ردیابی نقطه حداکثر توان (MPPT)

در سیستم‌های فتوولتائیک، معمولاً از کنترل‌کننده‌ها برای مدیریت شارژ باتری‌ها یا توان تزریقی به شبکه استفاده می‌شود. ردیابی نقطه حداکثر توان (MPPT)، یکی از قابلیت‌هایی است که تعدادی از این کنترل‌کننده‌ها به آن مجهز هستند و بازده توان را تا 30 درصد نسبت به کنترل‌کننده‌های عادی افزایش می‌دهند. الگوریتم‌های MPPT، مخصوصاً در سیستم‌های بزرگ نقش مهمی دارند.

برای یک ماژول خورشیدی، ردیاب نقطه حداکثر توان (MPPT)، ولتاژ و جریان را برای رسیدن به حداکثر توان و در نتیجه جذب آن دنبال می‌کند. الگوریتم MPPT، ولتاژ را برای شارژ بهینه تنظیم می‌کند.

در شکل ۱، نمودار آبی، مشخصه جریان-ولتاژ را برای یک ماژول خورشیدی در یک تابش مشخص نشان می‌دهد. منحنی قرمز، توان را نشان می‌دهد که حداکثر آن در نقطه‌ای موسوم به «زانو» (knee) و به ترتیب با ولتاژ و جریان VMPP و IMPP در منحنی I-V اتفاق می‌افتد. اگر تابش کم شود، نمودار به سمت پایین جابه‌جا می‌شود.

شکل 1: منحنی‌های I−V و P−V ماژول خورشیدی

شکل 2: نمودار بلوکی کنترل‌کننده ردیابی نقطه حداکثر توان (MPPT)

نمودار بلوکی MPPT‌ در یک سیستم فتوولتائیک جدا از شبکه در شکل 2 نشان داده شده است. البته، ردیابی نقطه حداکثر توان را می‌توان به شیوه‌های دیگری نیز بیان کرد و این شکل، نمودار پایه‌ای آن را نشان می‌دهد.

نقش مبدل DC به DC، ایزوله کردن ورودی DC از خروجی DC به گونه‌ای است که حداکثر توان استحصال شود. کنترل MPPT‌ معمولاً با یک میکروپروسسور پیاده‌سازی می‌شود. جریان خروجی یک ماژول خورشیدی، مستقیماً با مقدار تابش تغییر می‌کند (شکل 3 (الف)).

در حالتی که تابش بیشتر است (ولتاژ ثابت و جریان بیشتر)، حداکثر توانی که می‌توان به دست آورد نیز بیشتر خواهد بود. وقتی جریان نسبتاً ثابت بماند، تغییرات ولتاژ خروجی، عکس تغییرات دما است.

همان‌گونه که از شکل 3 پیداست، نقطه حداکثر توان (MPP) (نقاط آبی) در هر دو حالت تغییر دما و تغییر تابش، جابه‌جا می‌شود. نقش الگوریتم MPPT، نگه داشتن نقطه کار ماژول خورشیدی در نقطه حداکثر توان منحنی I-V است.

شکل 3: تغییر منحنی I-V (الف) با تغییر تابش (ب) با تغییر دما

الگوریتم‌های MPPT مختلفی وجود دارند که با استفاده از آن‌ها می‌توان نقطه حداکثر توان را ردیابی کرد. یکی از معروف‌ترین الگوریتم‌ها، الگوریتم «آشفته و مشاهده» (Perturb and Observe Algorithm) یا P&O است.

الگوریتم MPPT آشفته و مشاهده (P&P)

الگوریتم آشفته و مشاهده، فرایندی است که در آن، متغیری تغییر می‌کند (آشفته می‌شود) و اثر آن تغییر بر متغیرهای دیگر بررسی می‌شود (مشاهده). نمودارهای شکل 4، نقاطی از منحنی I-V‌ و P-V‌ را نشان می‌دهد که الگوریتم P&O به آن‌ها اعمال می‌شود.

یک روش برای استحصال حداکثر توان، جابه‌جایی ولتاژ خروجی روی منحنی I-V برای تغیر بار ماژول است. این کار تا زمانی ادامه پیدا می‌کند که به نقطه حداکثر توان برسیم. الگوریتم ردیابی نقطه حداکثر توان، با تنظیم مقدار بار و اندازه‌گیری ولتاژ V1‌ و جریان خروجی شروع می‌شود. توان P1 در V1 اندازه‌گیری می شود.

در مرحله بعدی،‌ بار افزایش می‌یابد و مقدار توان P2 در ولتاژ V2‌مشاهده می‌شود. مقدار P2 با P1 مقایسه می‌شود و از آن‌جایی که P2 بزرگتر از P1 است، تغییرات را در همان جهت قبلی ادامه می‌دهیم. پس از آن، الگوریتم MPPT ولتاژ را به V3 تغییر می‌دهد و توان P3‌ را مشاهده می‌کند. P3 بزرگتر از P2 است، بنابراین، تغییرات همچنان در جهت قبلی ادامه پیدا می‌کند.

شکل 4: الگویتم ردیابی نقطه حداکثر توان با روش آشفته و مشاهده (P&O)

اندازه‌گیری بعدی در V4 انجام می‌شود که نشان می‌دهد توان P4‌ از P3 بزرگتر است.

در نهایت، اندازه‌گیری در ولتاژ V5‌ نشان می‌دهد که P5 کوچکتر یا مساوی P4 است و بنابراین، از MPP عبور کرده‌ایم و به آن طرف منحنی توان رسیده‌ایم. در این نقطه، الگوریتم MPPT، نقطه کار را به V4‌ برمی‌گرداند و بین دو نقطه V4 و V5 در دو سمت نقطه حداکثر توان نوسان می‌کند.

دقت این روش، به اندازه تغییر (افزایش یا کاهش ولتاژ) بین هر دو اندازه‌گیری بستگی دارد. تغییرات کوچکتر موجب دقت بیشتر و در نتیجه، نزدیکتر شدن به نقطه حداکثر توان می‌شود.

فلوچارت شکل ۵، روند الگوریتم P&O را نشان می‌دهد. کنترل‌کننده‌های MPPT اندازه‌های مختلفی دارند که شکل 6 یک نمونه از آن‌ها است.

شکل 5: فلوچارت الگوریتم MPPT آشفته و مشاهده

شکل 6: یک کنترل‌کننده MPPT

عملکرد کنترل‌کننده شارژ MPPT

شکل 7، نمودار بلوکی کنترل‌کننده شارژ MPPT را نشان می‌دهد. ابتدا، میکروپروسسور MPPT، خروجی ماژول خورشیدی را دنبال و در نقطه حداکثر توان تنظیم ‌می‌کند. مبدل DC/DC از مبدل DC/AC، ترانسفورماتور و مبدل AC‌/DC تشکیل شده است.

نقش این بلوک‌ها، تبدیل VMPP به ولتاژ AC و تبدیل آن به ولتاژ DC است. ترانسفورماتور، یک تجهیز الکترومغناطیسی است که ورودی آن از خروجی ایزوله است. دلیل ایزولاسیون مدار،  کنترل ولتاژ مستقل از ماژول خورشیدی است. ترانسفورماتور همچنین بسته به نیاز سیستم، ولتاژ AC‌ را افزایش یا کاهش می‌دهد.

یک بلوک تنظیم‌کننده سوئیچینگ PWM نیز در مدار وجود دارد که ولتاژ مورد نیاز باتری را تولید می‌کند.

شکل 7: نمودار بلوکی کنترل‌ کننده شارژ MPPT

علاوه بر مواردی که گفته شد، پیکربندی‌های مختلف دیگری نیز وجود دارند که برای سیستم‌های متصل به شبکه و جدا از شبکه معرفی شده‌اند.