Zasnova krmilnika sledenja točke maksimalne moči s krmilnikom NI CompactRio

Avtorji: Ru-Min Chao - Inštitut za elektromehanske raziskave, mednarodna univerza Cheng Kung

Panoga: Energija/moč

Izdelki: Starejše naprave, modul za delovanje v realnem času, LabVIEW, cRIO-9101, cRIO-9002, modul FPGA

Izziv: Prepoznavanje točke učinkovitosti, ki zagotavlja maksimalno moč sončnih celic v različnih okoljskih pogojih.

Rešitev: Razvoj sistema za izračun sončnih celic v realnem času, ki zagotavlja doseganje maksimalne moči v različnih okoljskih pogojih.

"Ko smo aplikacijo končali, smo še naprej prejemali storitve aplikacijskih inženirjev NI. Nanje smo se obrnili s težavami glede vzdrževanja in tehničnimi težavami, uporabni pa so bili tudi vsakoletni forumi in brezplačno poučevanje."

Sončne celice imajo točko optimizacije, kjer lahko dosežemo največjo izhodno moč, najučinkovitejša delovna točka pa se običajno spreminja z okoljem. Pri fiksni izhodni napetosti sončnih celic v spreminjajočem se okolju je težko neprekinjeno proizvajati maksimalno izhodno moč. Zaradi tega lahko skupno učinkovitost proizvodnje energije povečamo s sledenjem točki maksimalne moči (MPPT) v obstoječih tehnologijah za sončne celice.

Želeli smo izboljšati zasnovo regulacije MPPT za sončne celice in razviti sistem MPPT za kvadratno mejno vrednost z merjenjem moči. Zmožnosti signala s hitro pulznoširinsko modulacijo (PWM) in zajemanja morata podpirati visokofrekvenčne preklopne signale PWM za napetostni pretvornik za sledenje moči. Poleg tega smo želeli razviti prenosni vgnezdeni sistem za izračunavanje, ki bo del prihodnjih aplikacij. Za razvoj stabilnega in učinkovitega integralnega sistema smo uporabili strojno opremo NI CompactRIO s programsko opremo NI LabVIEW FPGA Module. Sistem CompactRIO vključuje tudi vezje za zmanjšanje napetosti in močnostno stikalo za čas vklopa, s katerim lahko krmilimo izhod in dosegamo maksimalno moč. Te naprave so dokazano uporaben sistem za razvoj krmilnika MPPT, saj imajo potrebne analogne lastnosti in so bile uspešno preizkušene.

Slika 1

Aplikacija
Zasnovali smo napravo MPPT za sončne celice z uporabo programske opreme LabVIEW 8.2, s katero smo ustvarili algoritme za razvoj vmesnika, programske opreme LabVIEW FPGA Module za zajem signalov v načinu DMA in programske opreme LabVIEW Real-Time Module za izvajanje MPPT. Uporabili smo tudi vgnezdeno strojno opremo CompactRIO, s katero smo pridobivali podatke o spreminjanju toka in napetosti sončnih celic, enota LabVIEW FPGA Module pa je zajemala podatke skozi module V/I in je pridobljene podatke pošiljala v enoto LabVIEW Real-Time Module za izračune v realnem času. Potem je modul PWM razmerje vklopa aplikacije za točko maksimalne moči prenesel na vezje za zmanjšanje napetosti za proizvodnjo izhodne napetosti v točki maksimalne moči, kar je omogočilo izračune v realnem času za druga bremena, na primer napajanje akumulatorjev in napajalnika motorja.

Arhitektura sistema
Baterija sončnih celic z močjo 25 W in pretvornik za zmanjšanje napetosti dovajata električno energijo, ki se potem shrani v polnilnih svinčenih celicah in je prenesena do glavnih polnilnih kislinskih celic 6 V in 10 Ah ter napolnjenega motorja, kot kaže diagram sistemske arhitekture na sliki 1. Pri napolnjenem motorju smo uporabili stikalne signale PWM iz hitrega digitalnega izhodnega modula NI 9474 C Series, s katerim smo prilagajali napetost na vhodu in izhodu pretvornika. Po merjenju izhodne moči sončnih celic z modulom NI 9221 C Series in zajemanjem podatkov z rekonfigurabilnim vgnezdenim ohišjem NI cRIO-9101 s štirimi razširitvenimi mesti ter milijonom vrat je vgnezdeni realnočasovni krmilnik NI cRIO-9002 izračunal pridobljeno energijo za izračun MPPT in izhodni signal PWM. Potem se signal PWM pretvornika, ki deluje v delovni točki, nastavi na razmerje vklopa, ki je skladno s točko maksimalne moči v krivulji PD za sončno energijo, tako da se izhod pretvornika nastavi na maksimalno izhodno moč sončne celice.

Slika 2: Diagram arhitekture sistema strojne opreme

Kot kaže slika 2, preizkusni tok MPPT sestavlja izračun kvadratne omejitve in beleženje ciljne ter lokalne vrednosti za preverjanje zabeleženih podatkov. Pred vsako analizo MPPT smo preslikali krivuljo karakteristike, da smo preverili, ali je razmerje vklopa sistema, pridobljeno iz MPPT, enako točki maksimalne moči v krivulji karakteristike za sončno osvetlitev. Potem smo opravili analizo MPPT in primerjali razmerji vklopa, da smo prepoznali razliko energije in s tem učinkovitost analize MPPT. Z uporabo sistema smo razumeli dejansko zmogljivost sistema MPPT, ki je prikazana v diagramu pretoka za proces na sliki 3 in je podobna procesu, opisanem v sliki 2, le da smo odpravili korak preverjanja razmerja in dodali postopek polnjenja.

Slika 3

Uspeh z izdelki in podporo NI
Razvoj s platformo CompactRIO je bil časovno bistveno učinkovitejši v primerjavi z drugimi strojnimi platformami. Razviti sistem je primerljiv z drugimi sistemi, ki so ustvarjeni z jezikom za opis strojne opreme VHSIC (VHDL), ali z drugimi orodji LabVIEW FPGA, saj poenostavlja številne zapletene korake. Izbrali smo notranjo delovno frekvenco 40 MHz, s katero smo lahko proizvajali izhodne signale PWM s frekvenco 20 kHz in opravljali meritve napetosti/toka, ki so potrebne za izračun MPPT. Poleg tega smo funkcije za prikaz in beleženje sinhronizirali za preglednost s strani uporabnika, vgnezdeni krmilnik za izvajanje v realnem času cRIO-9002 pa je zagotavljal izračune v realnem času in še bolj okrepil stabilnost delovanja sistema MPPT.

Slika 4

Ko smo aplikacijo končali, smo še naprej prejemali storitve aplikacijskih inženirjev NI. Nanje smo se obrnili s težavami glede vzdrževanja in tehničnimi težavami, uporabni pa so bili tudi vsakoletni forumi in brezplačno poučevanje. Z izdelki in pomočjo družbe NI smo uspešno razvili svoj sistem MPPT za izračun sončnih celic v realnem času, ki zagotavlja doseganje maksimalne izhodne moči v različnih okoljih. Ta način izračuna sistema lahko uporabimo za sledenje moči drugih sončnih sistemov za proizvodnjo energije v prihodnosti.

Kontaktni podatki