Что такое MPPT контроллеры и как они работают?

Если вы хотите увеличить выработку энергии вашими солнечными батареями без добавления солнечных панелей, то вам нужно заменить ваш солнечный контроллер на контроллер со слежением за точкой максимальной мощности (ТММ) солнечной батареи. Такой контроллер позволит в большинстве случаев увеличить выработку электроэнергии по сравнению с ШИМ контроллерами.

MPPT контроллеры появились на рынке в конце 80-х годов. Постепенно они стали применяться все шире и шире, и в будущем, скорее всего, все контроллеры будут иметь функцию слежения за ТММ солнечного модуля. Сейчас на рынке появились MPPT контроллеры с улучшенной схемотехникой, надежными электронными компонентами и с управлением микропроцессором.

В простых контроллерах солнечная батарея подключается к аккумулятору напрямую, таким образом напряжение их сравнивается. В реальности же оптимальное напряжение солнечной батареи почти всегда отличается от напряжения на аккумуляторе. Типичный 12В аккумулятор требует для полного заряда поддерживать заряд при 14,4В в течение 2-4 часов. Эта стадия называется стадией абсорбции (насыщения).

Принцип работы MPPT контроллера

Если посмотреть на типичную вольт-амперную характеристику солнечной батареи, можно увидеть, что выработка энергии может быть увеличена, если контроллер заряда будет следить за точкой максимальной мощности солнечной батареи.

Типичный MPPT контроллер постоянно отслеживает ток и напряжение на солнечной батарее, перемножает их значения и определяет пару ток-напряжение, при которых мощность СБ будет максимальной. Встроенный процессор также следит, на какой стадии заряда находится аккумулятор (наполнение, насыщение, выравнивание, поддержка) и на основании этого определяет, какой ток должен подаваться в аккумуляторы. Одновременно процессор может давать команды на индикацию параметров на табло (при наличии), хранение данных, и т.п.

Точка максимальной мощности может вычисляться разными способами. В простейшем случае контроллер последовательно снижает напряжение от точки холостого хода до напряжения на аккумуляторе. Точка максимальной мощности будет находиться где-то в промежутке между этими значениями. Описание различных способов поиска ТММ описано ниже.

Положение ТММ зависит от нескольких параметров — от освещенности модуля, температуры, разнородности используемых модулей и т.д. Контроллер периодически пытается немного «отойти» от найденной на предыдущей стадии точки в обе стороны, и если мощности при этом увеличивается, то он переходит на работу в этой точке. Теоретически, при поиске ТММ теряется немного энергии, но эта потеря очень незначительна по сравнению в той дополнительной энергией, которую обеспечивает MPPT контроллер.

Встроенный преобразователь постоянного тока поддерживает разное напряжение на входе и выходе контроллера. Это похоже на работу бесступенчатой коробки передач в автомобиле, которая поддерживает оптимальные обороты двигателя при разной скорости движения автомобиля.

Количество дополнительно полученной энергии при использовании MPPT контроллера трудно однозначно определить. Основными факторами, влияющими на дополнительную выработку. являются температура и степень заряженности аккумуляторной батареи. Наибольшая добавка к выработке будет при низких температурах модуля и разряженных батареях.

На рисунке справа показано, как может меняться напряжение в точке максимальной мощности при разных температурах модуля. Чем горячее солнечный модуль, тем меньше напряжение на модуле и, соответственно, выработка энергии солнечной батареей. В какие-то моменты точка максимальной мощности может быть ниже напряжения на аккумуляторе, и в этом случае вы не получите никакого выигрыша в выработке энергии по сравнению с ШИМ контроллером. Такое же влияние оказывает и частичное затенение солнечной батареи.

Поэтому обычно при использовании MPPT контроллеров нужно коммутировать солнечные батареи на более высокое напряжение. Большинство контроллеров может отслеживать точку максимальной мощности в широких пределах. Такое решение также позволит повысить выработку энергии солнечной батареей при пониженных освещенностях. Однако, не нужно делать слишком большую разницу между входным и выходным напряжением, иначе КПД контроллера падает.

Методы поиска точки максимальной мощности (ТММ) солнечной батареи MPPT контроллером

Обычно используется метод Perturb and Observe. При этом методе проводится периодическое полное сканирование всей вольт-амперной характеристики солнечной батареи (ВАХ) (обычно раз в 2 часа, но в SunStar MPPT этот интервал можно задавать от 1 минуты до 4 часов), находится ТММ, и до следующего полного сканирования контроллер «рыщет» от этой точки и вычисляет, как меняется мощность солнечной батареи, и сдвигает рабочую точку на новое напряжение, если при нем мощность больше. Практически во всех контроллерах применяется именно этот метод. Недостатком метода считается постоянная необходимость проводить измерения, во время которых генерация энергии от модулей прерывается. Различные производители подбирают параметры поиска — глубину и частоту итераций, периодичность полного сканирования, — для того, чтобы наиболее оптимально отслеживать точку максимальной мощности солнечной батареи и получать максимальное количество энергии от Солнца.

Многие производители даже имеют фирменные названия для своего метода поиска ТММ, но в конечном счете все эти методы являются реализацией метода «Отклониться и наблюдать» (именно так можно перевести Perturb & Observe). Подавляющее большинство контроллеров не позволяет выбирать параметры метода поиска ТММ. Исключение составляет тайваньский MPPT контроллер Prosolar Sunstar MPPT.

Все остальные методы доступны для выбора только в контроллерах Prosolar Sunstar MPPT. Может быть есть еще и другие контроллеры с такими возможностями, но мы о них не знаем.

Второй метод — Scan and Hold — после первичного сканирования напряжение устанавливается на уровне найденной точки и держится до следующего полного сканирования. Такой метод хорош там, где нет облаков и нет затенения модулей. Преимущества — высокая скорость работы, практически нет прерывания генерации на измерения.

Третий метод — Percentage of open circuit voltage — замеряется напряжение холостого хода и рабочая точка выбирается на уровне Uxx*k, где k может быть от 0 до 1, по умолчанию 0,8. Точка держится до следующего сканирования. Такой метод хорош там, где нет облаков и нет затенения модулей. Преимущества — высокая скорость работы, практически нет прерывания генерации на измерения.

Четвертый метод — жесткий выбор рабочей точки. Назначаете любое напряжение, которое контроллер будет поддерживать. Никаких измерений и вычислений он уже не делает, т. е. работает постоянно. Недостаток — такое напряжение может быть далеко от реальной ТММ. Однако, если вы точно знаете, при каком напряжении ваша батарея вырабатывает максимальную мощность, и СБ работает практически постоянно при ясном небе, то можно использовать и этот метод. При запуске системы нужно задать напряжение, которое будет поддерживать контроллер, оно вычисляется исходя из параметров конкретной солнечной батареи.

Есть еще экзотические методы поиска ТММ, с использованием искусственного интеллекта, но они в массовых контроллерах не применяются.

Сравнение контроллеров MPPT

Снижение потерь в проводах

Потери в проводниках вычисляются по формуле

P = I² x R

Таким образом, при уменьшении тока в 2 раза, потери уменьшаются в 4 раза. Если уменьшить ток в 4 раза, то потери уменьшатся в 16 раз, и т.п. Если увеличить напряжение со стороны фотоэлектрических модулей, то можно существенно уменьшить потери при той же передаваемой мощности.

Когда целесообразно применять MPPT контроллеры?

Необходимо применять  солнечные MPPT контроллеры в случаях, когда:

1. Напряжение солнечной батареи сильно отличается от напряжения аккумулятора
2. Расстояние от солнечной батареи до солнечного контроллера велико (более 5-10 м в зависимости от тока)
3. Ток от солнечной батареи превышает 5-10А (см выше про снижение потерь в проводах)
4. Есть задача заряжать аккумуляторы при пониженной освещенности, когда обычные ШИМ контроллеры из-за снижения напряжения от солнечной батареи ниже напряжения аккумулятора прекращают заряд.  

Текущая цена контроллеров позволяет эффективно их применять при мощности модулей от 200 Вт.  Это позволит увеличить выработку вашей фотоэлектрической системы без добавления фотоэлектрических модулей. Если вы не используете MPPT контроллер, то вы можете рассматривать недобор энергии от СБ как потерю части ваших инвестиций в солнечные батареи.

Следует заметить, что все современные сетевые фотоэлектрические инверторы используют слежение за точкой максимальной мощности солнечных батарей.

Дополнительная информация также содержится в разделе «Основы«, подраздел по Фотоэлектричеству, а также в разделе «Библиотека«.

Настоятельно рекомендуем также ознакомиться с ответами на часто задаваемые вопросы по контроллерам заряда.

Купить качественные и/или недорогие MPPT солнечные контроллеры вы можете в нашем Интернет-магазине

Сравнение параметров и возможностей MPPT контроллеров различных производителей

Часто возникает вопрос, какой контроллер выбрать. Так как на рынке в последнее время появилось множество моделей MPPT контроллеров, зачастую покупателям трудно сделать правильный выбор. Раньше на этой странице у нас была сравнительная таблица. Но, так как модели контроллеров меняются довольно быстро, появляются новые, снимаются с производства старые, то поддерживать актуальность такой таблицы стало нецелесообразно.

Теперь появился более удобный инструмент — фильтр и сравнение в нашем Интернет-магазине. Зайдите в раздел MPPT контроллеров и выберите нужный фильтр по параметрам и функциям для выборки подходящего вам солнечного контроллера.  Также, вы можете выбрать несколько контроллеров для сравнения при помощи кнопки «Сравнить».

Рекомендации по выбору MPPT контроллеров

1. Для бюджетных систем без дополнительных требований рекомендуется применять контроллеры EPEVER (Tracer MPPT), SRNE серии ML, Voltronic (SCC MPPT), Must Power (серия PC-18). Они обеспечивают высокую надежность при невысокой цене.
   Контроллеры на напряжения АБ 12 или 24В существенно дешевле контроллеров на 48В. В последнее время появились солнечные контроллеры Helios, которые по многим параметрам превосходят контроллеры SRNE и Must Power.
2. Для систем, которые требуют удаленного мониторинга и связи с компьютером, подходят контроллеры MorningStar Tristar MPPT 60 (заметьте, что модель на 45А не имеет встроенного веб-сервера и интерфейса Ethernet). Для связи с компьютером применяется хорошо документированный протокол ModBus. Есть устройство для согласования ББП Sturder Xtender с контроллерами MS TrisStar MPPT.
   Недостатки: отсутствие встроенной жидкокристаллической панели индикации (дополнительная опция), нет управляющих контактов, нет возможности вычислить SOC аккумулятора.
3. Если нужно управлять дополнительными устройствами в зависимости от напряжения на АБ — например, включать/выключать балластную нагрузку, обеспечить защиту АБ от глубокого разряда, управлять внешними устройствами (например, автозапуском генератора, или подключением дополнительного устройства) — то потребуется контроллер с дополнительными управляющими контактами. Prosolar SunStar MPPT имеет 2 группы таких контактов, Outback FlexMax и Xantrex XW MPPT — по 1. Контроллеры Studer Variotrack реализуют контакты при помощи дополнительного модуля ARM.
4. Если нужно получить информацию по степени заряженности АБ (SOC), то наиболее просто получить такую функцию в контроллере Prosolar SunStar MPPT — она уже встроена в этот контроллер и нужен только дополнительный измерительный шунт. Контроллеры Outback формально тоже могут работать по SOC, но для этого им нужно дополнительное устройство — Outback FlexNet DC, HUB и желательно устройство отображения MATE. Все это сильно удорожает систему, и мы считаем, что это целесообразно только при использовании в системе инверторов Outback.
5. Наиболее оптимальным выбором являются контроллеры Prosolar Sunstar MPPT — они имеет встроенный жидкокристаллический дисплей, отдельные сигнальные провода для измерения напряжения на АБ, при использовании измерительного шунта обеспечивает вычисление SOC, его отображение и управление дополнительными контактами по этому параметру. Опциональное устройство согласование с программой позволяют легко подключить его к компьютеру для сбора данных о работе системы и управления контроллером. При этом контроллер Prosolar SunStar MPPT имеет цену ниже, чем все остальные контроллеры с аналогичными функциями. Более того, можно соединять до 16 контроллеров в параллель для увеличения мощности системы; при этом измерительный шунт может быть один.
6. Если такие функции не нужны, то достаточно применять контроллеры Helios Venus MPPT
7. Учтите, что некоторые недорогие контроллеры имеют принудительную вентиляцию при помощи активных кулеров. Такие контроллеры шумят при работе и нужно регулярно проводить их техническое обслуживание и очистку внутренностей от пыли.

Эта статья прочитана 52036 раз(а)!

Продолжить чтение