Usulan desain untuk mengoptimalkan sistem energi matahari

Pendekatan yang lebih baru untuk mengoptimalkan efisiensi dan keandalan sistem surya adalah penggunaan mikro-inverter yang terhubung ke setiap panel surya.
Dilengkapi dengan mikro-inverter terpisah untuk setiap panel surya, sistem dapat beradaptasi dengan perubahan beban dan kondisi cuaca, memberikan efisiensi konversi optimal untuk satu panel dan seluruh sistem.
  
   
Arsitektur micro-inverter juga menyederhanakan pemasangan kabel, yang berarti biaya instalasi lebih rendah.
  
   
Dengan membuat sistem pembangkit listrik tenaga surya lebih efisien, waktu yang dibutuhkan sistem untuk "menarik kembali" investasi awal dalam teknologi surya akan berkurang.
  
Inverter daya adalah komponen elektronik utama dari sistem tenaga surya. Dalam aplikasi komersial, komponen ini menghubungkan panel fotovoltaik (PV), baterai yang menyimpan energi listrik, dan sistem distribusi daya lokal atau jaringan utilitas.
Gambar 1 menunjukkan inverter surya khas yang mengubah tegangan DC sangat rendah dari output array PV menjadi beberapa tegangan, seperti tegangan baterai DC, tegangan AC, dan tegangan jaringan distribusi.
  
   
Dalam sistem pemanen energi surya yang khas, beberapa panel surya terhubung secara paralel ke inverter yang mengubah output DC variabel dari sel fotovoltaik menjadi inverter gelombang sinus 50 Hz atau 60 Hz.
  
   
  
  
Selain itu, perlu dicatat bahwa mikrokontroler (MCU) modul TMS320C2000 atau MSP430 pada Gambar 1 biasanya berisi kunci pada chip peripheral seperti modul modulasi lebar pulsa (PWM) dan A / D konverter.
  
  
  
   
Gambar 1: Arsitektur konversi daya tradisional terdiri dari inverter surya yang menerima tegangan output DC rendah dari array PV dan menghasilkan tegangan saluran AC.
  
Tujuan utama dari desain ini adalah untuk memaksimalkan efisiensi konversi.
Ini adalah proses kompleks dan berulang yang melibatkan Algoritme Pelacakan Titik Daya Maksimum (MPPT) dan pengontrol real-time yang menjalankan algoritma terkait.
  
   
1 Maksimalkan efisiensi konversi daya
  
Inverter yang tidak menggunakan algoritma MPPT hanya menghubungkan modul PV langsung ke baterai, memaksa modul PV untuk beroperasi pada tegangan baterai.
  
  
Hampir tanpa kecuali, tegangan baterai bukanlah nilai ideal untuk mengumpulkan energi matahari yang paling tersedia.
  
  
  
Gambar 2 mengilustrasikan karakteristik tipikal arus / tegangan dari modul PV 75W pada temperatur 25 ° C.
Garis putus-putus menunjukkan rasio tegangan (PV VOLTS) untuk daya (PV WATTS).
  
Garis tebal menunjukkan rasio tegangan terhadap arus (PV AMPS). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, pada 12V, daya output kira-kira 53W.
Dengan kata lain, dengan memaksa modul fotovoltaik beroperasi pada 12V, daya output dibatasi hingga sekitar 53W.
  
Tetapi dengan algoritma MPPT, situasinya telah berubah secara radikal. Dalam contoh ini, tegangan di mana modul dapat mencapai daya output maksimum adalah 17V.
Oleh karena itu, pekerjaan algoritma MPPT adalah untuk mengoperasikan modul pada 17V, sehingga semua 75W daya dapat diperoleh dari modul terlepas dari tegangan baterai.
  
Konverter daya DC / DC efisiensi tinggi mengubah tegangan 17V pada input pengontrol ke tegangan baterai pada output.
Karena konverter DC / DC mengurangi tegangan dari 17V ke 12V, dalam hal ini, arus pengisian baterai dalam sistem yang mendukung fungsi MPPT adalah:
  
   
(VMODULE / VBATTERY) × IMODULE, atau (17V / 12V) × 4.45A = 6.30A.
  
   
Dengan asumsi bahwa efisiensi konversi dari DC / DC converter adalah 100%, arus pengisian akan meningkat sebesar 1.85A (atau 42%).
  
Meskipun contoh ini mengasumsikan bahwa inverter memproses energi dari panel surya tunggal, sistem konvensional biasanya memiliki satu inverter yang terhubung ke beberapa panel.
Topologi ini memiliki kelebihan dan kekurangan tergantung pada aplikasinya.
  
   
2 algoritma MPPT
  
Ada tiga jenis utama dari algoritma MPPT: pengamatan gangguan, peningkatan konduktansi, dan tegangan konstan.
Dua metode pertama sering disebut sebagai 'pendakian' karena didasarkan pada fakta-fakta berikut:
  
   
Di sisi kiri MPP, kurva sedang naik (dP / dV) 0), sementara di sisi kanan MPP, kurva menurun (dP / dV “0”).
  
Metode Gangguan-Pengamatan (P & O) adalah metode yang paling umum digunakan. Algoritma ini mengganggu tegangan operasi dalam arah tertentu dan sampel dP / dV. Jika dP / dV bernilai positif, algoritme 'mengerti' bahwa itu hanya menyesuaikan tegangan ke arah MPP.
Maka akan selalu menyesuaikan tegangan ke arah ini sampai dP / dV menjadi negatif.
  
Algoritme P & O mudah diterapkan, tetapi dalam operasi steady-state terkadang berosilasi di sekitar MPP.
Dan kecepatan respons mereka lambat, dan bahkan dalam kondisi cuaca yang berubah dengan cepat adalah mungkin untuk membalik arah.
  
Metode Conductance Increment (INC) menggunakan kenaikan konduktansi dI / dV dari array PV untuk menghitung positif dan negatif dP / dV. INC dapat melacak dengan cepat mengubah eksposur cahaya lebih akurat daripada P & O. Tetapi seperti P * O, ia juga bisa terombang-ambing dan menjadi 'tertipu' oleh kondisi atmosfer yang berubah dengan cepat.
Kerugian lain adalah bahwa kerumitan tambahan meningkatkan waktu komputasi dan mengurangi frekuensi sampling.
  
Metode ketiga, "Constant Voltage Method", didasarkan pada fakta-fakta berikut: Secara umum, VMPP / VOC0.76. Masalah dengan metode ini adalah bahwa hal itu membutuhkan instan menyesuaikan arus dari array PV ke nol untuk mengukur tegangan rangkaian terbuka dari array. Kemudian, tegangan operasi dari array diatur menjadi 76% dari nilai yang terukur. Namun, selama pemutusan array, energi yang tersedia terbuang sia-sia.
Juga telah ditemukan bahwa meskipun 76% dari tegangan rangkaian terbuka adalah pendekatan yang baik, itu tidak selalu konsisten dengan MPP.
  
Karena tidak ada algoritma MPPT yang berhasil memenuhi semua persyaratan penggunaan umum, banyak insinyur desain akan membiarkan sistem terlebih dahulu mengevaluasi kondisi lingkungan dan kemudian memilih algoritma yang paling sesuai dengan kondisi lingkungan saat ini.
Bahkan, ada banyak algoritma MPPT yang tersedia, dan itu tidak biasa bagi produsen panel surya untuk menyediakan algoritma mereka sendiri.
  
   
Untuk pengendali murah, selain fungsi kontrol normal dari MCU, mengeksekusi algoritma MPPT bukanlah tugas yang mudah. Algoritma ini membutuhkan pengendali ini untuk memiliki kekuatan komputasi yang unggul.
  
   
Mikrokontroler real-time 32-bit canggih seperti keluarga platform Texas Instruments C2000 cocok untuk berbagai aplikasi matahari.
  
   
3 daya inverter
  
Ada banyak manfaat menggunakan inverter tunggal, yang paling menonjol di antaranya adalah kesederhanaan dan biaya rendah. Efisiensi sistem inverter tunggal ditingkatkan dengan algoritma MPPT dan teknik lainnya, tetapi hanya sampai batas tertentu. Kerugian dari topologi inverter tunggal dapat bervariasi tergantung pada aplikasi.
Yang paling menonjol adalah masalah keandalan: selama inverter gagal, energi yang dihasilkan oleh semua panel terbuang sebelum inverter diperbaiki atau diganti.
  
Bahkan jika inverter berfungsi dengan baik, topologi inverter tunggal dapat berdampak negatif pada efisiensi sistem. Dalam banyak kasus, setiap panel surya memiliki persyaratan kontrol yang berbeda untuk efisiensi maksimum.
Faktor-faktor yang menentukan efisiensi setiap panel adalah: perbedaan dalam pembuatan modul fotovoltaik yang terdapat di panel, suhu ambien yang berbeda, bayangan, dan azimut dari intensitas cahaya yang berbeda (menerima energi matahari).
  
Dibandingkan dengan penggunaan inverter di seluruh sistem, penyediaan inverter mikro untuk setiap panel surya dalam sistem akan meningkatkan lagi efisiensi konversi seluruh sistem.
Manfaat utama dari topologi micro-inverter adalah bahwa bahkan jika salah satu inverter gagal, konversi energi masih dapat terjadi.
  
Manfaat lain menggunakan mikro-inverter termasuk kemampuan untuk menyesuaikan parameter konversi masing-masing panel surya menggunakan PWM resolusi tinggi. Karena awan, bayangan, dan shadys mengubah output dari setiap panel, menyediakan setiap panel dengan micro-inverter yang unik memungkinkan sistem untuk beradaptasi dengan perubahan kondisi beban.
Ini memberikan efisiensi konversi terbaik untuk setiap panel dan seluruh sistem.
  
Arsitektur micro-inverter mengharuskan setiap panel untuk memiliki MCU khusus untuk mengelola konversi energi.
Namun, MCU tambahan ini juga dapat digunakan untuk meningkatkan sistem dan pemantauan panel.
  
Sebagai contoh, tambak surya besar mendapat manfaat dari komunikasi antar-panel untuk membantu menjaga keseimbangan beban dan memungkinkan administrator sistem untuk merencanakan terlebih dahulu berapa banyak energi yang tersedia dan apa yang harus dilakukan dengan energi itu.
Namun, untuk memanfaatkan sepenuhnya manfaat dari pemantauan sistem, MCU harus mengintegrasikan perangkat komunikasi on-chip (BISA, SPI, UART, dll.) Untuk menyederhanakan interfacing dengan inverter mikro lainnya dalam susunan surya.
  
Dalam banyak aplikasi, penggunaan topologi mikro-inverter dapat secara signifikan meningkatkan efisiensi sistem secara keseluruhan. Di tingkat panel, efisiensi diharapkan meningkat 30%.
Namun, karena variasi yang luas dalam aplikasi, persentase "rata-rata" dari peningkatan tingkat sistem tidak masuk akal.
  
   
Analisis Aplikasi Ketika memperkirakan nilai dari konverter frekuensi mikro dalam aplikasi tertentu, topologi harus dipertimbangkan dalam beberapa cara.
  
Dalam aplikasi kecil, panel dapat menghadapi kondisi pencahayaan, suhu, dan bayangan yang sama.
Oleh karena itu, mikro-inverters memiliki peran yang terbatas dalam meningkatkan efisiensi.
  
Untuk mengoperasikan panel pada tegangan yang berbeda untuk efisiensi energi maksimum, diperlukan konverter DC / DC untuk menyatukan tegangan output setiap panel ke tegangan operasi dari baterai penyimpanan energi. Untuk meminimalkan biaya produksi, konverter DC / DC dan inverter dapat dirancang sebagai modul tunggal.
Konverter DC / AC untuk saluran listrik lokal atau ke jaringan distribusi juga dapat diintegrasikan ke dalam modul.
  
Panel surya harus berkomunikasi satu sama lain, yang menambah kabel dan kompleksitas.
Ini adalah masalah lain untuk menyertakan inverter, konverter DC / DC dan panel surya dalam modul.
  
   
MCU dari setiap inverter harus tetap memiliki kapasitas yang cukup untuk menjalankan beberapa algoritma MPPT agar sesuai dengan lingkungan operasi yang berbeda.
  
   
Menggunakan banyak MCU akan meningkatkan biaya bahan dari keseluruhan sistem.
  
Setiap kali Anda mempertimbangkan untuk mengubah arsitektur, Anda akan memperhatikan biayanya.
Untuk memenuhi target harga sistem, memiliki satu controller per panel berarti bahwa biaya controller harus kompetitif dan kecil, tetapi tetap menangani semua kontrol, komunikasi, dan tugas-tugas komputasi secara bersamaan.
  
Mengintegrasikan periferal kontrol kanan pada chip dan integrasi analog yang tinggi adalah dua elemen mendasar untuk memastikan biaya sistem yang rendah.
Kinerja tinggi juga diperlukan untuk mengimplementasikan algoritma yang dikembangkan untuk efisiensi dalam mengoptimalkan konversi, pemantauan sistem, dan penyimpanan energi.
  
Selain memenuhi persyaratan dari micro-inverter itu sendiri, itu juga dapat menangani MCU yang memerlukan sebagian besar dari seluruh sistem, termasuk AC / DC konversi, DC / DC konversi, dan komunikasi antar-panel, mengurangi biaya menggunakan beberapa MCU .
meningkat.
  
   
4 Fitur MCU
  
Penimbangan yang hati-hati dari persyaratan tingkat tinggi ini adalah cara terbaik untuk menentukan fitur apa yang dibutuhkan oleh MCU. Sebagai contoh, load balancing control diperlukan ketika paralel panel. MCU yang dipilih harus dapat mendeteksi arus beban dan dapat menaikkan atau menurunkan tegangan output dengan memutar output MOSFET on / off.
Ini membutuhkan ADC kecepatan tinggi untuk sampel tegangan dan arus.
  
Desain micro-inverter tidak memiliki mode 'tidak berubah'. Ini berarti bahwa desainer harus mampu dan inovatif untuk mengadopsi teknik dan teknologi baru, terutama dalam komunikasi antara panel dan sistem. MCU yang paling tepat harus mendukung berbagai protokol, termasuk beberapa yang biasanya tidak dianggap seperti Power Line Communications (PLC) dan Controller Area Network (CAN). Secara khusus, komunikasi saluran listrik dapat mengurangi biaya sistem karena tidak ada jalur komunikasi khusus yang diperlukan.
Tetapi ini membutuhkan MCU untuk memiliki PWM berperforma tinggi, ADC berkecepatan tinggi, dan CPU berkinerja tinggi.
  
Fitur yang tak terduga tetapi berharga untuk MCU yang dirancang untuk aplikasi inverter surya adalah osilator on-chip ganda, yang dapat digunakan untuk deteksi kegagalan jam untuk meningkatkan keandalan.
Kemampuan menjalankan dua jam sistem secara bersamaan juga membantu mengurangi masalah dengan pemasangan panel surya.
  
Karena banyak inovasi dalam desain inverter mikro-surya, mungkin fitur yang paling penting untuk MCU adalah pemrograman perangkat lunak.
Fitur ini memberi Anda fleksibilitas tertinggi dalam desain dan kontrol sirkuit daya.
  
Mikrokontroler C2000 dilengkapi dengan inti pemrosesan digital lanjutan yang secara efisien memproses operasi algoritmik dan perangkat di-chip untuk kontrol konversi energi, dan secara luas digunakan dalam topologi inverter panel surya tradisional. Keluarga baru Piccolo seri C2000 mikrokontroler ekonomis. Paket terkecil dalam keluarga ini hanya 38 pin, tetapi arsitekturnya lebih canggih dan periferal ditingkatkan, membawa manfaat dari 32-bit kontrol waktu nyata ke persyaratan rendah.
Aplikasi seperti mikro-inverters untuk keseluruhan biaya sistem.
  
Selain itu, keluarga Piccolo MCU mengintegrasikan dua osilator 10MHz on-chip untuk perbandingan clock, VREG on-chip dengan power-on reset dan perlindungan power-down, beberapa resolusi tinggi 150ps PWM, dan 12-bit 4.6
  
  
Megasample / detik ADC dan antarmuka protokol komunikasi seperti I2C (PMBus), BISA, SPI, dan UART.
  
  
  
   
Gambar 3: Sistem MCU untuk sistem berbasis PV mikro inverter terdiri dari CPU, memori, daya dan jam, periferal.
  
Kinerja adalah fitur kunci dari mikro-inverters. Meskipun perangkat keluarga Piccolo lebih kecil dan lebih murah daripada C2000 MCU lainnya, fungsinya telah meningkat, seperti akselerator kontrol hukum titik apung yang dapat diprogram (CLA), yang menangani algoritma kontrol berkecepatan tinggi yang rumit untuk CPU.
Ini menghilangkan kebutuhan CPU untuk menangani I / O dan loop umpan balik, dan dapat meningkatkan kinerja dengan faktor 5 dalam aplikasi loop tertutup.
  
   
5 Tuntutan baterai fotovoltaik
  
Salah satu kelemahan sistem pembangkit tenaga surya adalah efisiensi konversi. Panel surya dapat menggambarkan rata-rata sekitar 1 mW dari setiap 100 mm2 sel fotovoltaik. Efisiensi tipikal adalah sekitar 10%.
Faktor daya dari sumber daya fotovoltaik (yaitu, rasio energi listrik rata-rata sebenarnya dihasilkan oleh sel surya untuk energi listrik yang dihasilkan secara teoritis di bawah kondisi bahwa sinar matahari selalu diterangi) adalah sekitar 15% hingga 20%.
  
   
Ada sejumlah alasan untuk ini, termasuk perubahan pada matahari itu sendiri, seperti menghilangnya secara penuh pada malam hari, dan bahkan pada siang hari, bayangan dan kondisi cuaca sering menghasilkan cahaya yang berkurang.
  
Konversi fotolistrik memperkenalkan lebih banyak variabel ke dalam perhitungan efisiensi, termasuk suhu panel surya dan efisiensi puncak teoretisnya. Masalah lain untuk insinyur desain adalah bahwa tegangan yang dihasilkan oleh sel fotovoltaik bervariasi sekitar 0,5 V tidak teratur. Perubahan ini dapat berdampak serius ketika memilih topologi konversi energi.
Misalnya, untuk teknologi konversi energi yang tidak efisien, adalah mungkin untuk mengkonsumsi sebagian besar energi fotovoltaik yang dikumpulkan.
  
Untuk mengakomodasi fakta bahwa matahari tidak menyala 24 jam sehari, sistem tenaga surya perlu mengandung baterai dan elektronik yang rumit yang diperlukan untuk mengisi daya baterai secara efisien.
Ketika baterai diintegrasikan ke dalam sistem, pengisian baterai memerlukan sirkuit konversi DC / DC tambahan sementara juga membutuhkan manajemen baterai dan pemantauan.
  
Banyak sistem tenaga surya juga berinteraksi dengan grid, membutuhkan sinkronisasi fase dan koreksi faktor daya. Ada juga banyak lingkungan yang membutuhkan kontrol yang rumit. Misalnya, mekanisme peringatan gangguan harus dibangun untuk mencegah kejadian seperti pemadaman listrik di jaringan publik. Ini hanyalah hal-hal utama yang harus dipertimbangkan oleh para insinyur desain.