Entwicklung eines Leistungselektronik-Steuerungssystems zur Lokalisierung und Verfolgung des maximalen Leistungspunktes eines Photovoltaik-(PV)-Arrays und zur effizienten Übergabe von Leistung von den Solarzellen an die Last unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen.
Entwicklung eines Echtzeit-Mess- und Kontrollsystems für Solarzellen, um sicherzustellen, dass die maximale Leistungsausgabe unter einer Vielzahl von Umgebungsbedingungen erreicht wird.
Solarzellen haben einen Optimierungspunkt, den sogenannten Maximum Power Point, an dem die Leistungsübergabe von der Zelle zur Last optimal ist. Dieser maximale Leistungspunkt variiert mit den Umgebungsbedingungen wie der Temperatur und der Menge der Sonneneinstrahlung. Bei fester Ausgangsspannung des Solargenerators kann die maximale Leistungsausgabe nicht kontinuierlich erzeugt werden. Wir verwenden MPPT-Algorithmen (Maximum Power Point Tracking), um die Gesamteffizienz der Stromerzeugung zu erhöhen, indem wir den maximalen Leistungspunkt kontinuierlich lokalisieren und verfolgen, indem wir den Spannungsausgang des Arrays mit einem DC-DC-Wandler anpassen. MPPT-Techniken reduzieren die Kosten des PV-Array-Systems, indem die Anzahl der Sonnenkollektoren reduziert wird, die erforderlich sind, um eine bestimmte Ausgangsleistung zu erhalten.
Um das Reglerdesign von Solarzellen-MPPT zu verbessern, haben wir ein MPPT-System entwickelt, das eine quadratische Gleichung an die Leistungs-Spannungs-Kurve der Zelle anpasst und den Höchstwert der quadratischen Funktion berechnet, um den Punkt der maximalen Leistung zu lokalisieren. Das System muss Hochgeschwindigkeits-Pulsweitenmodulations-(PWM)-Signale erzeugen, um den Spannungswandler zu steuern und eine Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung bereitzustellen. Darüber hinaus wollten wir ein tragbares, eingebettetes Maximum-Power-Point-Berechnungssystem entwickeln, das für zukünftige Anwendungen ausgeliefert werden kann.
Wir haben NI CompactRIO mit dem NI LabVIEW FPGA Module verwendet, um ein stabiles, effizientes und integriertes System zu entwickeln. Um den Stromverbrauch zu minimieren, enthält das CompactRIO-System auch einen Netzschaltmodul, der von einem Einschalttimer gesteuert wird. Wir haben analoge Messungen und tatsächliche Testergebnisse verwendet, um die Machbarkeit des Systems zur Entwicklung eines MPPT-Controllers zu validieren.
Wir haben ein Solarenergie-MPPT-Gerät mit der Software LabVIEW für die Entwicklung von Benutzeroberflächen und zur Generierung neuer Algorithmen entwickelt. Wir haben das LabVIEW FPGA Module verwendet, um Hochgeschwindigkeitssignale zu erfassen und sie per DMA-Datenübergabe an den Prozessor zu übertragen. Wir haben auch das LabVIEW Real-Time Module verwendet, um den Prozessor so zu programmieren, dass die MPPT-Algorithmen ausgeführt werden, und das CompactRIO-Embedded-System, um die langsameren Werte für Strom (I) und Spannung (V) der Solarzellen zu erhalten und die Daten an den Echtzeitprozessor zu übertragen für Berechnungen. Dann erzeugt der FPGA die gewünschten PWM-Tastverhältnissignale für die Abwärtswandlerschaltung, um eine Ausgangsspannung am Punkt maximaler Leistung zu erzeugen. Darüber hinaus können wir mit diesem System MPPT-Berechnungen in Echtzeit für andere Lasten wie die Batteriestromversorgung und den Motor durchführen.
Eine 25-W-Solarzelle und der Abwärtswandler liefern elektrische Energie, die wir in den aufladbaren 6-V-, 10-AH-Bleibatteriezellen und dem belasteten Motor speichern, wie im Systemarchitekturdiagramm in Abbildung 2 dargestellt. Im belasteten Motor haben wir die PWM-Schaltsignale des digitalen Hochgeschwindigkeits-Ausgangsmoduls der C-Serie NI 9474 für die Spannungsskalierung des Umrichtereingangs und -ausgangs verwendet. Nachdem wir die Solarzellen-Ausgangsleistung mit dem Modul der C-Serie NI 9221 gemessen und die Daten mit dem rekonfigurierbaren Embedded-Chassis NI cRIO-9101 mit vier Steckplätzen und 1M Gate erfasst hatten, berechnete der eingebettete Echtzeit-Controller NI cRIO-9002 die Leistungs-Spannungs-Kurve für die MPPT-Berechnung unter Verwendung der erfassten Daten und berechnete das gewünschte PWM-Befehlssignal, um die maximale Solarzellenausgangsleistung zu erhalten.
Wie in Abbildung 3 gezeigt, beinhaltet der Algorithmus die Berechnung des maximalen Leistungspunkts unter Verwendung einer quadratischen Gleichung. Wir haben die charakteristische Spannungs-Strom-Kurve der Zelle abgebildet, um zu überprüfen, ob das aus der MPPT-Berechnung erhaltene Tastverhältnis der Punkt der maximalen Leistung bei der Sonneneinstrahlung ist. Dann führten wir MPPT durch und verglichen die beiden Arbeitszyklen, um die Leistungsdifferenz für die MPPT-Effizienz zu identifizieren. Mit diesem System haben wir die tatsächliche MPPT-Leistung einschließlich des Ladevorgangs verstanden.
Im Vergleich zu anderen Hardwareplattformen war die Entwicklung mit CompactRIO viel zeiteffizienter. Das entwickelte System ist mit anderen Systemen vergleichbar, die in der VHDL-Hardwarebeschreibungssprache VHSIC (Very High-Speed Integrated Circuit) erstellt wurden, aber die LabVIEW FPGA-Tools vereinfachen viele komplizierte Arbeitsschritte. Wir haben die interne 40-MHz-Betriebsfrequenz verwendet, um die 20-kHz-PWM-Ausgangssignale und die Spannungs-/Strommessung bereitzustellen, die für die MPPT-Berechnung erforderlich sind. Darüber hinaus haben wir Funktionen wie Anzeige und Aufzeichnung zur Benutzerreferenz synchronisiert, während der eingebettete Echtzeitcontroller cRIO-9002 Echtzeitberechnungen ermöglicht und die Stabilität des MPPT-Systembetriebs weiter verbessert.
Nachdem wir unsere Anwendung abgeschlossen hatten, wurden wir weiterhin von NI-Applikationsingenieuren betreut. Wir kamen mit unseren Wartungs- und technischen Problemen auf sie zu, und die jährlichen Foren und der kostenlose Unterricht waren hilfreich. Mit NI-Produkten und -Unterstützung haben wir unser MPPT-System zur Echtzeit-Solarzellenberechnung erfolgreich entwickelt, um sicherzustellen, dass die maximale Leistungsausgabe in variablen Umgebungen erreicht wird. Diese MPPT-Berechnungsmethode können wir in Zukunft für die Leistungsnachführung in anderen Solarstromerzeugungssystemen anwenden.
Ru-Min Chao
Electromechanical Research Institute, National Cheng Kung University