Σχεδίαση Συστήματος Διαχείρισης Φωτοβολταϊκής Γεννήτριας σε Ηλεκτρικό Όχημα

Τεχνολογίες επικοινωνιών για διασύνδεση των ηλεκτρικών οχημάτων με το ευφυές δίκτυο ενέργειας

Στάθης, Σπυρίδων-Πύρρος; Stathis, Spyridon-Pyrros

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Ηλεκτρικής Ισχύος

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με την ανάπτυξη ενός γρήγορου και πλήρως ολοκληρωμένου ελεγκτή για την εύρεση του σημείου μέγιστης ισχύος, με σκοπό τον αποτελεσματικό έλεγχο ενός φωτοβολταϊκού (φ/β) συστήματος και τη μέγιστη παραγωγή ισχύος από τη φ/β συστοιχία, που είναι ενσωματωμένη στην οροφή ενός ηλεκτρικού οχήματος. Για την εύρεση του σημείου μέγιστης ισχύος, συγκρίνονται δύο αλγόριθμοι, ο αλγόριθμος Διαταραχής και Παρατήρησης και ο αλγόριθμος Στοιχειώδους Αγωγιμότητας, εφαρμόζοντας σταθερό και μεταβλητό βήμα για την προσαρμογή της τάσης της φ/β γεννήτριας. Αρχικά, η ανίχνευση του σημείου μέγιστης ισχύος εξετάζεται υπό συνθήκες ομοιόμορφης σκίασης. Στη συνέχεια, με τη χρήση του προτεινομένου τροποποιημένου αλγορίθμου Στοιχειώδους Αγωγιμότητας που υλοποιείται, επιτυγχάνεται ο εντοπισμός του σημείου μέγιστης ισχύος υπό συνθήκες μερικής σκίασης, συνθήκες κατά τις οποίες η εύρεση του βέλτιστου σημείου είναι αρκετά πιο δύσκολη. Επίσης, αναπτύσσεται δυναμικό μοντέλο με τη χρήση του λογισμικού Simulink/Matlab, για την προσομοίωση του συνολικού συστήματος επικουρικής φόρτισης και για την αξιολόγηση των αλγορίθμων. Το σύστημα αυτό περιλαμβάνει τη φ/β συστοιχία ονομαστικής ισχύος 160W, τον μετατροπέα ΣΡ-ΣΡ (DC-DC) ανύψωσης τάσης τύπου flyback, τον αυτόματο ελεγκτή εύρεσης του Σημείου Μέγιστης Ισχύος (ΣΜΙ) και τη μπαταρία 250V, τύπου ιόντων Λιθίου. Η μελέτη των επιμέρους στοιχείων του συστήματος επικουρικής φόρτισης παρουσιάζεται αναλυτικά και δίνεται ιδιαίτερη βαρύτητα στη σχεδίασή τους, για την ορθή αξιολόγηση του συνολικού συστήματος. Από τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, αναδεικνύεται ότι ο αλγόριθμος Στοιχειώδους Αγωγιμότητας με μεταβλητό βήμα τάσης, εντοπίζει το σημείο μέγιστης ισχύος με την εμφάνιση ελάχιστων ταλαντώσεων και με γρήγορη μεταβατική απόκριση σε συνθήκες ραγδαίας μεταβολής της ηλιακής ακτινοβολίας, και επομένως αποτελεί τη βέλτιστη επιλογή για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Τέλος, υπολογίζεται η ετήσια ενεργειακή παραγωγή για το προτεινόμενο φωτοβολταϊκό σύστημα καθώς και η βελτίωση στην προσομοιωμένη αυτονομία του μικρού ηλεκτρικού οχήματος πόλης που εξετάζεται, εφαρμόζοντας τον βέλτιστο αλγόριθμο και χρησιμοποιώντας πραγματικά δεδομένα ηλιοφάνειας μαζί με ρεαλιστικά σενάρια οδήγησης.

This diploma thesis undertakes the development of a fast, fully integrated maximum power point tracker, for the efficient control of a photovoltaic (PV) system, incorporated into an electric vehicle roof. For the function of maximum power point tracking, two algorithms are compared, based on the Perturb and Observe technique and the Incremental Conductance one, respectively, by employing fixed and adaptive voltage step for the adjustment of the PV generator voltage. In a first step, the maximum power point is tracked under uniform solar irradiance. In a next step, the maximum power point is tracked under partial shading conditions, by using a modified incremental conductance algorithm, when maximum power point detection is more difficult. In addition, a dynamic model is developed, using Matlab/Simulink software, for the simulation of the entire PV system, comprising the PV generator of 160 Watt nominal output power, the flyback boost converter and the vehicle’s battery pack, of LiFePO4 type, and 250V voltage level. All components of the supplementary charging system are represented in detail, in ordrer to ensure approprate assessment of the performance of the proposed PV system. The simulation results show that the proposed Incremental Conductance algorithm with adaptive voltage step, tracks the maximum power point with minimum oscillations and fast transient response under rapid irradiance changes, constituting the optimal choice for the specific implementation. Finally, the energy production as well as the enhancement in simulated electric vehicle’s driving autonomy, in yearly basis, for the proposed photovoltaic system employing the optimal algorithm is computed, based on measured solar irradiance data and realistic driving scenaria.