Entwurf eines MPPT-Controllers für Solarenergieanwendungen mit NI CompactRIO

"Selbst nachdem wir die Entwicklung unserer Anwendung abgeschlossen hatten, wurden wir weiterhin von NI-Applikationsingenieuren betreut. Wir legten ihnen unsere Wartungs- und technischen Probleme vor, und auch die jährlichen Foren und kostenlosen Hilfestellungen waren sehr nützlich."

- Ru-Min Chao, Electromechanical Research Institute, National Cheng Kung University

Die Aufgabe:

Entwicklung eines Steuerungssystems für die Leistungselektronik, mit dem der Maximum Power Point (MPP, Punkt maximaler Leistung) einer PV-Anlage (PV, Photovoltaik) ermittelt und verfolgt und Strom unter verschiedenen Umweltbedingungen effizient von den Solarzellen an die Last übertragen werden kann

Die Lösung:

Entwicklung eines Echtzeitmess- und -regelsystems für Solarzellen, anhand dessen sichergestellt werden soll, dass die maximale Leistungsabgabe unter verschiedenen Umweltbedingungen erreicht wird


Solarzellen haben einen optimalen Arbeitspunkt, den Punkt maximaler Leistung (Maximum Power Point). An diesem Punkt ist die Leistung, die von der Zelle an die Last übertragen wird, optimal. Er schwankt in Abhängigkeit von Umweltbedingungen wie Temperatur und Bestrahlungsstärke. Wenn die Ausgangsspannung einer Solaranlage einen festen Wert hat, kann die maximale Ausgangsleistung nicht kontinuierlich erzeugt werden. Wir nutzen Algorithmen für das MPP-Tracking (Maximum Power Point Tracking, MPPT), um die Gesamteffizienz der Stromerzeugung zu steigern. Dazu wird der MPP laufend ermittelt und verfolgt, indem die Spannungsabgabe der Anlage mit einem DC-zu-DC-Wandler angepasst wird. MPPT-Verfahren verringern die Systemkosten einer PV-Anlage, da sie die Anzahl der Solarmodule verringern, die notwendig sind, um eine bestimmte Abgabeleistung zu erzielen.

 

Um den Steuer- und Regelentwurf des MPPT von Solarzellen zu verbessern, entwickelten wir ein MPPT-System, das eine quadratische Gleichung an die Strom-Spannungs-Kurve der Zelle anpasst und den Maximalwert der quadratischen Gleichung berechnet, um den Punkt maximaler Leistung zu ermitteln. Das System muss pulsweitenmodulierte Hochgeschwindigkeitssignale erzeugen, um den Spannungswandler zu steuern und eine Hochgeschwindigkeitsdatenerfassung zu ermöglichen. Des Weiteren war vorgesehen, ein mobiles, eingebettetes Berechnungssystem für den MPP zu entwickeln, das im Lieferumfang zukünftiger Anwendungen enthalten sein soll.

 

Wir setzten NI CompactRIO zusammen mit dem NI LabVIEW FPGA Module ein, um damit ein stabiles, effizientes und integriertes System zu entwickeln. Damit der Stromverbrauch gering bleibt, enthält das CompactRIO-System auch einen Netzschalter, der über einen Einschalt-Timer gesteuert wird. Mithilfe von Analogmessungen und realen Testergebnissen bewerteten wir, ob es mit dem System möglich ist, einen MPPT-Controller zu entwickeln.

 

 

Anwendung

Wir entwickelten ein MPPT-Gerät für Solarenergie, für das wir mit der Software NI LabVIEW die Benutzeroberfläche entwickelten und neue Algorithmen erzeugten. Mit dem LabVIEW FPGA Module erfassten wir Hochgeschwindigkeitssignale und übertrugen sie mittels DMA-Datentransfer an den Prozessor. Mithilfe des LabVIEW Real-Time Module programmierten wir den Echtzeitprozessor, so dass er die MPPT-Algorithmen ausführt. Ferner wurde das CompactRIO-Embedded-System so programmiert, dass die langsameren Solarzellenstrom(I)- und -spannungswerte (V) ermittelt und die Daten für weitere Berechnungen an den Echtzeitprozessor übertragen werden. Wenn diese Schritte erfolgt sind, erzeugt der FPGA die gewünschten pulsweitenmodulierten Signale des Arbeitszyklus für den Schaltkreis des Abwärtswandlers, um eine Ausgangsspannung am MPP zu erzeugen. Darüber hinaus können wir Echtzeit-MPPT-Berechnungen für andere Lasten wie beispielsweise Batteriestromversorgung und Motor mit diesem System ausführen.

 

Systemarchitektur

Eine 25-W-Solarzelle und der Abwärtswandler liefern elektrische Energie, die in den aufladbaren Bleibatteriezellen (6 V, 10 Ah) und im belasteten Motor gespeichert wird (siehe Diagramm der Systemarchitektur in Abbildung 2). Am belasteten Motor verwendeten wir die pulsweitenmodulierten Schaltsignale, die vom stromliefernden Hochgeschwindigkeits-Digitalausgangsmodul NI 9474 der C-Serie für die Spannungsskalierung des Wandlerein- und -ausgangs bereitgestellt werden. Nachdem wir die Abgabeleistung der Solarzelle mithilfe des Moduls NI 9221 der C-Serie gemessen und die Daten mit dem rekonfigurierbaren Embedded-Chassis NI cRIO-9101 mit vier Steckplätzen und einem FPGA mit 1 Mio. Gattern erfasst hatten, berechnete der Embedded-Echtzeit-Controller NI cRIO-9002 den Strom-Spannungsverlauf für die MPP-Tracking-Berechnung anhand der erfassten Daten und verarbeitet das gewünschte pulsweitenmodulierte Befehlssignal, um die maximale Abgabeleistung der Solarzelle zu ermitteln.

 

 

Wie in Abbildung 3 zu sehen, gehört die Berechnung des Punkts maximaler Leistung mithilfe einer quadratischen Gleichung zum Algorithmus. Wir bildeten die Strom-Spannungs-Kennlinie der Zelle ab, um zu prüfen, ob der Arbeitspunkt aus der MPPT-Berechnung dem Punkt maximaler Leistung bei entsprechender Bestrahlungsstärke entspricht. Anschließend führten wir das MPPT durch und verglichen die zwei Arbeitspunkte, wodurch wir den Leistungsunterschied für die MPPT-Effizienz erhielten. Durch Verwendung dieses Systems war es uns möglich, die eigentliche MPPT-Leistung samt dem Ladeprozess exakt zu analysieren und zu verstehen.

 

Erfolgreich mit NI-Produkten und -Support

Im Vergleich zu anderen Hardwareplattformen gestaltete sich die Entwicklung mit NI CompactRIO wesentlich zeiteffizienter. Das entwickelte System lässt sich mit anderen Systemen vergleichen, die mit der Hardwarebeschreibungssprache VHSIC Hardware Description Language (Very High-Speed Integrated Circuit, VHDL) erstellt werden. Die Werkzeuge des LabVIEW FPGA Module erleichtern jedoch viele komplizierte Schritte. Wir nutzten die interne Betriebsfrequenz von 40 MHz, um die pulsweitenmodulierten Ausgangssignale mit 20 kHz und Strom-/Spannungsmessungen für die Berechnung des MPP-Tracking bereitzustellen. Des Weiteren synchronisierten wir Funktionen wie Anzeige und Aufzeichnung als Anwenderreferenz, während der Embedded-Echtzeit-Controller NI cRIO-9002 die Echtzeitberechnung übernahm und die Stabilität des MPP-Tracking-Systems weiter stärkte.

 

Selbst nachdem wir die Entwicklung unserer Anwendung abgeschlossen hatten, wurden wir weiterhin von NI-Applikationsingenieuren betreut. Wir traten mit unseren Wartungs- und technischen Problemen an sie heran, und auch die jährlichen Foren und kostenlosen Hilfestellungen waren sehr nützlich. Mit den Produkten und der Beratung von NI waren wir in der Lage, ein MPPT-System für die Echtzeitberechnung von Solarzellen zu entwickeln, mit dem sichergestellt wird, dass in unterschiedlichen Umgebungen jeweils die maximale Stromausgabe erreicht wird. Wir können diese MPPT-Berechnungsmethode zukünftig auf das Leistungsnachführen bei anderen Systemen für die Solarstromerzeugung übertragen.

 

 

Informationen zum Autor:

Ru-Min Chao
Electromechanical Research Institute, National Cheng Kung University

Abbildung1. The maximum power (PMAX) of a solar cell occurs when the product of voltage (V) and current (I) reaches its peak.
Abbildung 2. Hardware System Architecture Diagram
Abbildung 3. MPPT Process Flow
Abbildung 4. Charge Test Process Flow
Abbildung 5. Diagram showing how high speed data is transferred from the CompactRIO FPGA to the real-time processor
Abbildung 6. Voltage and current waveforms for the solar cell and battery
Abbildung 7. Solar cell power versus voltage (PV) curve based on experimental measurements under different lighting conditions