POLITECHNIKA GDAŃSKA Laboratorium Układów Sterowania z

POLITECHNIKA GDAŃSKA
Laboratorium Układów Sterowania z Niekonwencjonalnymi
Źródłami Energii
Badanie wpływu częściowego przesłonięcia na charakterystyki ogniwa
fotowoltaicznego
Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego
GDAŃSK 2009
1
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest analiza wpływu przesłonięcia na pracę ogniwa słonecznego.
Na sprawność ogniwa wpływa nasłonecznienie, temperatura otoczenia i kąt promieni
słonecznych względem ogniwa oraz ich równomierność.
2. Wstęp
Całkowite zasłonięcie tylko jednej komórki, pomimo pełnego nasłonecznienia reszty
komórek, powoduje istotny spadek mocy całego ogniwa. Zasłonięcie jednej komórki
powoduje, że część komórek nagrzewa się, co może prowadzić do awarii. Ograniczeniu
wpływu zakłócenia, jakim jest częściowe zasłonięcie, służą diody bocznikujące, które
sprawiają, że prąd omija słabo oświetlone komórki ogniwa. Zastosowanie diod
UWY
Rys. 1. Budowa panelu fotowoltaicznego.
Komputer
Ogniwo
PC
Interfejs sterowania
i programowania
Przetwornica
Magazyn energii
Odbiornik
Rys. 2. Schemat funkcjonalny stanowiska laboratoryjnego.
2
bocznikujących, pozwala nie tylko poprawić sprawność systemu, ale co najważniejsze, chroni
ogniwo przed destrukcją termiczną.
2. Algorytmy obliczania punktu pracy komórki ogniwa.
Stanowisko laboratoryjne stanowi ogniwo słoneczne Kyocera 40CT-1, przetwornica
napięcia z interfejsem sterowania firmy MMB Drives, akumulator oraz obciążenie
rozładowujące akumulator. Schemat funkcjonalny stanowiska laboratoryjnego został
przedstawiony na rys. 2.
Pomiar charakterystyki ogniwa fotowoltaicznego można zrealizować przez wymuszenie
najpierw napięcia minimalnego, a następnie wymuszenie napięcia maksymalnego. Ponieważ
zmiana wartości napięcia nie odbywa się natychmiastowo i trwa od 0,25s przy maksymalnym
nasłonecznieniu do 1s przy nasłonecznieniu 100W/m2, można w tym czasie wielokrotnie
zmierzyć wartości napięć oraz prądów, i w ten sposób utworzyć charakterystykę IWY = f(UWY).
Zmiana wartości napięcia ogniwa odbywa się przez wymuszenie czasów załączenia
pierwszego tranzystora przetwornicy. Drugi tranzystor służy do kondycjonowania napięcia
wyjściowego przetwornicy.
Jednym z zaimplementowanych algorytmów poszukiwania maksymalnego punktu
pracy (MPP) na stanowisku laboratoryjnym jest często wykorzystywany przy poszukiwaniu
optymalnego napięcia algorytm Perturb and Observe (PO). Algorytm ten polega na
niewielkim okresowym podwyższaniu lub obniżania napięcia, a następnie porównywaniu
mocy oddawanej w danej chwili i mocy oddawanej przed zmianą napięcia. Na podstawie
porównania mocy wyznacza się kolejną wartość przyrostu napięcia oraz jego znak. Do zalet
tej metody poszukiwania punktu maksymalnej mocy należy zaliczyć brak przerw w
oddawaniu mocy oraz wysoką skuteczność przy dużych wartościach nasłonecznienia. Główne
wady to ciągłe oscylacje wokół optymalnego punktu pracy i brak możliwości odnalezienia
wszystkich ekstremów lokalnych, gdy ogniwo jest częściowo przesłonięte. Algorytm PO
został przedstawiony na rys. 3, gdzie UMPPS – napięcie maksymalnej mocy ogniwa w
standardowych warunkach testowych, UWY – mierzone napięcie wyjściowe ogniwa,
UREF – zadane napięcie wyjściowe ogniwa, IWY – mierzony prąd wyjściowy ogniwa, ∆U –
wartość przyrostu napięcia, P1 – moc przed zaburzeniem oraz P2 – moc po zaburzeniu.
3
Start
UREF = UMPP
∆U = 0.05V
NIE
UWY = UREF
TAK
P1=UREF IWY
UREF = UREF + ∆U
NIE
UWY = UREF
TAK
UREF = UREF + ∆U
P2=UREF IWY
P1 = P 2
∆U = - ∆U
P1 < P 2
NIE
TAK
Rys. 3. Algorytm poszukiwania punktu maksymalnej mocy metodą PO.
moc wyjściowa ogniwa PWY [W]
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
napięcie wyjściowe ogniwa UWY [V]
Rys. 4. Charakterystyka P = f(U) panelu fotowoltaicznego KC40T-1 dla standardowych
warunków testowych.
4
Kolejna zastosowana metoda poszukiania MPP to „Momentarily – Short – Calibration
method”, która polega na zwieraniu ogniwa przez cewkę, co pozwala na zarejestrowanie
charakterystyki w zakresie napięć od napięcia nie obciążonego ogniwa (UWY = UOC) do
ogniwa w stanie zwarcia (UWY = O). W czasie zwarcia jednocześnie rejestrowane
i zatrzaskiwane są prąd i napięcie. Zaletą tej metody jest duża dokładność i bardzo wysoka
odporność na zakłócenia związane z częściowym przesłonięciem i zmianami temperatur.
Wadą tej metody są: konieczność instalacji czujników prądu i napięcia oraz dodatkowego
wyposażenia. Kolejną wadą jest fakt, że metoda ta wymaga chwilowego odłączania ogniwa.
Na rys. 5 przedstawiono schemat układu wraz z modyfikacją pozwalającą na zastosowanie
przedstawionego wyżej algorytmu.
Obciążenie
Przetwornica
DC
DC
Ogniwo słoneczne
I
Układ
A/C
A/
U
regulacji
C
Rys. 5. Schemat układu ogniwa i przetwornicy wraz z modyfikacją umożliwiającą
wykorzystanie algorytmu short-calibration.
Ponieważ algorytm PO wykazuje brak odporności na częściowe przesłonięcie, a algorytm
MSC wymaga okresowego odłączania ogniwa słonecznego, jako rozwiązanie pośrednie
zastosowano algorytm, który po zmianie warunków nasłonecznienia, a więc i mocy
oddawanej, odszukuje punkt maksymalnej mocy, a następnie śledzi go za pomocą metody
PO. Główną zaletą rozwiązania wykorzystującego pomiar charakterystyki jest odporność na
częściowe przesłonięcie. Zaletą metod gradientowych jest duża dokładność i brak przerw
w dostarczaniu energii. Główną ideą tego algorytmu poszukiwania punktu maksymalnej mocy
jest reakcja na nagłe zmiany prądu dostarczanego przez ogniwo, które są efektem zmiany
warunków nasłonecznienia. Reakcją na nagłe zmiany nasłonecznienia i wynikające z nich
nagłe zmiany mocy np. o 10% w ciągu sekundy, jest pomiar charakterystyki prądowo –
5
napięciowej, który pozwala na przybliżone określenie napięcia przy którym uzyskiwana jest
moc maksymalna. Kolejnym krokiem jest śledzenie punktu maksymalnej mocy, aż do
kolejnej nagłej zmiany prądu ogniwa. Uproszczony graf algorytmu został przedstawiony na
rys. 6, gdzie UPmax – napięcie punktu maksymalnej mocy, IPmax – prąd punktu maksymalnej
mocy.
Start
Pomiar charakterystyki
I = f(U)
Obliczenie charakterystyki
P = f(U)
Odnalezienie UPmax
Śledzenie UPmax
algorytmem PO
TAK
Nagła zmiana mocy ogniwa
NIE
(zmiana nasłonecznienia)
Rys. 6. Hybrydowy algorytm poszukiwania punktu maksymalnej mocy.
Algorytm ten łączy zalety wszystkich przedstawionych wcześniej algorytmów
i ogranicza ich wady. Dzięki pomiarowi całej charakterystyki układ jest odporny na
częściowe zasłonięcie, a dzięki algorytmowi PO wyznaczanie punktu maksymalnej mocy jest
dokładne oraz ograniczana jest ilość odłączeń ogniwa. W celu zmniejszenie amplitudy
oscylacji napięcia wokół punktu maksymalnej mocy należy zastosować algorytm PO
o zmiennej wartości przyrostu napięcia (∆U). Na rys. 7 przedstawiono opisywany tutaj
hybrydowy algorytm sterowania ze szczegółowym uwzględnieniem algorytmu PO.
6
Start
Pomiar charakterystyki I = f(U)
Obliczenie charakterystyki P = f(U)
Estymacja UPmax
Rejestracja IPmax
UREF = UPmax
∆U = 0.05V
NIE
UWY = UREF
TAK
P1=UREF IWY
UREF = UREF + ∆U
NIE
UWY = UREF
TAK
P2=UREF IWY
UREF = UREF + ∆U
|PMAX – UWY IWY| < ∆P
NIE
∆U = - ∆U
TAK
P1 < P2
P1 = P 2
TAK
NIE
Rys. 7. Szczegółowy graf algorytmu hybrydowego poszukiwania punktu maksymalnej mocy.
Ponadto częściowe zasłonięcie ogniwa wiąże się z nagrzewaniem ogniwa i może prowadzić
do jego destrukcji. Odpowiedni algorytm sterowania pozwala nie tylko na wzrost zysku
energetycznego ale i wydłużenie czasu życia ogniwa.
7
3. Schemat układu laboratoryjnego
Schemat energetycznej i pomiarowej części przetwornicy przedstawiono na rys. 8.
Rys. 8. Schemat ideowy energetycznej i pomiarowej części przetwornicy.
8
Przetwornica ma możliwość zarówno obniżania jak i podwyższania napięcia. Sterowanie
napięciem wyjściowym ogniwa i przetwornicy odbywa się za pomocą tranzystorów Q1 i Q3.
Pomiar napięć wykonywany jest za pomocą dzielników rezystancyjnych oraz wzmacniaczy.
Sygnały załączające tranzystory pochodzą z interfejsu sterowania i mogą być podane na
wejścia tranzystora jedynie za pośrednictwem układu kondycjonującego, którego głównymi
elementami są układy scalone U6 i U7.
4. Aplikacja do obsługi przetwornicy.
Do obsługi przetwornicy został wykorzystany aplet wykonany przez firmę MBB. Aplet
został zmodyfikowany na potrzeby długotrwałej rejestracji charakterystyk. Modyfikacja
pozwala na rejestracje trzech tablic o wielkości 1300 elementów każda.
Uruchomienie przetwornicy rozpoczynamy od jej załączenia przełącznikiem na
obudowie, następnie włączamy program Tkombajn. Następnie należy wgrać program
sterujący do pamięci interfejsu. Odbywa się to przez kliknięcie przycisku zaznaczonego na
rysunku 9.
Rys. 9. Program do obsługi przetwornicy wraz z zaznaczonym przyciskiem wgrywania
programu sterującego przetwornicą.
Następnie należy sprawdzić status przetwornicy. Po kliknięciu na zakładce „Inne”
zaznaczamy opcję status (rys. 10).
9
Rys. 10. Włączenie okna status
W oknie status poprawne wgranie program sygnalizowane jest przez podświetlenie na zielono
pierwszych czterech pól. Pole piąte powinno być podświetlone na fioletowo, dopuszczalne
jest aby ostatnie pole było podświetlone na fioletowo lub zielono. Sygnalizacja błędów
odbywa się przez podświetlenie jednego z pól na czerwono. Po wgraniu programu można
przejść do ustawienia parametrów przetwornicy.
Po kliknięciu na zakładce „Zmienne” w dowolnej komórce kolumny „Nazwa” należy wpisać
„KontrolaKonfiguracjiUkladuL1”. Następnie w tej samym wierszu i sąsiedniej kolumnie
„Zapis” wpisujemy wartość 6. W ten sposób wybrano hybrydowy algorytm sterowania
punktem pracy ogniwa. Wpisując nazwy innych zmiennych możliwe jest odczyt ich wartości.
Ostatnim krokiem jest włączenie zezwolenia na załączanie tranzystorów. Odbywa się to przez
kliknięcie przycisku „ON”. Wyłączenie odbywa się przez kliknięcie przycisku „OFF”.
Rejestracji krótkich przebiegów można dokonać w zakładce „rejestracje” (rysunek 11).
Wybór zmiennych do rejestracji odbywa się przez wpisanie ich nazw w lewą kolumnę.
Rejestracja może być wyzwalana natychmiast lub gdy pewna zmienna osiągnie określoną
wartość, wybór zmiennej odbywa się przez zaznaczenie jej i wybór warunku i wartości po
której osiągnięciu załączana jest rejestracja (niebieska ramka na rysunku 11) . Zarówno
natychmiastowe jak i wyzwalane warunkiem rejestracje uruchamia się przez wciśnięcie
przycisku uruchom (zielona ramka na rysunku 11). Czas rejestracji w milisekundach
(maksymalnie 10s) podawany jest w polu zaznaczonym czerwoną ramką na rysunku 11. Po
zakończeniu rejestracji, dane należy ściągnąć przez wciśnięcie klawisza „Transfer”
i wyświetlić klikając klawisz „Wykres fst”.
10
Rys. 11. Zakładka rejestracji przebiegów.
Możliwa jest również rejestracja przebiegów trwających dłużej niż 10s, rejestrowane jest
napięcie, moc oraz ilość załączeń algorytmu SC. Załączenie rejestracji odbywa się przez
ustawienie wartości zmiennej „rejestracja” na „1”. Ustawienie okresu próbkowania odbywa
się przez zmianę wartości zmiennej „czasprobki”(wartość w sekundach). Po zakończeniu
rejestracji sygnalizowanym przez zmianę wartości zmiennej „rejestracja” na „0” należy
kliknąć przycisk „Odczyt”. Przebiegi zostają zapisane do pliku: c:\przebiegi.dat.
Zmienne zapisane dużymi literami są zmiennymi względnymi i przyjmują wartości z zakresu
<0,1>, zaś zmienne zapisane małymi reprezentują zapis bezwzględny.
5. Program ćwiczenia:
1) Zapoznać się ze strukturą stanowiska laboratoryjnego obsługą oprogramowania
2) Przeprowadzić rejestrację pomiarów pracy ogniwa fotowoltaicznego dla algorytmów
poszukiwania MPP PO i SC oraz dla zadawanego napięcia w zmiennej ufv_zad.
3) Przeprowadzić rejestrację jak w pkt 2 dla różnych stanów przesłonięcia ogniwa.
Zarejestrować przebiegi przejściowe podczas zasłaniania i odsłaniania wybranych
komórek.
4) Ocenić jakość pracy układu regulacji dla poszczególnych algorytmów poszukiwania MPP.
Literatura
[1]
Licznerski M.:Optymalne sterowanie systemem fotowoltaicznym.
[2]
Evaluating MPPT Converter Topologies Using a Matlab PV Model. G. Walker; Power
Conversion Conference 2002 PCC Osaka 2002.
11
[3]
Study on dynamic and static characteristics of photovoltaic cell. Ujiie, K.; Izumi, T.;
Yokoyama, T.; Haneyoshi, T.; Power Conversion Conference, 2002. PCC Osaka 2002.
[4]
A novel Maximum Power Point Tracker Controlling Several Converters Connected to
Photovoltaic Arrays with Particle Swarm Optimization Technique. Miyatake, M.;
Toriumi, F.; Endo, T.; Fujii, N.; Power Conversion Conference, 2007. EPE Aalborg
2007.
[5]
Characteristics of solar PV array under partial shaded conditions. Ramaprabha,
R., Mathur, B.L.; TENCON 2008 IEEE Region 10 Conference.
[6]
Temperature Coefficients for PV Modules and Arrays: Measurement Methods,
Difficulties and Results. D. L. King, J. A. Kratochvil, W. E. Boyson; 26th IEEE
Photovoltaic Specialists Conference, Anaheim, California 1997.
[7]
Topology Study of Photovoltaic Interface for maximum Power Point Tracking.
Weidong Xiao, Ozog N., Dunford W.G.; IEEE Transactions On Industrial Electronics,
Vol. 54, no.3, June 2007.
[8]
A Combined Two-Method MPPT Control Scheme for Grid-Connected Photovoltaic
Systems. Dorofte C., Borup U., Blaabjerg F.; Power Electronics and Applications,
2005 European Conference on.
[9]
Real-time maximum power point tracking for grid-connected photovoltaic systems.
L. Zhanlg, A. Al-Amoudi, Y. Bai; IEE Publ. No. 475, 2000, pp. 124-129.
[10] Variable Frequency Controlled Incremental Conductance Derived MPPT Photovoltaic
Stand-Along DC Bus System. Guan-Chyun Hsieh, Hung-Liang Chen, Yaohwa Chen,
Chee-Ming Tsai, and Shian-Shing Shyu.
Załącznik 1.: Fragment pliku źródłowego programu sterującego pracą przetwornicy
reprezentujący algorytm sterowania hybrydowego.
if (KontrolaKonfiguracjiUkladuL1 == SC) //Short calibration - 6
{
if (krok==1)
{
ufv_zad=0;
if (UFV <3.5)
{
krok = 2;
}
}
if (krok == 2)
{
ufv_zad=1;
krok = 3;
12
maxP = 0;
i=0;
UFVmax=0;
}
if (krok ==3)
{
p[1] = UFV * IFV;
if (maxP < p[1])
{
maxP = p[1];
UOPT = ufv;
IOPT = IFV;
}
i++;
if (i>80000)
{
krok=4;
ufv_zad=UOPT;
}
}
if (krok ==4)
{
if (fabs(ufv-ufv_zad)<0.2)
{
wymu=ufv-ufv_zad;
i=0;
KontrolaKonfiguracjiUkladuL1 = PO;
}
}
// PO - 5
}
if (KontrolaKonfiguracjiUkladuL1 == PO) //PO
{
if( i == 0)
{
p[1] = UFV * IFV;
ufv_zad = ufv_zad + deltaU;
}
if( i == 1000)
{
p[2] = UFV * IFV;
if ( p[2] < p[1] )
{
deltaU = - deltaU;
}
i=-1;
}
if (fabs(IFV - IOPT)> 4.8*IOPT)
{
krok =1;
KontrolaKonfiguracjiUkladuL1 = SC;
}
i++;
}
13