MPPT - важная технология управления, используемая в фотоэлектрических системах выработки электроэнергии. Контроллер MPPT непрерывно отслеживает выходное напряжение солнечных панелей в режиме реального времени, отслеживая оптимальные значения напряжения и тока для обеспечения максимальной мощности системы. Эта технология эффективно заряжает батарею, координируя работу солнечных панелей и нагрузки, что делает ее "мозгом" солнечной фотоэлектрической системы. В этом руководстве мы рассмотрим определение, принципы работы и выбор продуктов для MPPT.

 

Что такое MPPT?

Отслеживание точки максимальной мощности (MPPT) - это передовая технология, используемая в фотоэлектрических (ФЭ) системах производства электроэнергии. Она интеллектуально определяет и поддерживает оптимальную точку выхода мощности фотоэлектрических модулей при изменяющихся условиях окружающей среды, таких как изменения интенсивности света и температуры. Эта технология гарантирует, что солнечные панели всегда будут вырабатывать максимально возможную мощность, тем самым повышая эффективность и общую выработку энергии системы.

 

Важность MPPT

На выходную мощность фотоэлектрического модуля влияют такие факторы, как температура, интенсивность освещения и нагрузка. Эти условия вызывают изменения в характеристиках модуля "ток-напряжение" (I-V) и "мощность-напряжение" (P-V).

Как показано на рисунке, выходное напряжение и ток фотоэлектрического модуля соответствуют кривым I-V (оранжевая) и P-V (синяя). Чтобы инвертор выдавал максимальную мощность, напряжение постоянного тока должно работать в красной точке, которая представляет собой точку максимальной мощности Pmax при Vmp. Если он работает при напряжении выше или ниже Vmp, мощность падает ниже Pmax. Поэтому без отслеживания инвертор не может поддерживать оптимальное напряжение и ток, что приводит к потере мощности, хотя общая система остается незатронутой.

Постоянное отслеживание точки максимальной мощности необходимо, поскольку кривая характеристики смещается при изменении интенсивности света, температуры и затенения. Утром точка максимальной мощности может составлять 560 В, в полдень - 520 В, а после обеда - 550 В. Следовательно, MPPT-контроллер должен постоянно регулироваться, чтобы обеспечить постоянную максимальную мощность панелей в течение дня, избегая потерь солнечной энергии.

 

Принцип работы контроллера MPPT

MPPT-контроллер, также известный как контроллер заряда солнечных батарей, использует технологию MPPT для оптимизации выработки электроэнергии в фотоэлектрических системах. Управление MPPT для массивов фотоэлектрических модулей обычно осуществляется с помощью схем DC/DC-преобразователей, как показано на рисунке ниже. Контроллер определяет постоянное напряжение и выходной ток основного контура, рассчитывает выходную мощность солнечной батареи и отслеживает точку максимальной мощности.

В частности, последовательно соединены резистор (R) и МОП-транзистор. В условиях стабильного выходного напряжения средний ток через резистор изменяется путем регулировки рабочего цикла МОП-транзистора, создавая возмущение тока. Это возмущение изменяет выходной ток и напряжение фотоэлемента. Измеряя изменения выходной мощности и напряжения фотоэлемента до и после возмущения, контроллер определяет направление следующего цикла возмущения. Если возмущение увеличивает выходную мощность солнечной батареи, оно продолжается в том же направлении. В противном случае оно меняет направление. Этот итерационный процесс возмущения и наблюдения обеспечивает работу солнечной панели в точке максимальной мощности.

Ключевые технические показатели для контроллера заряда MPPT

• Эффективность отслеживания: Этот показатель измеряет способность алгоритма MPPT следовать за точкой максимальной мощности, обычно выражается в процентах. Это отношение мощности, выдаваемой алгоритмом MPPT, к максимально возможной мощности фотоэлектрической матрицы за определенный период. Более высокая эффективность отслеживания указывает на более эффективный алгоритм MPPT в поддержании оптимальной выходной мощности.
• Скорость отклика: Этот показатель определяет, насколько быстро алгоритм MPPT реагирует на изменения выходной мощности фотоэлектрической матрицы. Более высокая скорость реакции позволяет алгоритму быстро настраиваться на точку максимальной мощности, минимизируя потери мощности. Скорость реакции обычно измеряется в миллисекундах.
• Стабильность: Этот показатель - способность алгоритма MPPT стабильно отслеживать точку максимальной мощности в изменяющихся условиях. Такие факторы, как солнечная радиация, температура и нагрузка, постоянно меняются, влияя на выходную мощность фотоэлектрической матрицы. Стабильный алгоритм MPPT может быстро адаптироваться к этим изменениям и поддерживать работу вблизи точки максимальной мощности.

 

Общие алгоритмы для MPPT в фотоэлектрических системах

Метод отслеживания точки максимальной мощности (MPPT) для фотоэлектрических панелей привел к разработке различных методов управления как в исследовательских, так и в практических приложениях по всему миру. В незатененных условиях широко используемые методы управления MPPT в фотоэлектрических батареях включают слежение за постоянным напряжением (CVT), возмущение и наблюдение (P&O) и инкрементную проводимость (INC).

Ниже приводится введение и сравнение этих трех алгоритмов:

1. Слежение за постоянным напряжением (CVT)

Основной принцип метода постоянного напряжения заключается в том, что напряжение в точке максимальной мощности на выходной кривой P-U фотоэлементов остается близким к определенному постоянному значению при различных условиях инсоляции. Метод CVT управляет выходным напряжением фотоэлемента для поддержания этого постоянного напряжения, позволяя элементу работать вблизи точки максимальной мощности в течение всего рабочего процесса.

• Преимущества: Метод CVT обеспечивает более высокую выходную мощность, чем прямое согласование, и может упростить управление MPPT при определенных условиях. Он прост в реализации, относительно стабилен и подходит для районов со стабильными климатическими условиями, где не требуется высокая точность.
• Недостатки: Метод плохо адаптируется и имеет низкую точность при изменении температуры окружающей среды, так как не позволяет эффективно отслеживать точку максимальной мощности.

2. Возмущение и наблюдение (P&O)

Метод P&O предполагает периодическое возмущение (регулировку) выходного напряжения фотоэлемента и наблюдение за изменением мощности. Если мощность увеличивается, регулировка продолжается в том же направлении. Если мощность уменьшается, направление меняется на противоположное. Эта цепь обратной связи продолжается до тех пор, пока не будет достигнута точка максимальной мощности.

• Преимущества: Метод P&O прост в реализации и легко интегрируется в оборудование.
• Недостатки: Скорость реакции медленная, что делает его пригодным только для сценариев, в которых интенсивность солнечного света меняется постепенно, например, для фотоэлектрических станций и уличных фонарей. Кроме того, он может вызывать небольшие колебания вблизи точки максимальной мощности, что приводит к некоторой потере мощности.

3. Инкрементная проводимость (INC)

Метод INC использует производную первого порядка кривой P-U фотоэлектрического массива для нахождения точки максимальной мощности. Этот метод определяет направление следующей регулировки на основе скорости изменения проводимости (G = I/U) и мгновенного значения проводимости.

• Преимущества: Метод INC обеспечивает более высокую точность, чем P&O, поскольку полностью зависит от скорости изменения проводимости и мгновенного значения отрицательной проводимости, а не от предыдущего напряжения или мощности. Он может быстро адаптироваться к быстрым изменениям интенсивности солнечного света, что делает его высокоточным.
• Недостатки: Этот алгоритм требует большего количества аппаратных датчиков, что увеличивает его стоимость. В результате более простой метод P&O по-прежнему широко используется.

 

MPPT и ШИМ: основные различия и преимущества

MPPT и PWM (широтно-импульсная модуляция) - две распространенные стратегии управления, используемые в фотоэлектрических (ФЭ) системах. Являясь ключевыми компонентами, обеспечивающими эффективную и стабильную работу этих систем, контроллеры MPPT и PWM существенно различаются по функциям, эффективности и сценариям применения.

1. Разница в принципах работы

• ШИМ-контроллеры: ШИМ-контроллеры регулируют напряжение и ток в цепи путем изменения длительности импульсов. Чем больше длительность высокого уровня в ШИМ-сигнале, тем больше время переключения в цепи, что увеличивает время протекания тока через нагрузку, тем самым регулируя выходную мощность.
• Контроллеры MPPT: Контроллеры MPPT отслеживают напряжение и ток солнечной панели в режиме реального времени и используют специальные алгоритмы для определения оптимального рабочего состояния. Они регулируют сопротивление нагрузки или рабочее напряжение, чтобы панель всегда работала на максимальной мощности. Этот процесс происходит автоматически и не требует вмешательства человека.

2. Эффективность и производительность

• ШИМ-контроллеры: ШИМ-контроллеры имеют относительно низкий КПД, так как не могут полностью использовать максимальную мощность солнечной панели, достигая максимум 70-80% эффективности преобразования заряда.
• Контроллеры MPPT: Контроллеры MPPT значительно эффективнее, поскольку мониторинг напряжения и тока в режиме реального времени позволяет им отслеживать точку максимальной мощности (P=U*I). Это позволяет заряжать батарею с максимальной отдачей энергии, достигая эффективности отслеживания до 99% и общей эффективности выработки энергии системой до 97%, что примерно на 50% выше, чем у традиционных систем.

3. Применимые сценарии

• ШИМ-контроллеры: Эти контроллеры подходят для сценариев с высокими ограничениями по стоимости и низкими требованиями к эффективности. Благодаря простоте стратегии управления ШИМ-контроллеры являются более экономичными и идеально подходят для недорогих малогабаритных фотоэлектрических систем.
• Контроллеры MPPT: Эти контроллеры лучше подходят для сценариев, требующих высокой эффективности системы. В крупных фотоэлектрических станциях, распределенных фотоэлектрических системах и других системах, требующих высокой эффективности, MPPT-контроллеры могут максимально использовать свои преимущества и значительно повысить общую эффективность выработки электроэнергии в системе.

 

Ключевые факторы при выборе MPPT-контроллера

Выбор правильного MPPT-контроллера имеет решающее значение для эффективной и стабильной работы солнечных фотоэлектрических систем. Вот ключевые факторы, которые необходимо учитывать при выборе:

1. Напряжение и ток системы

• Диапазон входного напряжения: Убедитесь, что диапазон входного напряжения MPPT-контроллера покрывает выходное напряжение фотоэлектрического модуля при различных условиях. Как правило, диапазон входного напряжения контроллера должен быть выше напряжения разомкнутой цепи (Voc) фотоэлектрического модуля.
• Мощность входного тока: Мощность входного тока контроллера должна быть как минимум равна току короткого замыкания фотоэлектрического модуля (Isc). Для обеспечения безопасности и эффективности рекомендуется выбирать мощность тока на 20-25% больше, чем максимальный ток короткого замыкания.
• Выходное напряжение и ток: Убедитесь, что выходное напряжение и ток контроллера соответствуют требованиям нагрузки или накопителя энергии.

2. Рейтинг мощности

• Мощность: Номинальная мощность MPPT-контроллера должна соответствовать общей мощности фотоэлектрической системы. Убедитесь, что контроллер может обрабатывать выходную мощность фотоэлектрического модуля в точке максимальной мощности. Как правило, мощность контроллера должна быть выше максимальной мощности фотоэлектрической системы, чтобы предотвратить перегрузку.

3. Совместимость

• Тип батареи: Если фотоэлектрическая система включает устройства накопления энергии (например, батареи), убедитесь, что MPPT-контроллер совместим с типом используемой батареи (свинцово-кислотной, литий-ионной, никель-кадмиевой и т. д.).
• Архитектура системы: Выберите MPPT-контроллер, подходящий для архитектуры вашей системы, будь то автономная, подключенная к сети или гибридная.

 

Топ 6 брендов MPPT-контроллеров для солнечных батарей

С ростом популярности фотоэлектрической генерации энергии выбор качественного, адаптируемого и стабильного солнечного контроллера является необходимым условием для продления срока службы солнечной системы. Такие контроллеры не только обеспечивают эффективную работу, но и предлагают различные дополнительные функции для удобства пользователей. Вот 6 лучших брендов MPPT-контроллеров в мире:

1. Морнингстар (США)

С момента своего основания в 1993 году продукция Morningstar широко используется в базовых станциях связи, полевом мониторинге, островных источниках питания и других промышленных приложениях среднего и высокого уровня. Это надежный и хорошо узнаваемый бренд. Например, цена их 40A 12/24V MPPT-контроллера составляет около $570.

 

2. Victron Energy (Нидерланды)

Благодаря 40-летнему опыту производства источников питания, продукция Victron Energy считается профессиональным выбором для автономных систем электропитания. Они используются в качестве стандартного оборудования на яхтах таких известных брендов, как Sunseeker, Ferretti и Fairline, а также отечественными производителями яхт и специальных транспортных средств. Цена 30A 12/24V MPPT-контроллера со встроенным Bluetooth составляет около $170.

 

3. EPEVER (Китай)

Компания EPEVER, основанная в 2007 году в Пекине, является лидером в области солнечной энергетики и занимается разработкой, производством, продажей и обслуживанием солнечных контроллеров, автономных инверторов и гибридных энергетических систем. Известный своей экономичностью и производительностью, их 30A 12/24V MPPT контроллер стоит около $90.

 

4. PHOCOS (Германия)

Компания PHOCOS, основанная в 2000 году в Ульме (Германия), является одним из крупнейших в мире производителей компонентов для автономных систем солнечного электроснабжения. Они производят солнечные контроллеры заряда, люминесцентные лампы постоянного тока и многое другое. Например, цена их водонепроницаемого контроллера 20A 12/24V IP68 составляет около $90.

 

5. СТЕКА (Германия)

STECA - крупный профессиональный производитель контроллеров заряда для солнечных батарей. Их продукция, предназначенная для средних и малых фотоэлектрических систем, обладает надежными характеристиками и токами заряда от 6А до 140А, подходящими для большинства солнечных энергосистем и управления нагрузкой постоянного тока.

 

6. Renogy (Китай/США)

Компания Renogy, основанная в 2010 году в США, стала ведущим брендом в области новых источников энергии для потребителей. Стремясь обеспечить независимую и чистую энергию, компания Renogy сосредоточилась на разработке новых энергетических продуктов, технологических исследованиях и глобальных услугах. Цена их MPPT-контроллера 30A 12/24V составляет около $130.

 

Последняя мысль

Технология MPPT является неотъемлемой частью фотоэлектрической системы. Она может эффективно повысить эффективность системы и увеличить выработку электроэнергии. Однако добиться эффективного MPPT не так просто и требует преодоления многих технических трудностей. В будущем, с развитием интеллектуальных алгоритмов и эффективного оборудования, технология MPPT будет совершенствоваться, двигая фотоэлектрическую промышленность вперед.