MOSFETs erhöhen oder senken.
Dies erfordert einen Hochgeschwindigkeits-ADC auf dem Chip, um Spannung und Strom abzutasten.
  
Das Design des Mikro-Wechselrichters hat keinen "unveränderten" Modus. Dies bedeutet, dass Designer in der Lage und innovativ sein müssen, neue Techniken und Technologien anzuwenden, insbesondere in der Kommunikation zwischen Panels und Systemen. Die am besten geeignete MCU sollte eine Vielzahl von Protokollen unterstützen, darunter auch Protokolle, an die normalerweise nicht gedacht wird, z. B. Power Line Communications (PLC) und Controller Area Network (CAN). Insbesondere die Stromleitungskommunikation kann die Systemkosten reduzieren, da keine speziellen Kommunikationsleitungen benötigt werden.
Dies setzt jedoch voraus, dass die MCU über eine integrierte Hochleistungs-PWM, einen Hochgeschwindigkeits-ADC und eine Hochleistungs-CPU verfügt.
  
Eine unerwartete, aber wertvolle Funktion für MCUs, die für Solarwechselrichteranwendungen entwickelt wurden, ist der duale On-Chip-Oszillator, der zur Erkennung von Taktausfällen verwendet werden kann, um die Zuverlässigkeit zu verbessern.
Die Möglichkeit, zwei Systemuhren gleichzeitig auszuführen, verringert auch Probleme bei der Installation von Solarmodulen.
  
Aufgrund der vielen Neuerungen beim Design von Solar-Mikro-Wechselrichtern ist die Software-Programmierung möglicherweise das wichtigste Merkmal für MCUs.
Diese Funktion bietet Ihnen die höchste Flexibilität beim Design und der Steuerung von Stromkreisen.
  
Der C2000-Mikrocontroller ist mit einem fortschrittlichen digitalen Verarbeitungskern ausgestattet, der algorithmische Operationen und ein On-Chip-Peripheriegerät für die Steuerung der Energieumwandlung effizient verarbeitet, und wird in traditionellen Topologien von Solarmodulen häufig verwendet. Die neue Piccolo-Familie der Mikrocontroller der C2000-Serie ist wirtschaftlich. Das kleinste Paket dieser Familie umfasst nur 38 Pins, seine Architektur ist jedoch fortschrittlicher und die Peripheriegeräte wurden verbessert, wodurch die Vorteile der 32-Bit-Echtzeitsteuerung nur geringen Anforderungen gerecht werden.
Anwendungen wie Mikro-Wechselrichter für Gesamtsystemkosten.
  
Darüber hinaus integriert die Piccolo MCU-Familie zwei On-Chip-10-MHz-Oszillatoren für den Taktvergleich, einen On-Chip-VREG mit Power-On-Reset und Power-Down-Schutz, mehrere hochauflösende 150-PS-PWM und eine 12-Bit-4.6
  
  
ADC- und Kommunikationsprotokollschnittstellen für Megasample / Sekunde wie I2C (PMBus), CAN, SPI und UART.
  
  
  
   
Abbildung 3: Das MCU-System für PV-basierte Systeme auf Mikro-Wechselrichter besteht aus CPU, Speicher, Strom und Takt und Peripheriegeräten.
  
Leistung ist ein Hauptmerkmal von Mikrowechselrichtern. Obwohl die Piccolo-Gerätefamilie kleiner und weniger teuer ist als andere C2000-MCUs, wurde ihre Funktionalität verbessert, beispielsweise der programmierbare Fließkomma-Beschleuniger (CLA), der komplexe Hochgeschwindigkeits-Steueralgorithmen für die CPU verarbeitet.
Dadurch entfällt die Notwendigkeit, dass die CPU E / A- und Rückkopplungsschleifen verarbeitet, und kann die Leistung in Closed-Loop-Anwendungen um den Faktor 5 verbessern.
  
   
5 Herausforderungen an die Photovoltaik-Batterie
  
Einer der Nachteile von Solarstromerzeugungssystemen ist die Umwandlungseffizienz. Sonnenkollektoren können durchschnittlich etwa 1 mW pro 100 mm2 Photovoltaikzellen beziehen. Der typische Wirkungsgrad liegt bei etwa 10%.
Der Leistungsfaktor der photovoltaischen Energiequelle (dh das Verhältnis der von der Solarzelle tatsächlich erzeugten durchschnittlichen elektrischen Energie zu der theoretisch erzeugten elektrischen Energie unter der Bedingung, dass das Sonnenlicht immer beleuchtet ist) beträgt etwa 15% bis 20%.
  
   
Hierfür gibt es verschiedene Gründe, unter anderem Änderungen in der Sonne selbst, wie zum Beispiel das vollständige Verschwinden nachts, und selbst tagsüber führen Schatten und Wetterbedingungen häufig zu weniger Licht.
  
Bei der photoelektrischen Umwandlung werden mehr Variablen in die Berechnung des Wirkungsgrades einbezogen, einschließlich der Temperatur des Sonnenkollektors und seines theoretischen Spitzenwirkungsgrades. Ein anderes Problem für Konstrukteure ist, dass die von der Photovoltaikzelle erzeugte Spannung unregelmäßig um etwa 0,5 V variiert. Diese Änderung kann bei der Auswahl einer Energieumwandlungstopologie gravierende Auswirkungen haben.
Für eine ineffiziente Energieumwandlungstechnologie ist es zum Beispiel möglich, einen großen Teil der gesammelten photovoltaischen Energie zu verbrauchen.
  
Um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass die Sonne nicht rund um die Uhr beleuchtet wird, müssen solarbetriebene Systeme Batterien und die komplexe Elektronik enthalten, um Batterien effizient aufzuladen.
Wenn die Batterie in das System integriert ist, erfordert das Aufladen der Batterie zusätzliche DC / DC-Wandlerschaltungen und erfordert außerdem Batterieverwaltung und -überwachung.
  
Viele solarbetriebene Systeme sind auch mit dem Netz verbunden, sodass eine Phasensynchronisierung und eine Korrektur des Leistungsfaktors erforderlich ist. Es gibt auch viele Umgebungen, die komplexe Steuerungen erfordern. Zum Beispiel muss ein Fehlerwarnmechanismus eingebaut werden, um Ereignisse wie Stromausfälle im öffentlichen Netz zu verhindern. Dies sind nur die wichtigsten Punkte, die Konstrukteure berücksichtigen müssen.