Обеспечение эффективности солнечной фотоэлектрической станции в условиях быстро меняющейся конфигурации освещенности

При равномерном освещении фотомодулей энергетическая характеристика P (U) солнечной станции имеет единственный максимум¹, и поддержание ее энергетической эффективности не представляет трудностей.

Однако в облачную погоду, когда фотомодули в разных частях обширной площади станции находятся под разным освещением, на характеристике P (U) появляется множество локальных пиков, среди которых лишь один обеспечивает максимальную энергетическую эффективность станции². Это явление известно как частичное затенение фотомодулей; и если не предпринимать специальных мер, то в этих условиях солнечная станция существенно понизит вырабатываемую мощность.

Авторы:

• Федотов А.Ю.
• Степанова Д.А.
• к.т.н. Наумов В.А.
• д.т.н. Антонов В.И.

Для обеспечения эффективности станции при частичном затенении применяют специальные алгоритмы поиска и отслеживания точки максимальной мощности MPP, призванные локализовать точку реального максимума в условиях меняющейся освещенности. Как показывает анализ технических характеристик алгоритмов, практически всем им свойственно стремление к сканированию энергетической характеристики солнечной станции. Из-за этого они теряют способность к поддержанию энергетической эффективности станции в условиях быстро меняющейся конфигурации освещенности, ибо не обладают необходимой динамикой изменения режима работы инвертора. Поэтому нужны алгоритмы ускоренного выявления точки максимальной мощности. Алгоритмы поиска должны учитывать, что поиск точки реального максимума мощности сопряжен с глубокими изменениями режима работы станции, а значит должны обеспечивать локализацию окрестности точки GMMP за минимально число возмущений, вносимых в работу станции.

В настоящей статье исследуются особенности управления эффективностью солнечной станции в условиях частичного затенения фотомодулей и формулируются основные требования к алгоритмам управления солнечной станцией в этих условиях.

1. Характеристики фотомодулей при равномерной освещенности

В условиях равномерной освещенности энергетическая характеристика имеет единственный максимум — точку MPP, которая обычно располагается вблизи напряжения U_MPP≈0,8U_oc, где U_oc - напряжение холостого хода³ (Рисунок 1). Поэтому известные алгоритмы поиска точки MPP [1−2, 4, 5] в этом случае просты и работают стабильно и при равномерном изменении уровня освещенности. Одним из таких методов отслеживания точки MPP, получившим широкое распространение благодаря своей наглядности и простоте реализации, является метод «возмущения и наблюдения"⁴.

Метод «возмущения и наблюдения» благоприятен, прежде всего, тем, что не вносит в режим работы солнечной станции больших возмущений. Согласно методу, напряжение на выходе фотомодулей непрестанно меняется инвертором на небольшую величину и определяется знак приращения мощности. Если при снижении напряжения знак приращения мощности положителен, то точка MPP находится слева от рабочей точки (Рисунок 1, а; точка 1), иначе точка MPP располагается справа от рабочей точки (точка 2). В первом случае напряжение понижают, а во втором случае повышают; в результате рабочая точка колеблется в окрестности точки MPP.

Изменение освещенности приводит к изменению величины вырабатываемого тока, и солнечная станция переходит на другую энергетическую характеристику P (U) (Рисунок 2; стрелкой показано направление перемещения рабочей точки с характеристики 1 на характеристику 2). При равномерной освещенности это не изменит сути метода P&O, поскольку унимодальность характеристики сохранится, и новая точка MPP₂ будет снова найдена обычным для метода образом.

2. Характеристики фотомодулей в условиях частичного затенения

Под частичным затенением подразумевается неравномерная освещенность фотомодулей солнечной станции, например, из-за появления облаков на небе. В этом случае на энергетической характеристике P (U) появляются локальные пики (Рисунок 3, а). Поэтому смена равномерного освещения (Рисунок 4, а; кривая 1) на частичное затенение (кривая 2) значительно усложняет алгоритм поиска максимальной мощности, поскольку в этих условиях метод P&O теряет способность выявления точки глобальной максимальной мощности GMPP и приводит режим станции в точку локального пика⁵ LMPP с существенно меньшей выработкой электроэнергии.

Следовательно, методы управления эффективностью солнечной станции должны выявлять режим затененности и своевременно переходить к поиску глобального максимума (точки GMPP) среди локальных максимумов на энергетической характеристике [3−6]. Кажущаяся простота решения этой задачи сталкивается с ограничениями технологического характера: станция не может находиться в режиме непрерывного поиска MPP с изменением напряжения на выходе фотомодулей в широком диапазоне. Поэтому алгоритмы поиска MPP должны обеспечивать быстрое определение глобального MPP и поддерживание в последующем режима солнечной станции в выявленной точке GMPP.

Иными словами, эффективность солнечной станции в условиях частичного затенения будет обеспечена алгоритмом, периодически проверяющим наступление режима частичного затенения и инициирующим операцию определения глобального максимума, а после достижения окрестности точки GMPP передающим управление режимом станции методу P&O.

3. Нормированные характеристики фотомодулей

Для унификации алгоритмов поиска точки MPP полезно рассматривать характеристики фотомодулей в относительных единицах. Это позволяет формулировать единые правила поиска точки максимальной мощности, пользуясь нормированными характеристиками, универсальными для всех видов фотомодулей и их режимов работы.

Предлагается преобразовать характеристики, принимая в качестве базисных величин паспортное значение напряжения холостого хода U_{st, oc} и значение тока I_U при минимально допустимом с точки зрения сохранения работоспособности инвертора напряжении U_min. В нашей работе минимальное напряжение принято равным 20% напряжения холостого хода, т. е. U_min=0.2U_{st, oc}. При принятых базисных величинах измерения электрических величин в относительных единицах будут следующими:

Нормированные характеристики фотомодулей при различной конфигурации освещенности приведены на рисунке 4.

4. Исследование работы солнечной станции в условиях быстро меняющейся освещенности

Несмотря на глубокое различие принципов, лежащих в основе алгоритмов управления эффективностью солнечной станции в условиях быстро меняющейся конфигурации освещенности, практически все алгоритмы используют сканирование энергетической характеристики во время поиска точки реального максимума мощности. Это свойство алгоритмов снижает не только их быстродействие, но и вырабатываемую станцией энергию, значительно теряя ее во время поиска точки максимальной мощности. Среди алгоритмов, более или менее пригодных для реализации в реальных проектах, можно отметить алгоритмы, использующие нейронную сеть [7], нагрузочную линию станции, алгоритмы на основе нечеткой логики и алгоритмы, сканирующие энергетическую характеристику станции на основе использования чисел Фибоначчи [3, 4].

Мы используем алгоритм, основанный на измерении вырабатываемой станцией мощности в четырех характерных точках, выбираемых по определенным правилам: первые два значения мощности определяются при U = U_min=0,2U_{st, oc} и U=0,84U_{st, oc}, а остальные два выбираются в зависимости от характера изменения кривой ВАХ при различной конфигурации освещенности фотомодулей станции. Алгоритм гибко меняет стратегию выбора точек, обеспечивая быстрое определение окрестности точки GMPP. Поэтому станция форсированно выходит в режим выработки максимальной мощности максимум за четыре шага изменения напряжения на выходе фотомодулей.

Для оценки эффективности использования нового метода определения GMPP и демонстрации существенного отличия режима работы станции в условиях частичного затенения, создана модель солнечной станции в среде Simulink. Ее работу иллюстрирует Рисунок 5. Моделируется сценарий изменения конфигурации освещенности, включающий этапы последовательного перехода станции от режима равномерной освещенности (Рисунок 4, кривая 1) к режимам с частичной затененностью различной конфигурации (кривые 2 и 3).

В начале моделирования устанавливается режим равномерной освещенности стандартных тестовых условий⁶ фотомодулей (Рисунок 4, кривая 1) с величиной генерируемой мощности P_r.u.=0,8. Затем происходит быстрое изменение освещенности: рабочая точка скачком переходит из окрестности точки максимума мощности MPP на кривой 1 в окрестность точки локального максимума на кривой 2. На диаграммах работы станции (Рисунок 5) этому режиму соответствует интервал времени 1−2. Поскольку алгоритм выявления глобального максимума GMPP₁ еще не вступил в действие, то режим станции все еще находится под управлением алгоритма P&O (интервал 2−3). Поэтому рабочая точка переносится им в окрестность локального максимума LMPP₁.

В точке 3 вступает в действие наш алгоритм поиска GMPP (интервал 3−4). Поскольку напряжения в точках MPP и LMPP₁ характеристик 1 и 2 близки, то алгоритм, вполне оправданно избегая внесения возмущения в работу станции, вначале определяет мощность в первой контрольной точке с U_r.u.=0,84, а затем — во второй контрольной точке (интервал 4−5) с напряжением U_r.u.=0,2. На этом этапе алгоритм GMPP обнаруживает изменение конфигурации освещенности и переходит к определению промежуточных контрольных точек. На интервалах 5−6 и 6−7 устанавливаются вычисленные алгоритмом напряжения третьей и четвертой контрольных точек U_r.u.=0,44 и U_r.u.=0,57 и по измерениям тока и напряжения на выходе фотомодулей вычисляются мощности P_r.u.=0,43 и P_r.u.=0,55 в соответствующих контрольных точках. Сравнение величин мощностей в контрольных точках показывает, что четвертая контрольная точка с P_r.u.=0,55 является стартовой точкой для передачи управления режимом станции стандартному алгоритму P&O. Из диаграмм (Рисунок 5) видно, что стартовая точка находится в окрестности глобального максимума. Поэтому после передачи управления алгоритму P&O на интервале 7−8 рабочая точка приводится им в окрестность точки GMPP₁. Далее на интервале 8−9 режим станции продолжает поддерживаться стандартным алгоритмом P&O около точки GMPP₁ с P_r.u.=0,55.

Видно (Рисунок 5), что при отсутствии специального алгоритма поиска глобального максимума мощности стандартный алгоритм не справляется задачей поддерживания эффективности станции в условиях меняющейся конфигурации освещенности, и режим станции под его управлением увязает на локальном максимуме LMPP₁ с P_r.u.=0,33, почти на 40% снижая вырабатываемую станцией мощность.

Следующее изменение освещенности происходит в точке 9. В силу инертности инвертора рабочая точка перемещается с характеристики 2 на характеристику 3 (Рисунок 4) в течение интервала времени 9−10 и вскоре оказывается в окрестности локального пика LMPP₂. Режим станции все еще находится под управлением алгоритма P&O, поэтому на интервале 10−11 рабочая точка приводится им к локальному пику LMPP₂, а затем поддерживается в его окрестности (интервал 11−12).

В точке 12 начинает работать алгоритм поиска GMPP. Определяются параметры первой контрольной точки (интервал 12−13) с напряжением U_r.u.=0,84, затем второй с напряжением U_r.u.=0,2 (интервал 13−14). Поскольку алгоритм вновь обнаруживает изменение конфигурации освещенности, то определяются параметры 3-й контрольной точки (интервал 14−15) с напряжением U_r.u.=0,32 и 4-й контрольной точки (интервал 15−16) с напряжением U_r.u.=0,51. Четвертая точка оказывается стартовой и близкой к глобальному максимуму. Управление режимом возвращается методу P&O (интервал 16−17), который приводит рабочую точку к GMPP₂ со значением мощности P_r.u.=0,48.

В то же время рабочая точка станции под управлением только стандартного алгоритма и после второго изменения освещенности застревает около локального пика LMPP₃ с P_r.u.=0,17, более чем в два раза снижая вырабатываемую станцией мощность.

Выводы

1. При изменении конфигурации освещенности (затененности) стандартные методы поиска и отслеживания точки максимальной мощности теряют свою эффективность из-за появления локальных пиков на энергетической характеристике P (U) фотомодулей. Необходимый уровень энергетической эффективности солнечной фотоэлектрической станции обеспечивают специальные алгоритмы выявления явления частичного затенения и определения точки реального максимума генерируемой станцией мощности. Важным свойством таких алгоритмов является быстрое перемещение рабочей точки станции в окрестность глобального максимума мощности, соответствующей текущей конфигурации освещенности (затенения), при минимальном числе возмущений, вносимых в работу станции.
2. С целью достижения универсальности и эффективности действия алгоритмов в условиях различной конфигурации затененности предлагается использовать нормированные вольт-амперную и энергетическую характеристики фотомодулей солнечной электростанции. Предлагаемый подход позволяет формировать режимные точки станции на нормированных характеристиках в темпе развития конфигурации освещенности, избегая необходимости затратного сканирования всей энергетической характеристики. Результаты моделирования работы солнечной электростанции в условиях быстрого изменения конфигурации освещенности (затенения) полностью подтверждают эффективность предлагаемого подхода.

Справка

¹ Так называемая точка максимальной мощности; в англоязычной литературе Maximum Power Point — MPP;

² Точка глобального (реального) максимума мощности, Global (Real) Maximum Power Point — GMPP;

³ Open circuit voltage;

⁴ Perturb and Observe — P&O;

⁵ Local Maximum Power Point — LMPP;

⁶ Стандартные тестовые условия: освещенность G = 1000 Вт/м², температура модуля 25 °C, воздушная масса 1,5 АМ, ветер отсутствует.

Освещенность (G) представляет собой плотность солнечного излучения, падающего на поверхность, выраженную в ваттах на квадратный метр (Вт/м²). Она зависит от географического положения, угла падения солнечных лучей, облачности, задымленности и тому подобное.

Атмосферная масса (AM) — это длина пути, который проходит свет через атмосферу, отнесенная к кратчайшему возможному пути (когда Солнце находится в зените). Атмосферная масса показывает насколько уменьшилась спектральная плотность потока излучения после прохождения через атмосферу и поглощения воздухом и пылью.

Литература

1. Hohm, D. P. Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms / D. P. Hohm, M. E. Ropp // Progress in Photovoltaics: Research and Applications. — 2003. — No. 11. — P. 47−62. DOI:10.1002/pip.459.
2. Esram, T. Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques / T. Esram, P.L. Chapman // IEEE Transactions on Energy Conversion. — 2007. — Vol. 22. — No. 2. — P. 439−449. DOI: 10.1109/TEC.2006.874230.
3. Miyatake, M. Control characteristics of a Fibonacci-search-based maximum power point tracker when a photovoltaic array is partially shaded / M. Miyatake, T. Inada. // Proc. 4th International Power Electronics and Motion Control Conference. IPEMC 2004. — 2004. -Vol. 3, pp. 816−821.
4. Kobayashi, K. A study of a two stage maximum power point tracking control of a photovoltaic system under partially shaded insolation conditions / K. Kobayashi, I. Takano, Y. Sawada // Solar Energy Materials and Solar Cells. — Vol. 90. No. 18−19. — 2006. —  P. 2975−2988. DOI: 10.1016/j.solmat.2006.06.050.
5. Федотов А.Ю. Задачи и методы поддержания эффективности солнечных электрических станций / А.Ю. Федотов, В.А. Наумов, В.И. Антонов // РЕЛАВЭКСПО — 2019. Сборник докладов научно-технической конференции молодых специалистов. — Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2019. — С. 224−231.
6. Федотов, А.Ю. Особенности управления энергоэффективностью солнечных электрических станций / А.Ю. Федотов, В.А. Наумов, В.И. Антонов // Проблемы и перспективы развития энергетики, электротехники и энергоэффективности: материалы III Междунар. науч.-техн. конф. — Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2019. — С. 104−113.
7. Seyedmahmoudian, M. State of the art artificial intelligence-based MPPT techniques for mitigating partial shading effects on PV systems — A review / M. Seyedmahmoudian et al. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. — Vol. 64. — P. 435−455. DOI: 10.1016/j.rser.2016.06.053.

_{Опубликовано в журнале «Релейная защита и автоматизация» № 3 (40) 2020}