Home
Accesso / Registrazione
 di 

Algoritmi MPPT

3 risposte [Ultimo post]
ritratto di electropower
Offline
Titolo: User++
Utente++
Ultima visita:
37 settimane 17 ore fa
Utente dal: 17/11/2010
Messaggi: 64

Buongiorno a tutta la community! Voglio porre una domanda. In qualità di progettista di sistemi di potenza, mi è stato chiesto di collaborare con un team per la progettazione di un convertitore fotovoltaico transformerless da allacciare alla rete elettrica già esistente. Io mi occuperò della parte hardware e qualcun altro di quella firmware. Ho sentito parlare da chi ne sa più di me di algoritmo MPPT. Mi sapreste dire qualcosa a riguardo? In rete avrei trovato sicuramente la risposta che cerco ma poi sono detto, vediamo cosa mi sanno dire gli amici di EOS! :)

ritratto di Alex87ai
Offline
Titolo: User++
Utente++
Ultima visita:
2 anni 12 settimane fa
Utente dal: 25/05/2010
Messaggi: 72
Dovendo realizzare un

Dovendo realizzare un controllo per un convertitore fotovoltaico, saprai certamente come si comporta la caratteristica corrente tensione di un pannello fotovoltaico al variare dell’irraggiamento solare e della temperatura del pannello. Nella fattispecie, una cella fotovoltaica non è altro che una giunzione PN polarizzata all’equilibrio la quale è sede di una regione svuotata a cavallo della giunzione. In pratica, al contrario di un diodo che in inversa presenta una corrente di saturazione molto piccola, le celle fotovoltaiche sono ottimizzate perché si sviluppi un tratto di caratteristica nel quarto quadrante sul piano della corrente in funzione della tensione. Quindi avremo, considerando per convenzione una corrente uscente dal catodo, corrente negativa e tensione positiva. Il prodotto delle due mi da la potenza ed è negativa, quindi la giunzione non funge più da carico ma da generatore di potenza. Aldilà della fisica che ci sta dietro (quella relativa ai fotoni che con sufficiente energia incidono sulla giunzione liberando coppie elettroni-lacune ecc…) la caratteristica del panello fotovoltaico non è unica, ma si presenta come una famiglia di curve parametrizzate in funzione dell’irraggiamento e della temperatura di giunzione di ogni cella. In particolare, all’aumentare dell’irraggiamento del pannello la caratteristica tende ad alzarsi e a spostarsi verso destra (aumenta sia la corrente di cortocircuito che la tensione a vuoto del pannello), mentre al variare della temperatura,in particolare all’’aumentare di questa, la curva si sposta verso l’alto e verso sinistra (aumenta la corrente di cortocircuito perché aumentano le coppie elettroni-lacune generate per effetto termico, mentre si riduce la tensione di circuito aperto). Se ora su google scrivi “caratteristica cella fotovoltaica” osserverai che presa una curva corrente-tensione, questa presenta un punto di ginocchio al quale corrisponde un picco di potenza, cioè il punto detto MPP (Maximum Power Point ). Se vuoi spremere il possibile in termini di potenza dal pannello fotovoltaico, devi per forza di cose posizionarti con il tuo convertitore nel punto di massimo e questo lo si fa tramite il cosiddetto algoritmo di MPPT (Maximum Power Point Tracker). L’algoritmo cerca il punto di massima potenza e una volta agganciato cerca di inseguirlo in maniera dinamica al variare dall’irraggiamento e della temperatura. Cerca cioè di variare dinamicamente al variare della curva. Per fare questo, il convertitore fotovoltaico chiude un anello di controllo in retroazione sull’uscita del pannello, uscita che viene campionata sia in corrente che in tensione. Il set-point viene dato dall’algoritmo di MPPT. Viene calcolato il prodotto tra le due grandezze campionate, ossia la potenza, e questo risulatato viene confrontato con quanto calcolato nel passo di valutazione precedente (tu devi immaginare che il tutto è gestito tramite DSP) e viene regolata l’estrazione della corrente del pannello tramite un convertitore DC/DC (ad esempio di tipo boost) al quale viene impartito un segnale di PWM opportuno. Se la potenza, rispetto al passo precendente, si abbassa, il DSP varierà il duty-cycle della PWM facendo risalire il punto di riposo sulla caratteristica con verso contrario rispetto a prima, e questo perché si suppone che per via della variazione dell’irraggiamento,ad esempio, la caratteristica abbia subito una traslazione del punto di massima potenza. Dopo 2-3 cicli di MPPT, il punto di riposo dovrebbe riassestarsi attorno alla potenza massima. Purtroppo non so se si possono pubblicare immagini nel Forum, altrimenti sarebbe stato più semplice spiegarti come avviene il tutto. La tecnica di stima del punto di MPP che ti ho illustrato prende il nome di P&O (Perturb & Observe) ed è l’algoritmo maggiormente implementato sui convertitori. In letteratura ce ne sono centinaia di questi algoritmi tutti con un solo scopo: rendere accurato e veloce l’inseguimento del punto di massima potenza al fine di massimizzare l’efficienza di estrazione del convertitore. Io ho avuto modo di confrontare tra loro i più famosi, ma non ti nascondo che questo è risultato il più semplice da implementare ma anche il più efficiente. Ora purtroppo devo scappare, magari se ti servono chiarimenti chiedi pure…ti potrò rispondere stasera però.

ritratto di Antonio Mangiardi
Offline
Titolo: User++
Utente++
Ultima visita:
2 anni 35 settimane fa
Utente dal: 11/10/2010
Messaggi: 72
L’irraggiamento solare sui

L’irraggiamento solare sui pannelli è variabile in funzione della latidudine, dell’orientamento, della stagione e dell’ora.
Su ogni cella si possono determinare inoltre delle ombre che possono essere più o meno prevedibili, come quelle prioettate da un edificio o quelle determinate dalle nuvole. Inoltre la quantità di energia prodotta da ciascuna cella dipende dall’irraggiamento e dalla sua temperatura.
Da queste considerazioni nasce la necessità di individuare istante per istante
quel particolare punto sulla caratteristica V-I del generatore fotovoltaico in cui risulti massimo il trasferimento di potenza dal pannello alla rete riscendo così a sfruttare al meglio l'impianto.
Il Maximum Power Point Tracking, che si abbrevia utilizzando il termine MPPT,
è un dispositivo integrato negli inverter che, tipicamente, ad ogni istante legge i valori di tensione e corrente, ne calcola il prodotto (la potenza in Watt) e, variando i il duty cicle, è in grado di stabilire per confronto se il modulo fotovoltaico sta lavorando in condizioni di massima potenza oppure no e quindi agisce sul circuito per portare l’impianto in e condizione ottimale.
un impianto fotovoltaico senza MPPT funziona lo stesso, ma a parità di
irraggiamento solare fornisce meno energia
.
Funzionamento del MPPT
Una cella presenta, per vari valori dell’irraggiamento solare e della
temperatura, una famiglia di curve caratteristiche del tipo in figura qui

http://u.jimdo.com/www9/o/s46ff3d5343dbceba/img/i5400306dc148be0b/1286226087/std/image.jpg

si vedono tre curve corrispondenti a tre valori dell’irraggiamento solare.
Su ogni curva caratteristica esiste un solo punto tale per cui il trasferimento di potenza verso un ipotetico carico è massimo. Il punto di massima potenza corrisponde alla coppia V-I tale per cui è massimo il prodotto VxI, dove V ´e il valore della tensione ai morsetti del modulo e I è la corrente che circola nel circuito ottenuto chiudendo il modulo su un ipotetico carico.
Sempre con riferimento alla figura, il prodotto VxI è rappresentato per i tre valori dell’irraggiamento solare di cui sopra tramite le tre curve a tratto più sottile.
Come si vede, tali curve esibiscono un massimo. Ad esempio, per 1000W/mq, il punto di massima potenza corrisponde a V=36V e I=5,5A.
Graficamente, il punto di massima potenza corrisponde al punto di tangenza
tra la caratteristica del pannello fotovoltaico, per un certo valore della radiazione
solare, e l’iperbole di equazione VxI=K (una costante) corrispondente. Questo punto
varia istantaneamente in funzione delle condizioni di irraggiamento solare, nonchè dall’eventuale variazione di temperatura corrispondente.
L’MPPT ha il compito di individuare istante per istante questo punto, per permetteremaggior produzione di energia.

La caratteristica fondamentale di questi particolari regolatori MPPT è la capacità di gestire e sfruttare costantemente il punto di massima potenza erogata dal pannello
fotovoltaico in base all’irraggiamento solare a cui è sottoposto.
I vantaggi dovuti a questa caratteristica sono molti, ma i principali sono:
1° - MAGGIOR CORRENTE DISPONIBILE:
i regolatori MPPT sono in grado di utilizzare tutta la potenza generata dal pannello fotovoltaico per caricare la batteria, a differenza invece dei regolatori tradizionali PWM che sfruttano soltanto la corrente generata dal pannello.
Partendo dal presupposto che la potenza erogata dal pannello è il risultato del valore della corrente erogata per quello della tensione generata, e che la tensione di lavoro generata da un pannello fotovoltaico tipicamente assume valori tra i 12 e i 18 Volt.
La tensione utile per la conversione è di 12 V, e la restante parte diventa quindi
un surplus di tensione, che per questo motivo non viene considerato nei regolatori di carica tradizionali (a PWM).
Nei regolatori MPPT tutta la tensione generata dal pannello viene utilizzata per aumentare la corrente e quindi di conseguenza l’energia disponibile.
questo può permette di aumentare la produzione di energia elettrica anche del 30% in più, in condizioni ottimali (a parità di pannello e di corrente erogata)
2° - AMPIO RANGE DI TENSIONE ACCETTATA IN INGRESSO:
Questa caratteristica del regolatore MPPT è molto utile, ad esempio, per caricare una batteria da 12V utilizzando un pannello fotovoltaico progettato per lavorare a 24V, senza perdite di potenza.
vediamo.. ipotizzando di collegare un pannello progettato per lavorare a 24V che hanno valori di tensione nell’ordine di 32-36V (valori tipici per potenze di pannello superiori a 160W), ecco come si comporta il regolatore MPPT (così come per l’esempio riportato sopra) con una corrente di 3A fornita dal pannello la potenza erogata dal pannello sarà tipo di 32,2Vx3A =96,6W la corrente di carica della batteria (ad esempio con un valore di tensione di 12V della batteria) sarà di: 96,6W / 12V = 8A !!!
Un regolatore tradizionale PWM non avrebbe mai potuto effettuare questo aumento
di corrente, limitandosi a trasferire soltanto i 3A generati dal pannello.

ti segnalo della ST l’ SPV-1020, un convertitore boost DC-DC progettato per massimizzare la potenza generata dai pannelli fotovoltaici sfruttando la strategia MPPT

ritratto di electropower
Offline
Titolo: User++
Utente++
Ultima visita:
37 settimane 17 ore fa
Utente dal: 17/11/2010
Messaggi: 64
Per un sistema mirato alla

Per un sistema mirato alla conversione dell’energia fotovoltaica, il convertitore DC/DC che ti annunciavo prima è progettato per estrarre dal generatore fotovoltaico la massima potenza disponibile in funzione della condizioni di irraggiamento e temperatura del momento (MPP). La funzione di MPPT può essere svolta secondo diverse modalità in funzione della grandezza di controllo disponibile per l’anello o regolatore interno: controllando la tensione del pannello; controllando la tensione di lavoro del generatore; controllando l’impedenza d’ingresso del convertitore. Si parte sempre dalla considerazione che c’è un vero e proprio sistema di retroazione con tanto di regolatore PID che tenta di annullare l’errore tra la potenza stimata con l’algoritmo MPPT e la potenza direttamente calcolata a partire dalla misura della corrente e della tensione del pannello. Esistono anche algoritmi di tipo feed-forward in cui l’algoritmo di MPPT consiste in una stima della tensione o della corrente di MPP a partire dalla conoscenza dei valori di Voc e Icc (rispettivamente tensione a vuoto e corrente di cortocircuito del pannello fotovoltaico). I metodi a catena aperta, detti anche offline, sono applicati a sistemi molto semplici (100W) in cui il costo dell’elettronica prevale sulla guadagno di conversione dell’energia. Nei sistemi che al contrario richiedono la gestione di potenza maggiore, il costo dell’elettronica e dei pannelli diventa consistente e per poter recuperare al massimo l’investimento, è necessario il rendimento dell’intera catena di conversione sia altissimo, a partire proprio dall’estrazione dell’energia dai pannelli. Questo è ovviamente il caso dell’impianto di integrazione energetica di tipo domestico, in cui i pannelli e il relativo convertitore sono da dimensionati per erogare 3KW sulla rete in condizioni ottimali di irraggiamento.
I metodi a catena chiusa, al contrario, agiscono dinamicamente sul punto di lavoro del modulo, ossia in fase di startup tentano di agganciarsi il più rapidamente possibile al punto di MPP per poi restaci anche a seguito di variazioni delle condizioni di lavoro del pannello (irraggiamento e temperatura). In letteratura, sugli algoritmi di inseguimento dinamico del punto di massimo c’è davvero tanto e a quanto pare è un filone di ricerca che va molto non solo per le applicazioni fotovoltaiche ma anche eoliche. Tra le varie soluzioni che a suo tempo ho avuto modo di testare e mettere a confronto (conduttanza incrementale, P&O, P&O a 3 punti, Modified P&O) sicuramente quella che si è presentata la più semplice e la più efficace è stata il P&O (algoritmo di tipo Hill climbing).
Per quanto riguarda il P&O (il cui funzionamento ho già avuto modo di esporlo nel commento precedente), in realtà l’efficacia la si stima in termini di velocità di inseguimento (e quindi banda di reazione dell’algortimo) e accuratezza nel fissare il punto di massima potenza. Siccome l’algoritmo lavora spostando di uno step il punto di lavoro e valutando successivamente se c’è o meno una variazione di potenza, questo meccanismo porta a regime all’oscillazione del punto di riposo intorno al massimo. Ovviamente, tale oscillazione è sede di perdite un termini di efficienza di conversione, quindi andrebbero limitate in ampiezza perché altrimenti l’algoritmo diventa poco accurato nell’inseguire il punto cercato. Quindi in definitiva vorremmo un algoritmo veloce nell’inseguire il punto di max e quanto più accurato possibile. Sempre per il P&O le specifiche di velocità e accuratezza vanno in contrasto e il compromesso da dover risolvere sta nella scelta dell’ampiezza dello step di perturbazione: se lo step è piccolo l’algoritmo è altamente accurato ma molto lento, mentre al contrario se lo step è ampio, l’algoritmo inseguirà velocemente il punto di max con minore accuratezza una volta arrivato a regime.

 

 

Login   
 Twitter Facebook LinkedIn Youtube Google RSS

Chi è online

Ci sono attualmente 8 utenti e 58 visitatori collegati.

Ultimi Commenti