Downloaded 56 times
![2
3. ระบบเชื่อมตอกริด (Grid-Connected System) เปนระบบที่สรางไฟฟากระแสสลับที่มีความถี่
เดียวกับระบบกริดเพื่อจายโหลด และจายกําลังสวนที่เหลือใหกับระบบกริด โดยไดอะแกรมการ
ทํางานแสดงในรูปที่ 1.3
รูปที่ 1.3 ระบบเชื่อมตอกริด
ในการนําเอาเซลลแสงอาทิตยมาใชกับระบบตางๆ จะตองหาจุดการทํางานของเซลลแสงอาทิตยที่จาย
กําลังไฟฟาสูงสุด เนื่องจากกําลังไฟฟาที่สรางขึ้นได ณ เวลาใดเวลาหนึ่งจะแปรผันตามการ
เปลี่ยนแปลงของสภาพบรรยากาศ และโหลด นอกจากนี้เซลลแสงอาทิตยยังมีราคาสูง ดังนั้นจึงตอง
หาวิธีในการดึงเอากําลังไฟฟาสูงสุดที่เซลลแสงอาทิตยสามารถจายไดในขณะนั้นมาใช ซึ่งมีวิธีการ
ตางๆ เชน วิธีเทียบสัดสวนแรงดันขณะเปดวงจร (A fixed percentage of the open circuit voltage)
[1, 5] วิธีการรบกวนและการสังเกต (Perturbation and Observation) [2, 5] วิธีเพิ่มคาความนํา
(Incremental Conductance) [3, 5] และการหาจุดจายกําลังสูงสุดดวยหลักการของระลอกคลื่น
(A ripple-based maximum power point tracking) [4] สวนหลักการที่ใชสรางกระแสรูปคลื่นไซนจาย
เขาระบบกริดจะมีหลักการตางๆ เชนหลักการควบคุมแบบฮีสเตอริซีส (Hysteresis Control) [6, 11]
หลักการทํานายกระแส (Predictive Current Control) [7] และวิธีการมอดูเลตแบบพัลส-ไซน
(Sinusoidal Pulse Width Modulation: SPWM) [6,11]
ในวิทยานิพนธนี้เสนอการนําเทคนิคการเพิ่มคาความนํามาใชควบคุมวัฎจักรการทํางานของสวิตช
ตัวแปลงผันแบบทบระดับเพื่อหาจุดจายกําลังสูงสุดของเซลลแสงอาทิตย ซึ่งวิธีนี้เปนวิธีที่งาย
ไมซับซอน มีประสิทธิภาพสูงในการหาจุดจายกําลังสูงสุด และใชหลักการควบคุมแบบฮีสเตอริซีส
ควบคุมการสรางกระแสรูปคลื่นไซนที่จายเขากับระบบกริด โดยควบคุมการทํางานของระบบดวยตัว
ประมวลผลสัญญาณดิจิตอล ADMC331 ของ บริษัท Analog Device
1.2 วัตถุประสงคของงานวิจัย
1. เพื่อศึกษาแบบจําลอง และคุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตย
2. เพื่อศึกษาการหาจุดจายกําลังสูงสุดของเซลลแสงอาทิตย
Power
Conditioning
and Control
Grid
PV
CELL
AC Load](https://image.slidesharecdn.com/i8ezsmi6tpnvrp5e6po1-140514142459-phpapp01/75/slide-17-2048.jpg)
![6
3. ซิลิกอนแบบอะมอรฟส (Amorphous Si cells) จะมีประสิทธิภาพ 8-13 เปอรเซ็นต และสามารถ
ตอบสนองตอแสงไดดีในชวงความยาวคลื่นสั้นของแสงอาทิตย
รูปที่ 2.2 วงจรสมมูลของเซลลแสงอาทิตย
รูปที่ 2.3 กราฟคุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตย
จากโครงสรางของเซลลแสงอาทิตยสามารถนํามาเขียนเปนวงจรสมมูลในรูปของแหลงจายกระแสตอ
ขนานกับไดโอด และไดกราฟคุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตยดังรูปที่ 2.2 และ 2.3 จากกราฟกระแส-
แรงดันจะพบวามีจุดที่สําคัญ 2 จุดคือแรงดันขณะเปดวงจร (VOC) และกระแสลัดวงจร (ISC) โดยขณะที่
เกิดการลัดวงจรของเซลลแสงอาทิตยกระแสที่สรางขึ้นไดจะไหลผานวงจรภายนอก สวนขณะเปด
วงจรของเซลลแสงอาทิตยกระแสที่สรางขึ้นไดจะไหลผานไดโอดที่ตอขนานภายในเซลล จากวงจร
สมมูลสามารถเขียนสมการความสัมพันธของกระแสและแรงดันอยางงายเมื่อละคาความตานทาน
ขนาน (Rsh) และคาความตานทานอนุกรม (Rs) ไดดังสมการ (2.1), (2.2) และ (2.3) [3]
( )⎡ ⎤= − −
⎢ ⎥⎣ ⎦
P Ph P r
S
qV
I N I N I exp 1AKTN (2.1)
( )⎡ ⎤⎡ ⎤= −
⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦
3
G
r rr
r r
qET 1 1I I expT kA T T (2.2)
( )⎡ ⎤= + −⎣ ⎦Ph SCR i r
SI I k T T 100 (2.3)
จากสมการ (2.1), (2.2), (2.3) และวงจรสมมูลในรูปที่ 2.2 พบวาคุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตยจะ
ขึ้นอยูกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ปริมาณแสงที่ตกกระทบบนเซลลแสงอาทิตย และโหลดที่ตอ
Rs
Rsh RoIPh V
+
-
I
ISC
IMAX
I/P
VMAX
PMAX
VOC
V](https://image.slidesharecdn.com/i8ezsmi6tpnvrp5e6po1-140514142459-phpapp01/75/slide-21-2048.jpg)
![8
รูปที่ 2.5 รูปแบบของเซลลแสงอาทิตย
2.2 วิธีการหาจุดจายกําลังสูงสุด
การจายกําลังสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยใหกับโหลดพบวาเสนกราฟคุณลักษณะของโหลด
(Load line) จะตองเหมาะสมกับเสนกราฟระหวางแรงดันและกระแสของเซลลแสงอาทิตยดังรูปที่ 2.6
พบวาจากเสนกราฟคุณลักษณะของโหลดที่แสดงดวยเสน OA เซลลแสงอาทิตยจะจายกําลังเปน P1
ซึ่งมีคานอยกวากําลังที่เซลลแสงอาทิตยสามารถจายไดสูงสุดคือ P2 ดังนั้นจึงมีเทคนิคตางๆ ในการหา
จุดจายกําลังสูงสุดของเซลลแสงอาทิตย
รูปที่ 2.6 ผลของโหลดตอเซลลแสงอาทิตย
2.2.1 วิธีเทียบสัดสวนแรงดันขณะเปดวงจร (A fixed percentage of the open-circuit
voltage) [1]
วิธีนี้จะตั้งอยูบนพื้นฐานที่วาแรงดันที่จุดจายกําลังสูงสุดจะมีความสัมพันธเปนเชิงเสนกับแรงดันขณะ
เปดวงจร โดยกําหนดใหแรงดันที่จุดจายกําลังสูงสุดมีคาประมาณ 76 เปอรเซ็นตของแรงดันขณะเปด
วงจร แตเนื่องจากแรงดันขณะเปดวงจรไมคงที่ในแตละเวลาดังนั้นการทํางานของวิธีนี้จะทํางานเปน
คาบเวลาโดยตัดโหลดออกเพื่อวัดขนาดแรงดันขณะเปดวงจรเพื่อนําไปหาแรงดันที่จุดจายกําลังสูงสุด
PV ArrayPV PanelPV ModulePV Cell
P1
P2
VMAXV VOC
IMAX
I
ISC
IPV
VPV
P2 > P1
load
curve
O
A](https://image.slidesharecdn.com/i8ezsmi6tpnvrp5e6po1-140514142459-phpapp01/75/slide-23-2048.jpg)
![9
(โดยทั่วไปจะตัดโหลดออกทุกๆ 1 วินาที เปนเวลา10-50 ms) ซึ่งขอเสียของวิธีนี้คือจะทําใหการ
ทํางานของโหลดไมตอเนื่อง
2.2.2 วิธีการรบกวนและการสังเกต (Perturbation and Observation: P&O) [2]
วิธีนี้เปนวิธีที่งายไมซับซอนทํางานเปนคาบเวลาโดยใชการเปรียบเทียบกําลังไฟฟาของเซลล
แสงอาทิตยในคาบเวลาปจจุบันกับคาบเวลากอนดังสมการ (2.4)
= − −dP P(k) P(k 1) (2.4)
โดยถาอัตราการเปลี่ยนแปลงกําลังไฟฟามีคาเปนบวกระบบจะปรับทิศทางของแรงดัน (เพิ่มหรือลด
แรงดัน) ตามทิศทางเดิม และถาอัตราการเปลี่ยนแปลงกําลังไฟฟามีคาเปนลบระบบจะปรับทิศทางของ
แรงดันสวนทางกับทิศทางเดิมเพื่อวิ่งเขาหาจุดจายกําลังสูงสุด ซึ่งวิธีนี้สามารถทํางานไดดีที่สภาวะคง
ตัว (สภาวะที่ปริมาณแสง และอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงอยางชาๆ) แตจะมีขอเสียคือเมื่อเกิดการ
เปลี่ยนแปลงปริมาณแสงอยางรวดเร็วจะทําใหการตามหาจุดจายกําลังสูงสุดผิดพลาดไดดังรูปที่ 2.7
รูปที่ 2.7 ลักษณะการเบี่ยงเบนจากจุดจายกําลังสูงสุดของวิธี P&O
โดยที่ Po3 > Po2 > Po1 แต Po3 < PMAX(S3) และ Po2 < PMAX(S2) [2]
จากรูปที่ 2.7 สมมติจุดการทํางานเริ่มตนของเซลลแสงอาทิตยอยูที่จุด 1 ซึ่งเปนจุดจายกําลังสูงสุดที่
ปริมาณแสง S1 เมื่อรบกวนระบบครั้งตอไปในขณะที่ปริมาณแสงเพิ่มขึ้นเปน S2 จะไดคากําลังไฟฟา
ที่จุดที่ 2 ซึ่งมีกําลังไฟฟามากกวาจุดที่ 1 แตนอยกวาจุดที่ 4 ซึ่งเปนจุดจายกําลังสูงสุดของปริมาณแสง
S2 ระบบก็จะปรับเพิ่มแรงดันขึ้นซึ่งทําใหจุดทํางานวิ่งออกจากจุดจายกําลังสูงสุดของปริมาณแสง S2
และเมื่อรบกวนระบบอีกครั้งในขณะที่ปริมาณแสงเพิ่มขึ้นเปน S3 จะไดคากําลังไฟฟาที่จุด 3 ซึ่งมี](https://image.slidesharecdn.com/i8ezsmi6tpnvrp5e6po1-140514142459-phpapp01/75/slide-24-2048.jpg)
![10
กําลังไฟฟามากกวาจุดที่ 2 แตนอยกวาจุดที่ 5 ซึ่งเปนจุดที่ใหกําลังไฟฟาสูงสุดของปริมาณ S3 ระบบก็
จะปรับเพิ่มแรงดันขึ้นอีกทําใหจุดการทํางานเบี่ยงเบนไปจากจุดจายกําลังสูงสุดทําใหไมสามารถดึง
กําลังสูงสุดมาใชได สวนการที่ระบบจะสามารถกลับมาหาจุดจายกําลังสูงสุดไดอยางถูกตองอีกครั้งจะ
เกิดขึ้นก็ตอเมื่อปริมาณแสงมีการเปลี่ยนแปลงชาลง หรือเขาสูสภาวะคงตัว
2.2.3 วิธีเพิ่มคาความนํา (Incremental Conductance: IncCond) [3]
จากกราฟกําลังไฟฟา-แรงดันของเซลลแสงอาทิตยในรูปที่ 2.8 จะไดความสัมพันธของอัตราการ
เปลี่ยนแปลงกําลังไฟฟาตออัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดันเปน
รูปที่ 2.8 กราฟกําลังไฟฟา-แรงดันของเซลลแสงอาทิตย
- ถา >dP 0dV แสดงวาจุดทํางานอยูทางดานซายของจุดจายกําลังสูงสุด
- ถา =dP 0dV แสดงวาจุดทํางานอยูที่จุดจายกําลังสูงสุด
- ถา <dP 0dV แสดงวาจุดทํางานอยูทางดานขวาของจุดจายกําลังสูงสุด
ดังนั้นถาเราจัด dP
dV ใหมใหอยูในรูปของกระแส และแรงดันจะไดสมการเปน
( )
=
d VIdP
dV dV
= +dP dV dII VdV dV dV
= +dP dII VdV dV (2.5)
ดังนั้นที่จุดจายกําลังสูงสุดจะไดคาเปน
+ =dII 0V dV (2.6)
P
VMAX
PMAX
Voc
V
dP
dV
dP
0
dV
>
dP
0
dV
<](https://image.slidesharecdn.com/i8ezsmi6tpnvrp5e6po1-140514142459-phpapp01/75/slide-25-2048.jpg)
![11
โดย I
V คือคาความนําของเซลลแสงอาทิตย และ dI
dV คือคาอัตราการเปลี่ยนแปลงความนํา ซึ่งถา
ผลรวมของสมการ (2.6) มีคาเปนบวกแสดงวาระบบกําลังทํางานทางดานซายของจุดจายกําลังสูงสุด
ตัวระบบก็จะปรับคาแรงดันเพิ่มขึ้น แตถาผลรวมมีคาเปนลบแสดงวาระบบทํางานอยูทางดานขวาของ
จุดจายกําลังสูงสุดระบบก็จะปรับลดคาแรงดันลง และถาผลรวมมีคาเทากับศูนยแสดงวาระบบทํางาน
ที่จุดจายกําลังสูงสุดระบบก็จะคงแรงดันเดิมนั้นไว
วิธีนี้จะสามารถหาจุดจายกําลังสูงสุดไดแมจะเกิดการเปลี่ยนแปลงปริมาณแสงอยางรวดเร็ว แตก็มี
ขั้นตอนการคํานวณเพิ่มขึ้น
2.2.4 การหาจุดจายกําลังสูงสุดดวยหลักการของระลอกคลื่น (A Ripple-Based Maximum
Power Point Tracking) [4]
จากคุณลักษณะของระบบเชื่อมตอกริดเฟสเดียวดังรูปที่ 2.9 จะทําใหกําลังไฟฟาทางดานไฟสลับมี
ความถี่เปน 2 เทาของความถี่ระบบกริดทําใหเกิดระลอกคลื่นบนแรงดัน และกําลังไฟฟาทางดาน
ไฟตรงจากระลอกคลื่นของทั้ง 2 สัญญาณสามารถนําไปใชหาจุดจายกําลังสูงสุดของเซลลแสงอาทิตย
ไดโดยสัญญาณที่เกิดขึ้นแสดงดังรูปที่ 2.10
รูปที่ 2.9 ระบบเชื่อมตอกริดแบบเฟสเดียว
ในการวิเคราะหการหาจุดจายกําลังสูงสุดดวยระลอกคลื่นแรงดันและกําลังไฟฟาจะพิจารณาเปน
คาบเวลา รูปที่ 2.11 จะแสดงพื้นที่การทํางานของเซลลแสงอาทิตยจะแบงเปนพื้นที่สวน A, B และ C
โดยพื้นที่สวน A จะมีแรงดันต่ํากวาแรงดันที่จุดจายกําลังสูงสุด พื้นที่สวน B จะมีแรงดันใกลกับ
แรงดันที่จุดจายกําลังสูงสุด และพื้นที่สวน C จะมีแรงดันสูงกวาแรงดันที่จุดจายกําลังสูงสุด และเมื่อ
จําลองการทํางานของเซลลแสงอาทิตยใหทํางานจากพื้นที่ C ไปยังพื้นที่ A (ที่เวลา 0 วินาที ถึง 0.6
วินาที) จะไดสัญญาณดังรูปที่ 2.12 ซึ่งพบวา
- ในพื้นที่สวน A ระลอกคลื่นของแรงดัน และกําลังไฟฟามีคาสูงสุดหรือต่ําสุดที่เวลาเดียวกัน
- ในพื้นที่สวน B จะมีระลอกคลื่นกําลังไฟฟาต่ํา และมีความถี่เพิ่มขึ้น
GridS1 S3
S4S2
L
Power
Transformer
PV
Cell VPV
IPV
IL](https://image.slidesharecdn.com/i8ezsmi6tpnvrp5e6po1-140514142459-phpapp01/75/slide-26-2048.jpg)
![12
- ในพื้นที่สวน C ที่เวลาเดียวกันระลอกคลื่นของแรงดันจะมีคาสูงสุด (ต่ําสุด) ในขณะที่
ระลอกคลื่นของกําลังไฟฟาจะมีคาต่ําสุด (สูงสุด)
- ระลอกคลื่นของกําลังไฟฟาจะมีคามากขึ้นเมื่อจุดทํางานเคลื่อนที่ออกจากจุดจายกําลังสูงสุด
รูปที่ 2.10 รูปคลื่นสัญญาณที่เกิดขึ้นในระบบเชื่อมตอกริด [4]
รูปที่ 2.11 ยานการทํางานของเซลลแสงอาทิตย [4]
ก) กระแสที่จายเขาระบบกริด
ข) กระแสที่จายจากเซลลแสงอาทิตย และแรงดันตกครอมตัวเก็บ
t (mS)
t (mS)
t (mS)
ค) กําลังไฟฟาที่ไดจากเซลล
t (mS)](https://image.slidesharecdn.com/i8ezsmi6tpnvrp5e6po1-140514142459-phpapp01/75/slide-27-2048.jpg)
![13
รูปที่ 2.12 แรงดันตกครอมตัวเก็บประจุ และกําลังไฟฟาที่ไดจากเซลลแสงอาทิตย [4]
จากลักษณะดังกลาวสามารถที่จะนําไปใชปรับจุดทํางานใหเขาใกลจุดจายกําลังสูงสุดโดยการเพิ่มหรือ
ลดคาแรงดันอางอิง (Vref) ดวยแรงดันคานอยๆ ซึ่งคาอัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดันจะเปนตัว
ตรวจสอบเสนทางของจุดทํางานวาวิ่งเขาหรือวิ่งออกจากจุดจายกําลังสูงสุด สวนคาอัตราการ
เปลี่ยนแปลงกําลังไฟฟาจะเปนตัวบอกพื้นที่ของจุดทํางานวาอยูในพื้นที่สวนใด (A, B หรือ C) จากรูป
ที่ 2.12 เมื่อเปรียบเทียบคา P1n และ P2n พบวา P1n มีคามากกวา P2n แสดงวาจุดทํางานอยูในพื้นที่ A และ
เมื่อเปรียบเทียบคา V2O และ V2n พบวา V2O มีคามากกวา V2n แสดงวาเสนทางการเดินของจุดทํางานวิ่ง
ไปทางซายของกราฟกําลังไฟฟา-แรงดันของเซลลแสงอาทิตย สรุปไดวาขณะนี้จุดทํางานอยูในพื้นที่
A และกําลังวิ่งออกจากจุดจายกําลังสูงสุด ดังนั้นจะตองเพิ่มคาแรงดันอางอิงเพื่อไปควบคุมใหจุด
ทํางานวิ่งเขาหาจุดจายกําลังสูงสุด โดยคาตัวแปรตางๆคือ (ดูรูปที่ 2.10 ประกอบ)
P1n คือ คากําลังไฟฟาที่ไดในชวงที่ระลอกคลื่นแรงดันมีคาสูงสุดที่คาบเวลาปจจุบัน
P2n คือ คากําลังไฟฟาที่ไดในชวงที่ระลอกคลื่นแรงดันมีคาต่ําสุดที่คาบเวลาปจจุบัน
V2O คือ คาระลอกคลื่นแรงดันต่ําสุดที่คาบเวลากอน
V2n คือ คาระลอกคลื่นแรงดันต่ําสุดที่คาบเวลาปจจุบัน
แตถาจุดทํางานอยูในพื้นที่ B แรงดันอางอิงที่ใชจะแทนดวยแรงดันเฉลี่ย (Vmean)
+
= 1n 2n
mean
V V
V 2 (2.7)
ขั้นตอนการควบคุมการหาจุดจายกําลังสูงสุดแสดงดังตารางที่ 2 .1](https://image.slidesharecdn.com/i8ezsmi6tpnvrp5e6po1-140514142459-phpapp01/75/slide-28-2048.jpg)
![14
ตารางที่ 2.1 เงื่อนไขที่ใชในการหาจุดจายกําลังสูงสุด [4]
2.3 การสรางกระแสรูปคลื่นไซน
การสรางกระแสรูปคลื่นไซนจะใชเทคนิคการควบคุมแบบฮิสเตอริซีส (Hysteresis Control) หรือ
เรียกวาวิธีแบง-แบงกระแส (current bang-bang) ดังรูปที่ 2.13 โดยใชการเปรียบเทียบกระแสโหลดกับ
กระแสอางอิงรูปไซน เมื่อกระแสโหลดมีคาเกินขอบเขตบนของกระแสอางอิงสวิตชก็จะตัดวงจรเพื่อ
ลดกระแสโหลด และเมื่อกระแสโหลดลดลงต่ํากวาขอบลางของกระแสอางอิง สวิตชก็จะตอวงจรเพื่อ
เพิ่มกระแสโหลดใหม การใชเทคนิคนี้จะมีขอดีคือไดรูปคลื่นของกระแสใกลเคียงไซน และสามารถ
ควบคุมใหวงจรตอบสนองตอการเปลี่ยนความถี่หรือแอมพลิจูดของกระแสอางอิงไดอยางรวดเร็ว แต
เนื่องจากความถี่ในการตัดตอวงจรจะไมคงที่ทําใหการวิเคราะหเชิงความถี่ และการกรองฮารมอนิกจะ
มีความยุงยากขึ้น
รูปที่ 2.13 การควบคุมแบบฮีสเตอริซีส
2.4 ตัวแปลงผันแบบทบระดับ (Boost Converter)
ตัวแปลงผันแบบทบระดับเปนวงจรแปลงผันไฟตรง (DC-DC Converter) ชนิดหนึ่งที่จะทําใหแรงดัน
ทางดานเอาตพุตมีคามากกวาแรงดันทางดานอินพุตดังวงจรในรูปที่ 2.14 การทํางานจะแบงเปน 2
Iref ILoad
VG
InverterVs Load
Iref
ILoad
VG](https://image.slidesharecdn.com/i8ezsmi6tpnvrp5e6po1-140514142459-phpapp01/75/slide-29-2048.jpg)
![[Solar rooftop] บรรยาย วสท. solar rooftop 28 พค. 58 รวม กก. วส](https://cdn.slidesharecdn.com/ss_thumbnails/solarrooftop-171009131124-thumbnail.jpg?width=640&height=640&fit=bounds)
การหาค่ากำลังไฟฟ้าสูงสุดสำหรับอินเวอร์เตอร์แบบเชื่อมต่อกริด
- 1.
- 2. BPS2'M'M ;Rna~~u~naozshaguqnluu~ra!~ra~k~lan Ll4DLMRSSULJJk2Y29U ~~~nssueue~ne~ra~u w=ua~~~larrsu~~unssue~~~~iisiis~p cI LU~U~~~RLMLKU~~~~60bb$la1"b~~eb[b~n9n~~~ra~~ P&!=P
- 3. ข หัวขอวิทยานิพนธ การหาคากําลังไฟฟาสูงสุดสําหรับอินเวอรเตอรแบบเชื่อมตอกริด โดยใชตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอล หนวยกิต 12 ผูเขียนนายสินชาย แซตั้ง อาจารยที่ปรึกษา ดร.เชิดชัย ประภานวรัตน หลักสูตร วิศวกรรมศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชา วิศวกรรมไฟฟา ภาควิชา วิศวกรรมไฟฟา คณะ วิศวกรรมศาสตร พ.ศ. 2546 บทคัดยอ วิทยานิพนธฉบับนี้เสนอการนําเอาพลังงานไฟฟากระแสตรงที่สรางจากเซลลแสงอาทิตยมาแปลงเปน ไฟฟากระแสสลับจายเขาระบบกริด เนื่องจากคุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตยเปนแหลงจายแบบ ไมเปนเชิงเสน ดังนั้นจึงตองหาจุดทํางานของเซลลแสงอาทิตยที่สามารถจายกําลังไฟฟาสูงสุดที่สภาพ บรรยากาศใดๆ โดยวิทยานิพนธนี้จะใชเทคนิคการเพิ่มคาความนําไปควบคุมวัฏจักรการทํางานของ ตัวแปลงผันแบบทบระดับเพื่อปรับหาความตานทานที่เหมาะสมที่จะดึงเอากําลังสูงสุดของเซลล แสงอาทิตยมาใช สวนการสรางกระแสรูปคลื่นไซนที่มีมุมเฟสทับกันกับแรงดันของระบบกริด จะใช หลักการควบคุมแบบฮีสเตอริซีสโดยสรางสัญญาณกระแสอางอิงรูปคลื่นไซนมาเปรียบเทียบกับ สัญญาณกระแสจริงที่จายเขาระบบกริดเพื่อไปควบคุมการทํางานของสวิตชในอินเวอรเตอร โดย กระแสอางอิงรูปคลื่นไซนจะสรางจากผลคูณของคากระแสที่จุดจายกําลังสูงสุดกับสัญญาณไซนของ แรงดันของระบบกริด โดยสวนควบคุมจะใชตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอลของบริษัท Analog Device เบอร ADMC331 เปนตัวควบคุมการทํางานของระบบทั้งหมด จากผลการทดลอง พบวาระบบสามารถติดตามหาจุดจายกําลังสูงสุดไดทั้งในสภาวะที่ปริมาณแสงคงที่ และสภาวะที่แสง มีการเปลี่ยนแปลงแบบทันทีทันใด และสามารถสรางกระแสรูปคลื่นไซนที่มีมุมเฟสเดียวทับกับ แรงดันกริดได โดยประสิทธิภาพเฉลี่ยของระบบหาจุดจายกําลังสูงสุดเทากับรอยละ 99.26 สวน ประสิทธิภาพเฉลี่ยในการสงกําลังไฟฟาเขาระบบกริดมีคารอยละ 84.45 คําสําคัญ : เซลลแสงอาทิตย / การติดตามหาจุดจายกําลังสูงสุด / ระบบเชื่อมตอกริด
- 4. ค Thesis Title DSP-BasedMaximum Power Point Tracking for Grid Connected Inverter Thesis Credits 12 Candidate Mr. Sinchai Sae-tang Thesis Advisor Dr. Cherdchai Prapanavarat Program Master of Engineering Field of Study Electrical Engineering Department Electrical Engineering Faculty Engineering B.E. 2546 Abstract This thesis proposes an algorithm that converts dc current from PV cells to ac current which will be injected to a grid. Due to the nonlinear characteristic of PV cells, the system must include an algorithm to track the maximum power point (MPP) at any atmospheric conditions. The algorithm used in this thesis is the incremental conductance method. The output of the MPPT controller is used to control the duty cycle of a boost converter so that maximum power is obtained from the PV cells at all times. The sinusoidal output current which is in-phase with the grid voltage is synthesized by a hysteresis control which generates the controlling signal for inverter switches. The controller compares the reference sinusoidal signal with the actual current which is injected to the grid. The reference sinusoidal signal is the product of the signal which corresponds with the maximum power available from the PV cells at that time and the sinusoidal voltage synthesized from the mains. The system is controlled by an ADMC331 DSP chip. The experimental results show that the maximum power point of PV cells was closely tracked under slow and fast changing of solar radiation. The generated sinusoidal current is in-phase with the grid voltage. The efficiency of the maximum power point tracking circuit is 99.26 percent on average and the total efficiency of the system is 84.45 percent. Keywords : PV Cell / Maximum Power Point Tracking / Grid Connected System
- 5. ง กิตติกรรมประกาศ วิทยานิพนธฉบับนี้สําเร็จลุลวงไดดวยดี ผูเขียนขอขอบพระคุณ ดร.เชิดชัยประภานวรัตน อาจารย ประจําภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกลาธนบุรี ซึ่งเปนอาจารยที่ปรึกษา วิทยานิพนธที่ใหแนวคิด คําปรึกษาตลอดจนชวยแนะนํา และแกไขขอบกพรองตางๆที่เกิดขึ้น ตลอดจนจัดหาอุปกรณและเครื่องมือที่เปนประโยชนตอการทําวิทยานิพนธนี้ ขอขอบพระคุณ ดร.อนวัช แสงสวาง อาจารยประจําภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกลา ธนบุรี และ ดร.สมบูรณ แสงวงควาณิชย อาจารยประจําภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา จุฬาลงกรณ มหาวิทยาลัย ที่ไดกรุณาเปนกรรมการสอบวิทยานิพนธนี้ ผูเขียนขอขอบคุณอาจารยทุกทานที่ไดใหความรู ขอขอบคุณผูควบคุมหองปฏิบัติการทุกทานที่อํานวย ความสะดวกในการใชเครื่องมือ ขอขอบคุณพี่ และเพื่อนทุกคนในหอง POWERLAB ที่มีสวนชวยใน การทําวิจัยและใหขอแนะนําตาง ๆ ในการทําวิทยานิพนธฉบับนี้ และสุดทายขอขอบคุณบิดา มารดา ที่ คอยใหการสนับสนุนการศึกษา และกําลังใจแกผูเขียนตลอดมา
- 6. จ สารบัญ หนา บทคัดยอภาษาไทย ข บทคัดยอภาษาอังกฤษ ค กิตติกรรมประกาศง สารบัญ จ รายการตาราง ช รายการรูปประกอบ ซ รายการสัญลักษณ ฎ ประมวลศัพทและคํายอ ฑ บทที่ 1. บทนํา 1 1.1 ปญหาและที่มาของงานวิจัย 1 1.2 วัตถุประสงคของงานวิจัย 2 1.3 ขอบเขตของงานวิจัย 3 1.4 ระเบียบวิธีวิจัย 3 1.5 ประโยชนที่คาดวาจะไดรับ 3 1.6 โครงสรางวิทยานิพนธ 4 2. ทฤษฎีและหลักการ 5 2.1 คุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตย 5 2.2 วิธีการหาจุดจายกําลังสูงสุด 8 2.3 การสรางกระแสรูปคลื่นไซน 14 2.4 ตัวแปลงผันแบบทบระดับ 14 2.5 อินเวอรเตอร 18 2.6 ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอล 19 3. การดําเนินงานวิจัย 25 3.1 แบบจําลองระบบเชื่อมตอกริด 25
- 7. ฉ 3.2 การออกแบบฮารดแวร 31 3.3การควบคุม 42 3.4 ตูจําลองแสงอาทิตยเทียม 46 4. ผลการทดลอง 48 4.1 พารามิเตอรของระบบ 48 4.2 การทดลองในตูจําลองแสงอาทิตยเทียม 49 4.3 การทดลองกับแสงอาทิตยจริง 58 5. บทสรุปและขอเสนอแนะ 61 5.1 บทสรุป 61 5.2 ขอเสนอแนะ 61 เอกสารอางอิง 63 ภาคผนวก 65 ก โครงสรางของชิ้นงานที่ใชในการทดลอง 65 ข โปรแกรมควบคุมการทํางาน 67 ประวัติผูวิจัย 81
- 8. ช รายการตาราง ตาราง หนา 2.1 เงื่อนไขที่ใชในการหาจุดจายกําลังสูงสุด14 3.1 ลําดับการทํางานของสวิตชอินเวอรเตอร 46 4.1 คุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตยที่ปริมาณแสงตางๆ 49 4.2 คุณลักษณะของระบบเชื่อมตอกริด 50 4.3 ประสิทธิภาพของระบบเชื่อมตอกริดที่ปริมาณแสงตางๆ 51 4.4 คุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตยที่เวลาตางๆ 59 4.5 คุณลักษณะ และประสิทธิภาพของระบบเชื่อมตอกริดที่เวลาตางๆ 59
- 9. ซ รายการรูปประกอบ รูป หนา 1.1 ระบบที่ทํางานแบบโดดเดี่ยว1 1.2 ระบบใชงานแบบไฮบริดจ 1 1.3 ระบบเชื่อมตอกริด 2 2.1 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตย 5 2.2 วงจรสมมูลของเซลลแสงอาทิตย 6 2.3 กราฟคุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตย 6 2.4 กราฟคุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตยที่สภาวะตางๆ 7 2.5 รูปแบบของเซลลแสงอาทิตย 8 2.6 ผลของโหลดตอเซลลแสงอาทิตย 8 2.7 ลักษณะการเบี่ยงเบนจากจุดจายกําลังสูงสุดของวิธี P&Oโดยที่ Po3 > Po2 > Po1 แต 9 Po3 < PMAX(S3)และ Po2 < PMAX(S2) 2.8 กราฟกําลังไฟฟา-แรงดันของเซลลแสงอาทิตย 10 2.9 ระบบเชื่อมตอกริดแบบเฟสเดียว 11 2.10 รูปคลื่นสัญญาณที่เกิดขึ้นในระบบเชื่อมตอกริด 12 2.11 ยานการทํางานของเซลลแสงอาทิตย 12 2.12 แรงดันตกครอมตัวเก็บประจุ และกําลังไฟฟาที่ไดจากเซลลแสงอาทิตย 13 2.13 การควบคุมแบบฮีสเตอริซีส 14 2.14 วงจรตัวแปลงผันแบบทบระดับ 15 2.15 รูปคลื่นการทํางานของวงจรแปลงผันแบบทบระดับ 15 2.16 วงจรสมมูลของตัวแปลงผันแบบทบระดับ 16 2.17 อินเวอรเตอรเชื่อมตอกริดแบบแหลงจายแรงดัน 19 2.18 โครงสรางการทํางานของตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอล ADMC331 20 2.19 การควบคุมสัญญาณพีดับบลิวเอ็ม 20 2.20 สัญญาณพีดับบลิวเอ็มในโหมดชวงสัญญาณขาลง 22 2.21 โครงสรางตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเปนสัญญาณดิจิตอล 23 2.22 การอานคาสัญญาณอนาล็อก 24 3.1 ระบบเชื่อมตอกริด 25 3.2 แบบจําลองระบบเชื่อมตอกริด 26
- 10. ฌ 3.3 กราฟกระแส-แรงดันของเซลลแสงอาทิตยรุน MSX-30L27 3.4 แบบจําลองตัวแปลงผันแบบทบระดับ 28 3.5 แบบจําลองอินเวอรเตอรเฟสเดียวแบบเชื่อมตอกริด 28 3.6 การควบคุมการสรางกระแสรูปคลื่นไซน 29 3.7 กราฟแรงดัน กระแส และกําลังไฟฟาเทียบกับเวลาที่ไดจากการหาจุดจายกําลังสูงสุด 30 3.8 กราฟการเปลี่ยนจุดทํางานของเซลลแสงอาทิตยขณะตามหาจุดจายกําลังสูงสุด 31 3.9 กระแสเชื่อมตอกริดขณะตามหาจุดจายกําลังสูงสุด 31 3.10 การตอพีวีอารเรยขนาด 120 วัตต 32 3.11 ฟงกชั่นการทํางานของ MAX196 34 3.12 การแปลงคาสัญญาณดิจิตอลดวยวิธีการแบบ 2 จุด 35 3.13 ฟงกชั่นการทํางานของ HCPL-788J 37 3.14 วงจรใชงานของ HCPL-788J 38 3.15 ตําแหนงตัววัดสัญญาณอนาล็อก 39 3.16 การวัดสัญญาณของ LV25-P 39 3.17 การวัดสัญญาณของ LTA50P/SP1 40 3.18 วงจรขยายและยกระดับแรงดัน 40 3.19 วงจรขับสวิตช 41 3.20 ลักษณะการตอวงจรขับ 42 3.21 แผนภาพการทํางานของโปรแกรมควบคุม 43 3.22 แผนภาพแสดงการหาจุดจายกําลังสูงสุด 44 3.23 แผนภาพแสดงการสรางรูปคลื่นกระแสไซนจายเขากริด 45 3.24 การวางตําแหนงของหลอดไฟ และที่บังแสงในตูจําลองแสงอาทิตยเทียม 47 4.1 การวัดคุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตย 48 4.2 การวัดแรงดัน และกระแสในระบบเชื่อมตอกริด 48 4.3 กราฟกําลังไฟฟาของระบบที่ปริมาณแสงตางๆ 51 4.4 รูปคลื่นแรงดัน และกระแสอินพุตของเซลลแสงอาทิตย 52 4.5 รูปคลื่นแรงดัน และกระแสที่เชื่อมตอกับระบบกริด 52 4.6 รูปคลื่นแรงดัน และกระแสอินพุตของเซลลแสงอาทิตย 53 4.7 รูปคลื่นแรงดัน และกระแสที่เชื่อมตอกับระบบกริด 53 4.8 รูปคลื่นแรงดัน และกระแสอินพุตของเซลลแสงอาทิตย 54 4.9 รูปคลื่นแรงดัน และกระแสที่เชื่อมตอกับระบบกริด 54 4.10 รูปคลื่นแรงดัน และกระแสอินพุตของเซลลแสงอาทิตย 55
- 11. ญ 4.11 รูปคลื่นแรงดัน และกระแสที่เชื่อมตอกับระบบกริด55 4.12 แรงดัน และกระแสของเซลลแสงอาทิตยเมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงปริมาณแสง 56 แบบทันทีทันใด 4.13 แรงดัน และกระแสของเซลลแสงอาทิตยเมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงปริมาณแสง 57 แบบทันทีทันใด 4.14 แรงดันตกครอมอินเวอรเตอร (Vab) 57 4.15 แรงดัน และกระแสของตัวเหนี่ยวนําของอินเวอรเตอร 58 4.16 กราฟกําลังไฟฟาที่เวลาใดๆ 60 5.1 การมอดูเลตความกวางพัลสความถี่คงตัวโดยการควบคุมรูปคลื่นของกระแส 62 ก.1 ฮารดแวรที่ใชในการทดลอง 66 ก.2 ตูจําลองแสงอาทิตยเทียม 66
- 12. ฎ รายการสัญลักษณ +HT = คาแรงดันอินพุตดานบวกที่อานเขาLEM LV25-P −HT = คาแรงดันอินพุตดานลบที่อานเขา LEM LV25-P ∆I = กระแสกระเพื่อมของตัวเหนี่ยวนําของตัวแปลงผันแบบทบระดับ ∆ Cv = แรงดันกระเพื่อมของตัวเก็บประจุของตัวแปลงผันแบบทบระดับ A = Ideality Factor CC = ตัวเก็บประจุดานเอาตพุตของตัวแปลงผันแบบทบระดับ SC = ตัวเก็บประจุสําหรับกรองระลอกแรงดันของเซลลแสงอาทิตย D = วัฎจักรการทํางานของสวิตชตัวแปลงผันแบบทบระดับ GE = พลังงานระหวางชั้นของสารกึ่งตัวนํา Sf = ความถี่สวิตชชิ่ง I = กระแสเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตย aI = กระแสเอาตพุตของตัวแปลงผันแบบทบระดับ CONI = กระแสควบคุม gridI = กระแสที่จายเขาระบบกริด inI = กระแสอินพุตของตัวแปลงผันแบบทบระดับ LoadI = กระแสโหลด MAXI = กระแสที่จุดจายกําลังสูงสุดของเซลลแสงอาทิตย PhI = กระแสที่เซลลแสงอาทิตยสรางขึ้นเมื่อไดรับปริมาณแสง rI = กระแสอิ่มตัวยอนกลับ refI = สัญญาณกระแสอางอิง rrI = กระแสอิ่มตัวยอนกลับที่อุณหภูมิอางอิง 298 เคลวิน SCI = กระแสลัดวงจรของเซลลแสงอาทิตย SCRI = กระแสลัดวงจรที่ปริมาณแสง และอุณหภูมิอางอิง (S = 1,000 W/m2 , T = 298 K) K = คาคงที่ของโบลซมัน ( 1.3805*10-23 JK-1 ) iK = คาสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของกระแสลัดวงจร L = ตัวเหนี่ยวนําสําหรับกรองกระแสเอาตพุตของอินเวอรเตอร CL = ตัวเหนี่ยวนําของตัวแปลงผันแบบทบระดับ PN = จํานวนเซลลแสงอาทิตยที่ตอขนานกัน
- 13. ฏ SN = จํานวนเซลลแสงอาทิตยที่ตออนุกรมใน1 โมดูล gridP = กําลังไฟฟาที่จายเขาระบบกริด inP = กําลังไฟฟาอินพุตของตัวแปลงผันแบบทบระดับ MAXP = กําลังไฟฟาที่จุดจายกําลังสูงสุดของเซลลแสงอาทิตย q = ประจุอิเล็กตรอน 1R = ความตานทานที่ใชอานคาแรงดันของเซลลแสงอาทิตยเขา HCPL-788J 2R = ความตานทานที่ใชอานคากระแสของเซลลแสงอาทิตยเขา HCPL-788J 3R = ความตานทานที่ใชอานคาแรงดันกริดเขา LEM LV25-P GR = ความตานทานที่ตออยูระหวางชุดขับกับไอจีบีที MR = ความตานทานที่ใชอานคาแรงดันเอาตพุตของ LEM OR = ความตานทานเอาตพุตของตัวแปลงผันแบบทบระดับ S = ปริมาณแสงอาทิตย (วัตตตอตารางเมตร) T = อุณหภูมิในหนวยเคลวิน PT = คาบเวลาการทํางานของสวิตช rT = อุณหภูมิอางอิงในหนวยเคลวิน (298 K) offt = ชวงเวลาหยุดทํางานของสวิตช ont = ชวงเวลาทํางานของสวิตช V = แรงดันเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตย aV = แรงดันเอาตพุตของตัวแปลงผันแบบทบระดับ CCV = แหลงจายแรงดันคงที่ GV = สัญญาณขับสวิตช GEV = แรงดันตกครอมขาเกตกับขาอีมิตเตอรของไอจีบีที gridV = แรงดันกริด INV = แรงดันอินพุตของตัวแปลงผันแบบทบระดับ +INV = คาแรงดันอินพุตดานบวกที่อานเขา HCPL-788J −INV = คาแรงดันอินพุตดานลบที่อานเขา HCPL-788J MAXV = แรงดันที่จุดจายกําลังสูงสุดของเซลลแสงอาทิตย OCV = แรงดันขณะเปดวงจรของเซลลแสงอาทิตย outV = แรงดันเอาตพุตของ HCPL-788J
- 14. ฐ refV = แรงดันอางอิงของHCPL-788J SV = แหลงจายไฟกระแสตรง senseV = แรงดันอินพุตของตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเปนสัญญาณดิจิตอล ZV = แรงดันตกครอมซีเนอรไดโอด ηmppt% = เปอรเซ็นตประสิทธิภาพของการหาจุดจายกําลังสูงสุด ηcon% = เปอรเซ็นตประสิทธิภาพการทํางานของตัวแปลงผันแบบทบระดับ และอินเวอรเตอร ηtotal% = เปอรเซ็นตประสิทธิภาพรวมของระบบ
- 15. ฑ ประมวลศัพทและคํายอ ADC = analogto digital converter ALU = arithmetic and logic unit DSP = digital signal processor MAC = multiplier/accumulator PIO = digital I/O port pin PWM = pulse width modulation RAM = random access memory ROM = read only memory SPORT = serial port
- 16. บทที่ 1 บทนํา 1.1ปญหาและที่มาของงานวิจัย ในปจจุบันนี้วัตถุดิบที่ใชผลิตไฟฟาเชนน้ํามัน ถานหิน กาซธรรมชาติ มีปริมาณลดลงเรื่อยๆ ดังนั้น การหาพลังงานอยางอื่นมาทดแทนจึงมีความจําเปน ซึ่งแหลงพลังงานที่นาสนใจคือพลังงานจาก แสงอาทิตยเนื่องจากเปนพลังงานสะอาดไมสรางผลกระทบตอสิ่งแวดลอม และสามารถพบไดทั่วโลก การเปลี่ยนพลังงานจากแสงอาทิตยมาเปนพลังงานไฟฟาโดยตรงสามารถทําไดโดยใช เซลลแสงอาทิตย ระบบที่ใชพลังงานจากแสงอาทิตยมี 3 ระบบคือ 1. ระบบที่ทํางานแบบโดดเดี่ยว (Stand-Alone System) เปนระบบที่ใชงานในสถานที่หางไกลหรือไม มีระบบสายสงไฟฟาไปถึง โดยเก็บพลังงานไฟฟาไวในแบตเตอรี่ และใชอินเวอรเตอรสรางไฟฟา กระแสสลับสําหรับจายโหลดโดยมีไดอะแกรมการทํางานดังรูปที่ 1.1 การใชงานหลักของระบบนี้ จะใชสําหรับชารจแบตเตอรรี่ และใชกับมอเตอรปมน้ํา รูปที่ 1.1 ระบบที่ทํางานแบบโดดเดี่ยว 2. ระบบไฮบริดจ (Hybrid System) จะเปนระบบที่นําเซลลแสงอาทิตยมาใชรวมกับเครื่องกําเนิด ไฟฟาแบบดีเซล (Diesel Generator) เพื่อชวยจายไฟฟาใหกับระบบ ซึ่งทําใหระบบสามารถจาย ไฟฟาไดตลอดเวลา โดยไดอะแกรมการทํางานแสดงในรูปที่ 1.2 รูปที่ 1.2 ระบบใชงานแบบไฮบริดจ Diesel Generator Power Conditioning and Control Battery AC Load PV CELL Charge regulator unit Battery AC Load PV CELL Inverter
- 17. 2 3. ระบบเชื่อมตอกริด (Grid-ConnectedSystem) เปนระบบที่สรางไฟฟากระแสสลับที่มีความถี่ เดียวกับระบบกริดเพื่อจายโหลด และจายกําลังสวนที่เหลือใหกับระบบกริด โดยไดอะแกรมการ ทํางานแสดงในรูปที่ 1.3 รูปที่ 1.3 ระบบเชื่อมตอกริด ในการนําเอาเซลลแสงอาทิตยมาใชกับระบบตางๆ จะตองหาจุดการทํางานของเซลลแสงอาทิตยที่จาย กําลังไฟฟาสูงสุด เนื่องจากกําลังไฟฟาที่สรางขึ้นได ณ เวลาใดเวลาหนึ่งจะแปรผันตามการ เปลี่ยนแปลงของสภาพบรรยากาศ และโหลด นอกจากนี้เซลลแสงอาทิตยยังมีราคาสูง ดังนั้นจึงตอง หาวิธีในการดึงเอากําลังไฟฟาสูงสุดที่เซลลแสงอาทิตยสามารถจายไดในขณะนั้นมาใช ซึ่งมีวิธีการ ตางๆ เชน วิธีเทียบสัดสวนแรงดันขณะเปดวงจร (A fixed percentage of the open circuit voltage) [1, 5] วิธีการรบกวนและการสังเกต (Perturbation and Observation) [2, 5] วิธีเพิ่มคาความนํา (Incremental Conductance) [3, 5] และการหาจุดจายกําลังสูงสุดดวยหลักการของระลอกคลื่น (A ripple-based maximum power point tracking) [4] สวนหลักการที่ใชสรางกระแสรูปคลื่นไซนจาย เขาระบบกริดจะมีหลักการตางๆ เชนหลักการควบคุมแบบฮีสเตอริซีส (Hysteresis Control) [6, 11] หลักการทํานายกระแส (Predictive Current Control) [7] และวิธีการมอดูเลตแบบพัลส-ไซน (Sinusoidal Pulse Width Modulation: SPWM) [6,11] ในวิทยานิพนธนี้เสนอการนําเทคนิคการเพิ่มคาความนํามาใชควบคุมวัฎจักรการทํางานของสวิตช ตัวแปลงผันแบบทบระดับเพื่อหาจุดจายกําลังสูงสุดของเซลลแสงอาทิตย ซึ่งวิธีนี้เปนวิธีที่งาย ไมซับซอน มีประสิทธิภาพสูงในการหาจุดจายกําลังสูงสุด และใชหลักการควบคุมแบบฮีสเตอริซีส ควบคุมการสรางกระแสรูปคลื่นไซนที่จายเขากับระบบกริด โดยควบคุมการทํางานของระบบดวยตัว ประมวลผลสัญญาณดิจิตอล ADMC331 ของ บริษัท Analog Device 1.2 วัตถุประสงคของงานวิจัย 1. เพื่อศึกษาแบบจําลอง และคุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตย 2. เพื่อศึกษาการหาจุดจายกําลังสูงสุดของเซลลแสงอาทิตย Power Conditioning and Control Grid PV CELL AC Load
- 18. 3 3. เพื่อศึกษาระบบเชื่อมตอกริด 4. เพื่อศึกษาการใชงานตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอลADMC331 ของบริษัท Analog Device ในการ ควบคุมการทํางานของระบบ 1.3 ขอบเขตของงานวิจัย 1. ออกแบบระบบใหสามารถติดตามหาจุดจายกําลังสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยได 2. ออกแบบระบบใหสามารถแปลงไฟฟากระแสตรงจากเซลลแสงอาทิตยใหเปนไฟฟากระแสสลับ จายกระแสรูปคลื่นไซนที่มีเฟสตรงกับเฟสแรงดันของระบบกริดเขาระบบกริดได 1.4 ระเบียบวิธีวิจัย 1. ศึกษาคุณลักษณะการทํางานของเซลลแสงอาทิตย และการหาจุดจายกําลังสูงสุดดวยวิธีเพิ่มคา ความนํา 2. ศึกษาอินเวอรเตอรระบบเชื่อมตอกริด 3. สรางแบบจําลองเซลลแสงอาทิตย และการเชื่อมตอเขากับระบบดวยโปรแกรม MATLAB/SIMULINK 4. ศึกษาการใชงานตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอล ADMC331 ของ บริษัท Analog Device 5. ออกแบบฮารดแวรและเขียนโปรแกรมควบคุมการหาจุดจายกําลังสูงสุด และการสรางกระแส รูปคลื่นไซนจายเขาระบบกริด 6. ทดลอง และสรุปผลการทํางานของระบบควบคุม 1.5 ประโยชนที่คาดวาจะไดรับ 1. ไดทราบคุณลักษณะการทํางานของเซลลแสงอาทิตย 2. สามารถวิเคราะห และออกแบบฮารดแวรที่ใชงานได
- 19. 4 3. สามารถเขียนโปรแกรมควบคุมการทํางานของระบบบนตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอล ADMC331 ใหสามารถดึงกําลังไฟฟาสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยมาจายเขาสูระบบกริดได 1.6โครงสรางวิทยานิพนธ บทที่ 2 จะกลาวถึงทฤษฎีที่เกี่ยวของกับวิทยานิพนธฉบับนี้ไดแก คุณลักษณะการทํางานของเซลล แสงอาทิตย เทคนิคการหาจุดจายกําลังสูงสุด การควบคุมการสรางกระแสรูปคลื่นไซนดวยหลักการฮิส เตอรีซิส การทํางานของตัวแปลงผันแบบทบระดับ การทํางานของอินเวอรเตอร และโครงสรางการ ทํางานของตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอล ในบทที่ 3 จะเปนสวนขั้นตอนการดําเนินงานตั้งแตการใช โปรแกรม MATLAB/SIMULINK จำลองการทํางานของเซลลแสงอาทิตย และการทํางานของระบบ เชื่อมตอกริด โครงสรางของอุปกรณที่ใชในวิทยานิพนธ การออกแบบโปรแกรมควบคุมการทํางาน ของระบบบนตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอล ADMC331 และโครงสรางของตูจําลองแสงอาทิตยเทียม สวนบทที่ 4 จะเปนผลการทดลองการหาจุดจายกําลังสูงสุดของเซลลแสงอาทิตย และการเชื่อมตอ เซลลแสงอาทิตยเขากับระบบกริดโดยทดลองกับตูจําลองแสงอาทิตยเทียม และการทดลองกับ แสงอาทิตยจริง และบทที่ 5 จะเปนบทสรุปการทํางานทั้งหมด และขอเสนอแนะตางๆ
- 20. บทที่ 2 ทฤษฎีและหลักการ ในบทนี้จะกลาวถึงทฤษฎีที่เกี่ยวของ ไดแกคุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตย การหาจุดจายกําลังสูงสุด การทํางานของตัวแปลงผันแบบทบระดับ อินเวอรเตอรและการทํางานของตัวประมวลผลสัญญาณ ดิจิตอล 2.1 คุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตย เซลลแสงอาทิตย 1 เซลลจะประกอบดวยสารกึ่งตัวนําชนิดพี สารกึ่งตัวนําชนิดเอ็น และชั้นระหวาง สารกึ่งตัวนําพีและเอ็น (P-N Junction) ซึ่งทั้งหมดนี้ประกอบกันเปนแผนบางๆ ที่เรียกวาเวเฟอรดังรูป ที่ 2.1 เมื่อเซลลแสงอาทิตยไดรับแสงอาทิตยพลังงานจากแสงอาทิตยที่เรียกวาโฟตอนจะทําใหสารกึ่ง ตัวนําแยกตัวเปนคูของโฮลและอิเล็กตรอน โดยโฮลจะวิ่งไปดานสารกึ่งตัวนําชนิดพีทําใหเกิด ศักดาไฟฟาบวก สวนอิเล็กตรอนจะวิ่งไปดานสารกึ่งตัวนําชนิดเอ็นทําใหเกิดศักดาไฟฟาลบ เมื่อนํา โหลดมาตอก็จะเกิดการไหลของกระแสไฟฟา รูปที่ 2.1 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตย สารกึ่งตัวนําที่นํามาใชผลิตเซลลแสงอาทิตยสวนมากจะเปนซิลิกอนเนื่องจากเปนวัตถุดิบที่มีอยู จํานวนมากบนโลก โดยแบงไดเปน 3 ประเภทคือ 1. ซิลิกอนแบบผลึกเดี่ยว (Monocrystalline Si cells) จะมีประสิทธิภาพ 15-24 เปอรเซ็นต และ สามารถตอบสนองตอแสงในแถบความยาวคลื่นกวาง โดยมีประสิทธิภาพที่ดีในชวงความยาวคลื่น ยาวของแสงอาทิตย เซลลชนิดนี้มีเสถียรภาพทางประสิทธิภาพดี 2. ซิลิกอนแบบหลายผลึก (Polycrystalline Si cells) จะมีประสิทธิภาพ 10-17 เปอรเซ็นต และ สามารถตอบสนองตอแสงในแถบความยาวคลื่นกวาง + + + + - - - light Negative electrode Positive electrode Negative doped silicon (N type) Positive doped silicon (P type) PN Junction I
- 21. 6 3. ซิลิกอนแบบอะมอรฟส (AmorphousSi cells) จะมีประสิทธิภาพ 8-13 เปอรเซ็นต และสามารถ ตอบสนองตอแสงไดดีในชวงความยาวคลื่นสั้นของแสงอาทิตย รูปที่ 2.2 วงจรสมมูลของเซลลแสงอาทิตย รูปที่ 2.3 กราฟคุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตย จากโครงสรางของเซลลแสงอาทิตยสามารถนํามาเขียนเปนวงจรสมมูลในรูปของแหลงจายกระแสตอ ขนานกับไดโอด และไดกราฟคุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตยดังรูปที่ 2.2 และ 2.3 จากกราฟกระแส- แรงดันจะพบวามีจุดที่สําคัญ 2 จุดคือแรงดันขณะเปดวงจร (VOC) และกระแสลัดวงจร (ISC) โดยขณะที่ เกิดการลัดวงจรของเซลลแสงอาทิตยกระแสที่สรางขึ้นไดจะไหลผานวงจรภายนอก สวนขณะเปด วงจรของเซลลแสงอาทิตยกระแสที่สรางขึ้นไดจะไหลผานไดโอดที่ตอขนานภายในเซลล จากวงจร สมมูลสามารถเขียนสมการความสัมพันธของกระแสและแรงดันอยางงายเมื่อละคาความตานทาน ขนาน (Rsh) และคาความตานทานอนุกรม (Rs) ไดดังสมการ (2.1), (2.2) และ (2.3) [3] ( )⎡ ⎤= − − ⎢ ⎥⎣ ⎦ P Ph P r S qV I N I N I exp 1AKTN (2.1) ( )⎡ ⎤⎡ ⎤= − ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ 3 G r rr r r qET 1 1I I expT kA T T (2.2) ( )⎡ ⎤= + −⎣ ⎦Ph SCR i r SI I k T T 100 (2.3) จากสมการ (2.1), (2.2), (2.3) และวงจรสมมูลในรูปที่ 2.2 พบวาคุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตยจะ ขึ้นอยูกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ปริมาณแสงที่ตกกระทบบนเซลลแสงอาทิตย และโหลดที่ตอ Rs Rsh RoIPh V + - I ISC IMAX I/P VMAX PMAX VOC V
- 22. 7 อยูในวงจร เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิจะมีผลตอแรงดันที่จายออกมาของเซลลแสงอาทิตย ในขณะที่การเปลี่ยนแปลงปริมาณแสงจะมีผลตอกระแสที่จายไดของเซลลแสงอาทิตยดังรูปที่ 2.4 รูปที่2.4 กราฟคุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตยที่สภาวะตางๆ เนื่องจากเซลลแสงอาทิตยที่ผลิตจากผลึกซิลิกอนขนาด 1 ตารางเซนติเมตรจะมีแรงดันขณะเปดวงจร ประมาณ 0.6-0.7 โวลต และกระแสลัดวงจร 20 – 40 มิลลิแอมป ดังนั้นถาตองการเพิ่มแรงดันไฟฟาก็ ทําไดโดยการนําเซลลแสงอาทิตยมาตออนุกรมกัน และถาตองการเพิ่มปริมาณกระแสก็ทําไดโดยการ นําเซลลแสงอาทิตยมาตอขนานกัน ซึ่งการนําเอาเซลลแสงอาทิตยยอยเหลานี้มารวมกันเปนเซลล แสงอาทิตยหนวยใหญขึ้นจะเรียกวาพีวีโมดูล หากนําพีวีโมดูลมาตอเพื่อเพิ่มปริมาณทางไฟฟาก็จะ เรียกวาเปนพีวีพาแนล และการนําพีวีพาแนลมาตอรวมกันเปนระบบใหญจะเรียกวาพีวีอารเรยดังรูปที่ 2.5 0 5 10 15 20 Voltage (V) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Current(A) 1 2 3 4 0 5 10 15 20 25 30 35 Power(W) 0 5 10 15 20 25 Voltage (V) 25 1 2 3 4 T = 25°C 1. 1000 W/m2 2. 900 W/m2 3. 800 W/m2 4. 700 W/m2 ก) เมื่อปริมาณแสงเปลี่ยนในขณะที่อุณหภูมิคงที่ 0 5 10 15 20 25 30 35 0 5 10 15 20 25 1 2 3 4 Voltage (V) Power(W) 0 5 10 15 20 25 0 0.5 1 1.5 2 2.5 1 2 3 4 Voltage (V) Current(A) S = 1000 W/m2 1. 0°C 2. 25°C 3. 50°C 4. 75°C ข) เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนในขณะที่ปริมาณแสงคงที่
- 23. 8 รูปที่ 2.5 รูปแบบของเซลลแสงอาทิตย 2.2วิธีการหาจุดจายกําลังสูงสุด การจายกําลังสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยใหกับโหลดพบวาเสนกราฟคุณลักษณะของโหลด (Load line) จะตองเหมาะสมกับเสนกราฟระหวางแรงดันและกระแสของเซลลแสงอาทิตยดังรูปที่ 2.6 พบวาจากเสนกราฟคุณลักษณะของโหลดที่แสดงดวยเสน OA เซลลแสงอาทิตยจะจายกําลังเปน P1 ซึ่งมีคานอยกวากําลังที่เซลลแสงอาทิตยสามารถจายไดสูงสุดคือ P2 ดังนั้นจึงมีเทคนิคตางๆ ในการหา จุดจายกําลังสูงสุดของเซลลแสงอาทิตย รูปที่ 2.6 ผลของโหลดตอเซลลแสงอาทิตย 2.2.1 วิธีเทียบสัดสวนแรงดันขณะเปดวงจร (A fixed percentage of the open-circuit voltage) [1] วิธีนี้จะตั้งอยูบนพื้นฐานที่วาแรงดันที่จุดจายกําลังสูงสุดจะมีความสัมพันธเปนเชิงเสนกับแรงดันขณะ เปดวงจร โดยกําหนดใหแรงดันที่จุดจายกําลังสูงสุดมีคาประมาณ 76 เปอรเซ็นตของแรงดันขณะเปด วงจร แตเนื่องจากแรงดันขณะเปดวงจรไมคงที่ในแตละเวลาดังนั้นการทํางานของวิธีนี้จะทํางานเปน คาบเวลาโดยตัดโหลดออกเพื่อวัดขนาดแรงดันขณะเปดวงจรเพื่อนําไปหาแรงดันที่จุดจายกําลังสูงสุด PV ArrayPV PanelPV ModulePV Cell P1 P2 VMAXV VOC IMAX I ISC IPV VPV P2 > P1 load curve O A
- 24. 9 (โดยทั่วไปจะตัดโหลดออกทุกๆ 1 วินาทีเปนเวลา10-50 ms) ซึ่งขอเสียของวิธีนี้คือจะทําใหการ ทํางานของโหลดไมตอเนื่อง 2.2.2 วิธีการรบกวนและการสังเกต (Perturbation and Observation: P&O) [2] วิธีนี้เปนวิธีที่งายไมซับซอนทํางานเปนคาบเวลาโดยใชการเปรียบเทียบกําลังไฟฟาของเซลล แสงอาทิตยในคาบเวลาปจจุบันกับคาบเวลากอนดังสมการ (2.4) = − −dP P(k) P(k 1) (2.4) โดยถาอัตราการเปลี่ยนแปลงกําลังไฟฟามีคาเปนบวกระบบจะปรับทิศทางของแรงดัน (เพิ่มหรือลด แรงดัน) ตามทิศทางเดิม และถาอัตราการเปลี่ยนแปลงกําลังไฟฟามีคาเปนลบระบบจะปรับทิศทางของ แรงดันสวนทางกับทิศทางเดิมเพื่อวิ่งเขาหาจุดจายกําลังสูงสุด ซึ่งวิธีนี้สามารถทํางานไดดีที่สภาวะคง ตัว (สภาวะที่ปริมาณแสง และอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงอยางชาๆ) แตจะมีขอเสียคือเมื่อเกิดการ เปลี่ยนแปลงปริมาณแสงอยางรวดเร็วจะทําใหการตามหาจุดจายกําลังสูงสุดผิดพลาดไดดังรูปที่ 2.7 รูปที่ 2.7 ลักษณะการเบี่ยงเบนจากจุดจายกําลังสูงสุดของวิธี P&O โดยที่ Po3 > Po2 > Po1 แต Po3 < PMAX(S3) และ Po2 < PMAX(S2) [2] จากรูปที่ 2.7 สมมติจุดการทํางานเริ่มตนของเซลลแสงอาทิตยอยูที่จุด 1 ซึ่งเปนจุดจายกําลังสูงสุดที่ ปริมาณแสง S1 เมื่อรบกวนระบบครั้งตอไปในขณะที่ปริมาณแสงเพิ่มขึ้นเปน S2 จะไดคากําลังไฟฟา ที่จุดที่ 2 ซึ่งมีกําลังไฟฟามากกวาจุดที่ 1 แตนอยกวาจุดที่ 4 ซึ่งเปนจุดจายกําลังสูงสุดของปริมาณแสง S2 ระบบก็จะปรับเพิ่มแรงดันขึ้นซึ่งทําใหจุดทํางานวิ่งออกจากจุดจายกําลังสูงสุดของปริมาณแสง S2 และเมื่อรบกวนระบบอีกครั้งในขณะที่ปริมาณแสงเพิ่มขึ้นเปน S3 จะไดคากําลังไฟฟาที่จุด 3 ซึ่งมี
- 25. 10 กําลังไฟฟามากกวาจุดที่ 2 แตนอยกวาจุดที่5 ซึ่งเปนจุดที่ใหกําลังไฟฟาสูงสุดของปริมาณ S3 ระบบก็ จะปรับเพิ่มแรงดันขึ้นอีกทําใหจุดการทํางานเบี่ยงเบนไปจากจุดจายกําลังสูงสุดทําใหไมสามารถดึง กําลังสูงสุดมาใชได สวนการที่ระบบจะสามารถกลับมาหาจุดจายกําลังสูงสุดไดอยางถูกตองอีกครั้งจะ เกิดขึ้นก็ตอเมื่อปริมาณแสงมีการเปลี่ยนแปลงชาลง หรือเขาสูสภาวะคงตัว 2.2.3 วิธีเพิ่มคาความนํา (Incremental Conductance: IncCond) [3] จากกราฟกําลังไฟฟา-แรงดันของเซลลแสงอาทิตยในรูปที่ 2.8 จะไดความสัมพันธของอัตราการ เปลี่ยนแปลงกําลังไฟฟาตออัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดันเปน รูปที่ 2.8 กราฟกําลังไฟฟา-แรงดันของเซลลแสงอาทิตย - ถา >dP 0dV แสดงวาจุดทํางานอยูทางดานซายของจุดจายกําลังสูงสุด - ถา =dP 0dV แสดงวาจุดทํางานอยูที่จุดจายกําลังสูงสุด - ถา <dP 0dV แสดงวาจุดทํางานอยูทางดานขวาของจุดจายกําลังสูงสุด ดังนั้นถาเราจัด dP dV ใหมใหอยูในรูปของกระแส และแรงดันจะไดสมการเปน ( ) = d VIdP dV dV = +dP dV dII VdV dV dV = +dP dII VdV dV (2.5) ดังนั้นที่จุดจายกําลังสูงสุดจะไดคาเปน + =dII 0V dV (2.6) P VMAX PMAX Voc V dP dV dP 0 dV > dP 0 dV <
- 26. 11 โดย I V คือคาความนําของเซลลแสงอาทิตยและ dI dV คือคาอัตราการเปลี่ยนแปลงความนํา ซึ่งถา ผลรวมของสมการ (2.6) มีคาเปนบวกแสดงวาระบบกําลังทํางานทางดานซายของจุดจายกําลังสูงสุด ตัวระบบก็จะปรับคาแรงดันเพิ่มขึ้น แตถาผลรวมมีคาเปนลบแสดงวาระบบทํางานอยูทางดานขวาของ จุดจายกําลังสูงสุดระบบก็จะปรับลดคาแรงดันลง และถาผลรวมมีคาเทากับศูนยแสดงวาระบบทํางาน ที่จุดจายกําลังสูงสุดระบบก็จะคงแรงดันเดิมนั้นไว วิธีนี้จะสามารถหาจุดจายกําลังสูงสุดไดแมจะเกิดการเปลี่ยนแปลงปริมาณแสงอยางรวดเร็ว แตก็มี ขั้นตอนการคํานวณเพิ่มขึ้น 2.2.4 การหาจุดจายกําลังสูงสุดดวยหลักการของระลอกคลื่น (A Ripple-Based Maximum Power Point Tracking) [4] จากคุณลักษณะของระบบเชื่อมตอกริดเฟสเดียวดังรูปที่ 2.9 จะทําใหกําลังไฟฟาทางดานไฟสลับมี ความถี่เปน 2 เทาของความถี่ระบบกริดทําใหเกิดระลอกคลื่นบนแรงดัน และกําลังไฟฟาทางดาน ไฟตรงจากระลอกคลื่นของทั้ง 2 สัญญาณสามารถนําไปใชหาจุดจายกําลังสูงสุดของเซลลแสงอาทิตย ไดโดยสัญญาณที่เกิดขึ้นแสดงดังรูปที่ 2.10 รูปที่ 2.9 ระบบเชื่อมตอกริดแบบเฟสเดียว ในการวิเคราะหการหาจุดจายกําลังสูงสุดดวยระลอกคลื่นแรงดันและกําลังไฟฟาจะพิจารณาเปน คาบเวลา รูปที่ 2.11 จะแสดงพื้นที่การทํางานของเซลลแสงอาทิตยจะแบงเปนพื้นที่สวน A, B และ C โดยพื้นที่สวน A จะมีแรงดันต่ํากวาแรงดันที่จุดจายกําลังสูงสุด พื้นที่สวน B จะมีแรงดันใกลกับ แรงดันที่จุดจายกําลังสูงสุด และพื้นที่สวน C จะมีแรงดันสูงกวาแรงดันที่จุดจายกําลังสูงสุด และเมื่อ จําลองการทํางานของเซลลแสงอาทิตยใหทํางานจากพื้นที่ C ไปยังพื้นที่ A (ที่เวลา 0 วินาที ถึง 0.6 วินาที) จะไดสัญญาณดังรูปที่ 2.12 ซึ่งพบวา - ในพื้นที่สวน A ระลอกคลื่นของแรงดัน และกําลังไฟฟามีคาสูงสุดหรือต่ําสุดที่เวลาเดียวกัน - ในพื้นที่สวน B จะมีระลอกคลื่นกําลังไฟฟาต่ํา และมีความถี่เพิ่มขึ้น GridS1 S3 S4S2 L Power Transformer PV Cell VPV IPV IL
- 27. 12 - ในพื้นที่สวน Cที่เวลาเดียวกันระลอกคลื่นของแรงดันจะมีคาสูงสุด (ต่ําสุด) ในขณะที่ ระลอกคลื่นของกําลังไฟฟาจะมีคาต่ําสุด (สูงสุด) - ระลอกคลื่นของกําลังไฟฟาจะมีคามากขึ้นเมื่อจุดทํางานเคลื่อนที่ออกจากจุดจายกําลังสูงสุด รูปที่ 2.10 รูปคลื่นสัญญาณที่เกิดขึ้นในระบบเชื่อมตอกริด [4] รูปที่ 2.11 ยานการทํางานของเซลลแสงอาทิตย [4] ก) กระแสที่จายเขาระบบกริด ข) กระแสที่จายจากเซลลแสงอาทิตย และแรงดันตกครอมตัวเก็บ t (mS) t (mS) t (mS) ค) กําลังไฟฟาที่ไดจากเซลล t (mS)
- 28. 13 รูปที่ 2.12 แรงดันตกครอมตัวเก็บประจุและกําลังไฟฟาที่ไดจากเซลลแสงอาทิตย [4] จากลักษณะดังกลาวสามารถที่จะนําไปใชปรับจุดทํางานใหเขาใกลจุดจายกําลังสูงสุดโดยการเพิ่มหรือ ลดคาแรงดันอางอิง (Vref) ดวยแรงดันคานอยๆ ซึ่งคาอัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดันจะเปนตัว ตรวจสอบเสนทางของจุดทํางานวาวิ่งเขาหรือวิ่งออกจากจุดจายกําลังสูงสุด สวนคาอัตราการ เปลี่ยนแปลงกําลังไฟฟาจะเปนตัวบอกพื้นที่ของจุดทํางานวาอยูในพื้นที่สวนใด (A, B หรือ C) จากรูป ที่ 2.12 เมื่อเปรียบเทียบคา P1n และ P2n พบวา P1n มีคามากกวา P2n แสดงวาจุดทํางานอยูในพื้นที่ A และ เมื่อเปรียบเทียบคา V2O และ V2n พบวา V2O มีคามากกวา V2n แสดงวาเสนทางการเดินของจุดทํางานวิ่ง ไปทางซายของกราฟกําลังไฟฟา-แรงดันของเซลลแสงอาทิตย สรุปไดวาขณะนี้จุดทํางานอยูในพื้นที่ A และกําลังวิ่งออกจากจุดจายกําลังสูงสุด ดังนั้นจะตองเพิ่มคาแรงดันอางอิงเพื่อไปควบคุมใหจุด ทํางานวิ่งเขาหาจุดจายกําลังสูงสุด โดยคาตัวแปรตางๆคือ (ดูรูปที่ 2.10 ประกอบ) P1n คือ คากําลังไฟฟาที่ไดในชวงที่ระลอกคลื่นแรงดันมีคาสูงสุดที่คาบเวลาปจจุบัน P2n คือ คากําลังไฟฟาที่ไดในชวงที่ระลอกคลื่นแรงดันมีคาต่ําสุดที่คาบเวลาปจจุบัน V2O คือ คาระลอกคลื่นแรงดันต่ําสุดที่คาบเวลากอน V2n คือ คาระลอกคลื่นแรงดันต่ําสุดที่คาบเวลาปจจุบัน แตถาจุดทํางานอยูในพื้นที่ B แรงดันอางอิงที่ใชจะแทนดวยแรงดันเฉลี่ย (Vmean) + = 1n 2n mean V V V 2 (2.7) ขั้นตอนการควบคุมการหาจุดจายกําลังสูงสุดแสดงดังตารางที่ 2 .1
- 29. 14 ตารางที่ 2.1 เงื่อนไขที่ใชในการหาจุดจายกําลังสูงสุด[4] 2.3 การสรางกระแสรูปคลื่นไซน การสรางกระแสรูปคลื่นไซนจะใชเทคนิคการควบคุมแบบฮิสเตอริซีส (Hysteresis Control) หรือ เรียกวาวิธีแบง-แบงกระแส (current bang-bang) ดังรูปที่ 2.13 โดยใชการเปรียบเทียบกระแสโหลดกับ กระแสอางอิงรูปไซน เมื่อกระแสโหลดมีคาเกินขอบเขตบนของกระแสอางอิงสวิตชก็จะตัดวงจรเพื่อ ลดกระแสโหลด และเมื่อกระแสโหลดลดลงต่ํากวาขอบลางของกระแสอางอิง สวิตชก็จะตอวงจรเพื่อ เพิ่มกระแสโหลดใหม การใชเทคนิคนี้จะมีขอดีคือไดรูปคลื่นของกระแสใกลเคียงไซน และสามารถ ควบคุมใหวงจรตอบสนองตอการเปลี่ยนความถี่หรือแอมพลิจูดของกระแสอางอิงไดอยางรวดเร็ว แต เนื่องจากความถี่ในการตัดตอวงจรจะไมคงที่ทําใหการวิเคราะหเชิงความถี่ และการกรองฮารมอนิกจะ มีความยุงยากขึ้น รูปที่ 2.13 การควบคุมแบบฮีสเตอริซีส 2.4 ตัวแปลงผันแบบทบระดับ (Boost Converter) ตัวแปลงผันแบบทบระดับเปนวงจรแปลงผันไฟตรง (DC-DC Converter) ชนิดหนึ่งที่จะทําใหแรงดัน ทางดานเอาตพุตมีคามากกวาแรงดันทางดานอินพุตดังวงจรในรูปที่ 2.14 การทํางานจะแบงเปน 2 Iref ILoad VG InverterVs Load Iref ILoad VG
- 30. 15 แบบคือแบบกระแสตอเนื่อง และแบบกระแสไมตอเนื่อง ในที่นี้จะกลาวถึงเฉพาะการทํางานในโหมด กระแสตอเนื่องที่ใชในงานวิจัยซึ่งมีรูปคลื่นการทํางานดังรูปที่ 2.15 และมีขั้นตอนการทํางาน 2 โหมด คือ รูปที่ 2.14 วงจรตัวแปลงผันแบบทบระดับ รูปที่ 2.15 รูปคลื่นการทํางานของวงจรแปลงผันแบบทบระดับ โหมดที่ 1 ชวงเวลา ontt0 ≤< โหมดที่ 1 จะเริ่มจากการที่สวิตช SB ตอวงจรที่เวลา t = 0 ถึงเวลา t = ton ในขณะที่ไดโอด D จะไดรับ แรงดันไบอัสกลับทําใหไมนํากระแส ซึ่งมีวงจรสมมูลดังรูปที่ 2.16 ก) กระแสที่ไหลผานตัวเหนี่ยวนํา จะเพิ่มขึ้นอยางเปนเชิงเสนจาก I1 ถึง I2 โดยแรงดันตกครอมตัวเหนี่ยวนําแสดงดังสมการ (2.8) และ ในชวงนี้ตัวเก็บประจุจะเปนตัวจายกระแสใหกับโหลด ซึ่งตัวเก็บประจุจะตองมีคามากพอที่จะจาย กระแสใหโหลดไดในชวงเวลา ton โดยกระแสเฉลี่ยของตัวเก็บประจุจะเทากับกระแสเฉลี่ยของโหลด t t t t t t VSB(t) Va IL(t) iD(t) iC(t) vc(t) io(t) Va Ia Ia I2 -Ia I1 -Ia I2 I1 I2 I1 IL DTP TP TP+DTP I vc 0 ton LOADVs Lc Cc SB D IC IL(t) io(t) + - Va + - VSB(t) iC(t) Ia iD(t)
- 31. 16 − ∆= =21 S C C on on I I IV L Lt t (2.8) ∆ = C on S L I t V (2.9) พลังงานที่เก็บในตัวเหนี่ยวนํามีคาเทากับ ( )= ∆ 21E L I2 = 2 2 S on 1 V t2L (2.10) โหมดที่ 2 ชวงเวลา < ≤on Pt t T ในโหมดนี้สวิตช SB จะตัดวงจรที่เวลา t = ton ซึ่งมีวงจรสมมูลดังรูปที่ 2.16 ข) กระแสที่เกิดขึ้นจะไหล ผานตัวเหนี่ยวนํา ไดโอด ตัวเก็บประจุ และโหลด โดยกระแสที่ไหลผานตัวเหนี่ยวนําจะลดลงอยาง เปนเชิงเสนจาก I2 สู I1 จนกระทั่งสวิตช SB ตอวงจรอีกครั้งในวัฎจักรการทํางานถัดไป รูปที่ 2.16 วงจรสมมูลของตัวแปลงผันแบบทบระดับ สําหรับแรงดันตกครอมตัวเหนี่ยวนําแสดงดังสมการ (2.11) ในโหมดนี้กระแสจากแหลงจายจะชารต ประจุใหกับตัวเก็บประจุ − ∆− = =2 1 a S C C off off I I IV V L Lt t (2.11) Lc IL(t) LOADVs CC IC io(t) + - Va iC(t) Ia vc(t) + - ก) โหมดที่ 1 LOADVs Lc Cc D IC IL(t) io(t) + - Va iC(t) Ia iD(t) vc(t) + - ข) โหมดที่ 2
- 32. 17 ∆ = − C off a S LI t V V (2.12) ในชวงสภาวะคงตัวกระแสกระเพื่อมของตัวเหนี่ยวนําในชวง ton และ toff จะมีคาเทากันดังนั้นจาก สมการ (2.9) และ (2.12) จะได ( )− ∆ = = a S offS on C C V V tV t I L L (2.13) แทนคา =on Pt DT และ ( )= −off Pt 1 D T ในสมการ (2.13) จะได ( )( )= − −S P a S PV DT V V 1 D T ( )= − − +a P S P S PV 1 D T V T V DT (2.14) เมื่อจัดรูปสมการ 2.14 จะไดความสัมพันธของแรงดันอินพุต และแรงดันเอาตพุตเปน = − S a V V 1 D (2.15) จากกฎทรงพลังงานจะไดวากําลังอินพุตเทากับกําลังเอาตพุตดังนั้นจะไดความสัมพันธของกระแส อินพุต และกระแสเอาตพุตเปน = − a in I I 1 D (2.16) จากสมการ (2.15) และ (2.16) จะเห็นวาคาของแรงดัน และกระแสเอาตพุตจะมีความสัมพันธกับ วัฎจักรการทํางานของสวิตช โดยที่คาบการทํางานของสวิตชหาไดจาก = = +P on off S 1T t tf ( ) ∆ = − C a S a S L V I V V V (2.17) แทนคาสมการ (2.15) ในสมการ (2.17) จะไดความสัมพันธของคากระแสกระเพื่อมของตัวเหนี่ยวนํา ∆ = S S V D I f L (2.18) พิจารณาที่ตัวเก็บประจุในสภาวะคงตัวผลคูณของกระแสดิสชารตประจุกับชวงเวลาที่สวิตชทํางาน จะ เทากับผลคูณของกระแสชารตประจุกับชวงเวลาที่สวิตชไมทํางาน ดังนั้นการหาแรงดันกระเพื่อมของ ตัวเก็บประจุจึงพิจารณาจากชวงสวิตชทํางานโดยกระแสเฉลี่ยของตัวเก็บประจุจะเทากับกระแสเฉลี่ย ของโหลดดังนี้ ∆ = − = ∫ ton c c c a C 0 1v v v (0) I dtC ∆ = a on c C I t v C (2.19) จากสมการ (2.15) เราสามารถจัดใหอยูในรูปของคา ton ไดดังนี้
- 33. 18 = =− −− S S P S P P P on V V T V T 1 D T DT T t (2.20) − = − =S P a S on P a S a V T V V t T V f V (2.21) แทนสมการ (2.15) และ (2.21) ในสมการ (2.19) จะไดความสัมพันธของแรงดันกระเพื่อมของตัวเก็บ ประจุเปน ( )− ∆ = =a a S a c a S C S C I V V I D v V f C f C (2.22) จากสมการ (2.22) พบวาคาแรงดันกระเพื่อมเอาตพุตสามารถลดไดโดยการเพิ่มความถี่ในการสวิตช และการเพิ่มขนาดของตัวเก็บประจุ 2.5 อินเวอรเตอร อินเวอรเตอรจะทําหนาที่เปนตัวเชื่อมตอระหวางเซลลแสงอาทิตยกับระบบกริดโดยจะแปลงไฟ กระแสตรงที่เกิดจากเซลลแสงอาทิตยไปเปนไฟกระแสสลับจายเขาระบบกริด สําหรับอินเวอรเตอรที่ ใชในการเชื่อมตอกับระบบกริดจะมี 2 ชนิดคือ 1. อินเวอรเตอรแบบแหลงจายแรงดัน (Voltage-Source Inverter: VSI) จะมีตัวเก็บประจุตอขนานกับ แหลงจายแรงดันกระแสตรง 2. อินเวอรเตอรแบบแหลงจายกระแส (Current-Source Inverter: CSI) จะมีตัวเหนี่ยวนําตออนุกรม กับแหลงจายแรงดันกระแสตรง อินเวอรเตอรที่นิยมนํามาใชงานกับเซลลแสงอาทิตยจะเปนอินเวอรเตอรแบบแหลงจายแรงดัน ถึงแมวาตัวเซลลแสงอาทิตยจะทําตัวเปนแหลงจายกระแสก็ตาม ดังนั้นในที่นี้จะกลาวถึงเฉพาะ อินเวอรเตอรแบบแหลงจายแรงดันซึ่งการควบคุมการทํางานของอินเวอรเตอรจะมีอยู 2 แบบคือการ ควบคุมดวยแรงดัน (Voltage-Control Inverter:VCI) และการควบคุมดวยกระแส (Current-Control Inverter:CCI) ดังแสดงในรูปที่ 2.17 ก) และ 2.17 ข) โดยวิธีการควบคุมแรงดันจะควบคุมการจาย กําลังไฟฟาของเซลลแสงอาทิตยเขาสูระบบกริดดวยมุมเฟส (δ) ระหวางแรงดันของอินเวอรเตอรกับ แรงดันกริด ซึ่งจะทําใหแรงดันของอินเวอรเตอรตามแรงดันกริด สวนหลักการควบคุมดวยกระแสจะ เปนการควบคุมใหกระแสจายเขากับระบบกริดมีมุมเฟสเดียวกับแรงดันของระบบกริด
- 34. 19 รูปที่ 2.17 อินเวอรเตอรเชื่อมตอกริดแบบแหลงจายแรงดัน 2.6ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอล (Digital Signal Processing: DSP) ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอลที่ใชในวิทยานิพนธนี้จะใชชิป ADMC331 ของบริษัท Analog Device เปนชิปที่อยูในตระกูล ADSP-2100 มีสถาปตยกรรมภายในแสดงดังรูปที่ 2.18 การคํานวณเปนแบบ Fix point สามารถประมวลคําสั่งได 26 ลานคําสั่งใน 1 วินาที โดยมีโครงสรางตางๆ ดังนี้ 1. สวนการคํานวณจะประกอบดวยสวนการคํานวณทางเลขคณิต และตรรกศาสตร (ALU) สวนการ คูณ (MAC) และสวนการเลื่อนบิต (Shifter) 2. หนวยความจําจะประกอบดวยหนวยความจําแบบอานและเขียนได (RAM) แบงเปนพื้นที่สวนของ โปรแกรมและสวนของขอมูล โดยพื้นที่สวนของโปรแกรมจะมีขนาด 24 บิต จํานวน 2048 ตําแหนง พื้นที่สวนของขอมูลจะมีขนาด 16 บิต จํานวน 1024 ตําแหนง และหนวยความจําแบบ อานอยางเดียว (ROM) จะมีสวนพื้นที่เก็บโปรแกรมขนาด 24 บิต จํานวน 2048 ตําแหนง 3. สวนติดตอภายนอกประกอบดวยสวนสรางสัญญาณสามเหลี่ยม (PWM) ตัวแปลงสัญญาณ อนาล็อกเปนสัญญาณดิจิตอลขนาด 12 บิต พอรตอนุกรม และอินพุต/เอาทพุตพอรตขนาด 24 บิต ก) วิธีควบคุมดวยแรงดัน + - VDC C1 S1 S2 S3 S4 L1 L2 C2 Lm GridLoad Control System PV Cell 0Vm∠ δ∠Vcδ,Vc + - VDC C1 S1 S2 S3 S4 L1 L2 C2 Lm GridLoad Control System PV Cell Iref Ic i ข) วิธีควบคุมดวยกระแส
- 35. 20 รูปที่ 2.18 โครงสรางการทํางานของตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอลADMC331 2.6.1 การทํางานของ 3 เฟสพีดับบลิวเอ็ม ชิป ADMC 331 สามารถสรางสัญญาณพีดับบลิวเอ็ม ขนาด 16 บิตจํานวน 6 สัญญาณคือ AH, AL, BH, BL, CH และ CL ดังแสดงในรูปที่ 2.19 จะมีโหมดการทํางาน 2 โหมดคือการทํางานในชวง สัญญาณขาขึ้น (Active High) และการทํางานในชวงสัญญาณขาลง (Active Low) จะกําหนดโหมด รูปที่ 2.19 การควบคุมสัญญาณพีดับบลิวเอ็ม PROGRAM SEQUENCER WATCHDOG TIMER 24-BIT PIO PROGRAM MEMORY ADDRESS DATA MEMORY ADDRESS PROGRAM MEMORY DATA DATA MEMORY DATA TIMER 2 * 8 BIT AUXPWM 7 ANALOG INPUTS 16-BIT 3-PHASE PWM DATA ADDRESS GENERATORS DAG 1 DAG 2 PROGRAM ROM 2K * 24 PROGRAM RAM 2K * 24 DATA RAM 1K * 16 MEMORY ARITHMETIC UNITS ALU MAC SHIFTER SERIAL PORTS SPORT 0 SPORT 1 ADSP-2100 BASE ARCHITECTURE PWMTM (15 . . . 0) PWMDT (9 . . . 0) PWMPD (9 . . . 0) PWMSYNCWT(7 . . . 0) MODECTRL(6) PWMCHA (15 . . . 0) PWMCHB (15 . . . 0) PWMCHC (15 . . . 0) THREE-PHASE PWM TIMING UNIT CLK SYNC RESET GATE DRIVE UNIT CLK POL OUTPUT CONTROL UNIT SYNC SWITCHED RELUCTANCE CONTROL UNIT SR PWMSEG PWMGATE PWM CONFIGURATION REGISTERS PWM DUTY CYCLE REGISTERS PWMSWT (0) OR AH AL CL CH BL BH CLKOUT PWMSYNC PWMPOLPWMSYNC PWMTRIP TO INTERRUPT CONTROLLER PWMTRIP PWMSR
- 36. 21 การทํางานจากขา PWMPOL ในวิทยานิพนธนี้จะใชโหมดการทํางานในชวงสัญญาณขาขึ้นโดยปกติคู ของสัญญาณ (เชน AH กับ AL) จะทํางานสลับกันใน 1 คาบเวลา ซึ่งการควบคุมการทํางานของ พีดับบลิวเอ็ม จะควบคุมจากรีจีสเตอรตางๆ คือ 1. รีจิสเตอร PWMTM เปนรีจิสเตอรขนาด 16 บิต ที่ใชกําหนดคาบเวลาของสัญญาณ พีดับบลิวเอ็ม โดยมีความสัมพันธกับความถี่พื้นฐานของตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอล ( =CLKOUT CK 1f t ) ซึ่งสามารถหาคาบเวลาของสัญญาณพีดับบลิวเอ็มไดจากสมการ (2.23) โดย PWMf คือความถี่ของสัญญาณพีดับบลิวเอ็มที่ตองการ = =CLKOUT CLKIN PWM PWM f f PWMTM 2*f f (2.23) 2. รีจิสเตอร PWMDT เปนรีจิสเตอรขนาด 10 บิต เปนตัวควบคุมชวงเวลาระหวางการหยุดทํางานของ คูสัญญาณทั้ง 3 คูของสัญญาณพีดับบลิวเอ็ม (dead time:TD) โดยมีความสัมพันธดังนี้ =D CKT PWMDT*2*t (2.24) 3. รีจิสเตอร PWMCHA, PWMCHB และ PWMCHC เปนรีจิสเตอรขนาด 16 บิต ใชควบคุมวัฏจักร การทํางานของคูสัญญาณพีดับบลิวเอ็ม โดยรีจิสเตอร PWMCHA จะควบคุมวัฏการทํางานของ คูสัญญาณ AH กับ AL รีจิสเตอร PWMCHB จะควบคุมวัฏการทํางานของคูสัญญาณ BH กับ BL และ รีจิสเตอร PWMCHC จะควบคุมวัฏการทํางานของคูสัญญาณ CH กับ CL รูปที่ 2.20 จะแสดงสัญญาณ พีดับบลิวเอ็ม ที่ทํางานในโหมดชวงสัญญาณขาลง โดยวัฏจักรการทํางานสามารถคํานวณไดจาก สมการดังนี้ ( )= −AH CKT 2* PWMCHA PWMDT *t ( )= − −AL CKT 2* PWMTM PWMCHA PWMDT *t −= =AH AH S T PWMCHA PWMDTD T PWMTM − −= =AL AL S T PWMTM PWMCHA PWMDTD T PWMTM (2.25) 4. รีจิสเตอร PWMPD เปนรีจิสเตอรขนาด 10 บิต ใชกําหนดเวลาทํางานต่ําสุดของสัญญาณ พีดับบลิวเอ็ม โดยถาชวงเวลาทํางานของสัญญาณ พีดับบลิวเอ็ม (TAH) มีคานอยกวาคาในรีจิสเตอร PWMPD จะทําใหสัญญาณ AH หยุดทํางาน (วัฏจักรการทํางานเปน 0 เปอรเซ็นต) และสัญญาณ AL
- 37. 22 จะทํางานตลอดคาบเวลา (วัฏจักรการทํางานเปน 100เปอรเซ็นต) ซึ่งเวลาทํางานต่ําสุดของสัญญาณ พีดับบลิวเอ็มกําหนดจาก =MIN CKT PWMPD*t (2.26) 5. รีจิสเตอร PWMSEG จะเปนตัวสั่งใหสัญญาณพีดับบลิวเอ็ม (AH-CL) สามารถทํางานเปนอิสระตอ กันโดยควบคุมจากบิตที่ 0–5 และสามารถควบคุมใหคูสัญญาณสามารถสลับวัฏจักรการทํางานไดโดย ควบคุมจากบิตที่ 6-8 โดยบิตที่ 8 จะควบคุมคูสัญญาณ AH/AL บิตที่ 7 จะควบคุมคูสัญญาณ BH/BL และบิตที่ 6 จะควบคุมคูสัญญาณ CH/CL 6. รีจิสเตอร PWMSWT เปนรีจิสเตอรขนาด 1 บิต ที่ใชสั่งใหสัญญาณ พีดับบลิวเอ็ม ทั้งหมดหยุด ทํางานโดยใสคา “1” เขาไปในรีจิสเตอร นอกจากนี้สัญญาณพีดับบลิวเอ็มจะหยุดการทํางานเมื่อไดรับ สัญญาณขาลงจากขา PWMTRIP รูปที่ 2.20 สัญญาณพีดับบลิวเอ็มในโหมดชวงสัญญาณขาลง 2.6.2 ตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเปนสัญญาณดิจิตอล (Analog to Digital Converter: ADC) โครงสรางของตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเปนสัญญาณดิจิตอลแสดงดังรูปที่ 2.21 จะประกอบดวย 1. สวนรับสัญญาณอนาล็อกจะมีชองรับสัญญาณอนาล็อกจํานวน 7 ชองสัญญาณ 2. ตัวนับสัญญาณนาฬิกา (Counter) ขนาด 12 บิต จะมีการทํางาน 2 โหมด โดยเลือกจากบิต ADCCNT (บิตที่ 7) ในรีจิสเตอร MODECTRL ถา ADCCNT มีคาเทากับศูนยตัวนับสัญญาณนาฬิกาจะนับคาที่ ทุกๆ 2 เทาของคาบเวลาสัญญาณ CLKOUT (76.9 ns) ถา ADCCNT มีคาเทากับหนึ่งตัวนับสัญญาณ PWMCHA PWMCHA 2*PWMDT 2*PWMDT PWMTM PWMTM AH AL
- 38. 23 นาฬิกาจะนับคาทุกๆ คาบเวลาของสัญญาณ CLKOUT(38.5 ns) โดยคาที่ตัวนับสัญญาณนาฬิกานับ ไดมากที่สุดในแตละโหมดหาไดจาก Max Count = min(4095, (TPWM – TCRST)/2tCK MODECTRL Bit 7 = 0 Max Count = min(4095, (TPWM – TCRST)/tCK MODECTRL Bit 7 = 1 3. รีจิสเตอรสําหรับเก็บคาสัญญาณดิจิตอลจะประกอบดวยรีจิสเตอร ADC1, ADC2, ACD3 และ ADCAUX โดยที่รีจิสเตอร ADC1, ADC2 และ ACD3 จะเก็บคาสัญญาณจากสัญญาณ V1, V2 และ V3 โดยตรง สวนรีจิสเตอร ADCAUX จะเก็บคาสัญญาณที่ไดจากการเลือกสัญญาณ VAUX0, VAUX1, VAUX2 หรือ VAUX3 รูปที่ 2.21 โครงสรางตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเปนสัญญาณดิจิตอล การทํางานของตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเปนสัญญาณดิจิตอลจะใชการเปรียบเทียบคาแรงดันของ สัญญาณอนาล็อกกับแรงดันอางอิงที่สรางจากตัวเก็บประจุภายนอกที่เปนตัวกําหนดความถี่การทํางาน ของสัญญาณพีดับบลิวเอ็ม ไซเคิลการทํางานจะเริ่มขึ้นเมื่อเกิดสัญญาณบวกของ PWMSYNC ตัวนับ สัญญาณนาฬิกาจะถูกรีเซ็ท และแรงดันอางอิง (แรงดันที่ชารจตัวเก็บประจุ) จะคอยๆ เพิ่มขึ้นในอัตรา คงที่ดังรูปที่ 2.22 ถาแรงดันอางอิงมีคานอยกวาคาแรงดันของสัญญาณอนาล็อกตัวนับสัญญาณนาฬิกา ก็จะนับคาเพิ่มขึ้นจนกระทั่งแรงดันอางอิงมีคามากกวาแรงดันของสัญญาณอนาล็อกตัวนับสัญญาณ นาฬิกาจะหยุดนับ และนําคาที่นับไดเก็บไวที่รีจิสเตอรสําหรับเก็บคาสัญญาณดิจิตอลเพื่อสงคาใหกับ DSP แตถาแรงดันอนาล็อกมีคามากกวาแรงดันอางอิงสูงสุดคาที่เก็บในรีจิสเตอรสําหรับเก็บคา สัญญาณดิจิตอลจะมีคาเปน 0xFFF0 การเลือกคาตัวเก็บประจุสําหรับกําหนดความถี่ของสัญญาณ พีดับบลิวเอ็ม เพื่อใหไดคาที่เหมาะสมใน การอานคาสัญญาณอนาล็อกหาไดจาก ADC TIMER BLOCK ADC 1 ADC 2 ADC 3 ADCAUX MODECTRL (7) ADC REGISTER S CLKOUT - + - + - + - + PWMSYNC 4-1 MUX VAUX0 VAUX3 VAUX2 VAUX1 ADMUX0 ADMUX1 V1 V3 V2 SGND CAPIN ICONST VREF C
- 39. 24 ( )( )− = CONSTPWM CRST NOM 0.9*I T T C 1.1*3.5 (2.27) โดย ICONST คือ คากระแสจากแหลงจายกระแสภายในตัว DSP มีคาเทากับ 13.5 µA TCRST คือ เวลาการทํางานของสัญญาณ PWMSYNC รูปที่ 2.22 การอานคาสัญญาณอนาล็อก T P W M - T C R S T C O M P A R A T O R O U T P U T V V IL tV IL T C R S T V C V C M A X P W M S Y N C V 1 t
- 40. บทที่ 3 การดําเนินงานวิจัย ในบทนี้จะกลาวถึงสวนตางๆของงานวิจัยโดยแบงเปน 4 สวนคือ การจําลองระบบเชื่อมตอกริด การออกแบบฮารดแวร การออกแบบสวนควบคุม และโครงสรางของตูจําลองแสงอาทิตยเทียม โดย ระบบเชื่อมตอกริดแสดงดังรูปที่ 3.1 การทํางานของระบบเชื่อมตอกริดจะแบงเปน 2 สวนคือ สวน แรกจะเปนสวนการหากําลังสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยโดยใชเทคนิคการเพิ่มคาความนําไปควบคุม วัฎจักรการทํางานของสวิตชของตัวแปลงผันแบบทบระดับ และสวนที่สองจะเปนสวนการสราง กระแสรูปคลื่นไซนเพื่อจายเขาระบบกริดโดยใชการควบคุมแบบฮีสเตอริซีสไปควบคุมการทํางาน ของสวิตชอินเวอรเตอร รูปที่ 3.1 ระบบเชื่อมตอกริด 3.1 แบบจําลองระบบเชื่อมตอกริด แบบจําลองระบบเชื่อมตอกริดในรูปที่ 3.1 จะใชโปรแกรม MATLAB/SIMULINK จําลองระบบ แสดงดังรูปที่ 3.2 Grid MPPT PWM Reference Signal Hysteresis Control Gate Drive Current Sensor Ipv Vpv Icon + -Iref Boost Converter Grid Connected Inverter S1 S3 S4S2 SB Lc CcCs L Power Transformer Multiplier Current Sensor PV Cell D1 D2 D4 D3
- 41. 26 รูปที่ 3.2 แบบจําลองระบบเชื่อมตอกริด 3.1.1แบบจําลองเซลลแสงอาทิตย การจําลองคุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตยจะใชสมการ (2.1), (2.2) และ (2.3) จากสมการพบวามี คาตัวแปรที่ไมทราบคาคือคา Ideality Factor (A) คากระแสอิ่มตัวยอนกลับ (Ir) และกระแสอิ่มตัว ยอนกลับที่อุณหภูมิอางอิง (Irr) การหาคาตัวแปรเหลานี้จะใชสมการไดโอดในสมการ (3.1) และขอมูล ของเซลลแสงอาทิตยคือคากระแสลัดวงจร (ISC) แรงดันขณะเปดวงจร (VOC) แรงดันและกระแสที่จุด จายกําลังสูงสุด (VMAX, IMAX) โดยคาที่ใชจะเปนคาตอเซลล จากวงจรสมมูลของเซลลแสงอาทิตยพบวา ในขณะที่เซลลแสงอาทิตยเปดวงจรปริมาณกระแสที่เซลลแสงอาทิตยสรางขึ้นทั้งหมดจะไหลผานตัว ไดโอดดังสมการ (3.2) ( )⎡ ⎤= − ⎢ ⎥⎣ ⎦D r qV I I exp 1AKT (3.1) ( )⎡ ⎤= − ⎢ ⎥⎣ ⎦ OC SC r qV I I exp 1AKT (3.2) ที่จุดจายกําลังสูงสุดกระแสที่ผานไดโอดคือ = −D SC MAXI I I จะไดสมการไดโอดเปน ( )⎡ ⎤= − ⎢ ⎥⎣ ⎦ MAX D r qV I I exp 1AKT (3.3) จากสมการ (3.3) จัดสมการใหมไดเปน power z 1 IL ILoad Vc Solar Cell Signal Saw -Tooth <= 2.5 I V Vr Vr2 MPPT ICON Igrid trig1 trig2 trig3 trig4 Inv Control Igrid V Trig1 Trig2 Trig3 Trig4 Igrid Grid 0.48 Gain Vi VTrig V+ I1 Boost
- 42. 27 ( ) = + MAX D r r qV1A KT I I ln I (3.4) แทนสมการ (3.4) ในสมการ (3.2) จะได ( ) ( ) − + − = VOC OC1 VMAX MAX V V r D r SCI I I I 0 (3.5) จากนั้นใชวิธีลองผิดลองถูก (Trial & Error) โดยการแทนคา Ir เพื่อแกสมการ (3.5) เมื่อไดคา Ir นํา กลับไปแทนในสมการ (2.2) และ (3.4) เพื่อหาคากระแสอิ่มตัวยอนกลับที่อุณหภูมิอางอิงและคา Ideality Factor ตามลําดับ จากแบบจําลองที่ไดนํามาพล็อตกราฟกระแส-แรงดันของเซลลแสงอาทิตย รุน MSX-30L เทียบกับขอมูลกราฟกระแส-แรงดันของเซลลแสงอาทิตยจากผูผลิตดังรูปที่ 3.3 รูปที่ 3.3 กราฟกระแส-แรงดันของเซลลแสงอาทิตยรุน MSX-30L 3.1.2 แบบจําลองตัวแปลงผันแบบทบระดับ ตัวแปลงผันแบบทบระดับจะใชสําหรับเพิ่มระดับแรงดันไฟตรงของเซลลแสงอาทิตยที่จายเขา อินเวอรเตอร และใชเปนตัวปรับหาจุดจายกําลังสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยดวยการปรับวัฏจักรการ ทํางานของสวิตช เพื่อปรับคาความตานทานของระบบที่มองจากตัวเซลลแสงอาทิตยใหใกลคาความ ตานทานที่เหมาะสม (Optimum Resistance: ROpt) สําหรับการจายกําลังสูงสุด ณ เวลาใดๆ โดยตัว แปลงผันแบบทบระดับนี้จะทํางานในโหมดกระแสตอเนื่อง จากสมการ (2.15) และ (2.16) จะได ความสัมพันธของความตานทานที่เหมาะสมกับความตานทานเอาตพุตเปน ( )= − 2 Opt OR R 1 D (3.6) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 Current(A) Voltage (V) I-V Charasteristics T = 0°C T = 75°C T = 25°C T = 50°C ก) ผลจากแบบจําลองเซลลแสงอาทิตย ข) กราฟจากผูผลิต
- 43. 28 โดยถาสมมติใหการทํางานของอินเวอรเตอรมีลักษณะเปนความตานทาน (RO) ดังนั้นเมื่อปรับวัฎจักร การทํางานของสวิตชตัวแปลงผันแบบทบระดับจะพบวาเมื่อเพิ่มวัฎจักรการทํางานจะทําใหคาOptR มี คานอยลงเมื่อเทียบสภาวะกอนทําใหเซลลแสงอาทิตยจายกระแสมากขึ้น (จุดทํางานจะเคลื่อนที่ไป ทางซายของกราฟกระแส-แรงดันของเซลลแสงอาทิตย) แตถาลดวัฎจักรการทํางานลงจะทําใหคา OptR มีคามากกวาสภาวะเดิมทําใหเซลลแสงอาทิตยจายกระแสลดลง (จุดทํางานจะเคลื่อนที่ไป ทางขวาของกราฟกระแส-แรงดันของเซลลแสงอาทิตย) แบบจําลองของตัวแปลงผันแบบทบระดับจะ ใชทูลในชุดระบบไฟฟากําลังของโปรแกรม MATLAB/SIMULINK ดังรูปที่ 3.4 รูปที่ 3.4 แบบจําลองตัวแปลงผันแบบทบระดับ 3.1.3 แบบจําลองอินเวอรเตอร อินเวอรเตอรจะใชสําหรับแปลงไฟฟากระแสตรงเปนไฟฟากระแสสลับ แบบจําลองแสดงดังรูปที่ 3.5 ในการจําลองการทํางานจะสั่งใหสวิตชทํางานเปนคูโดยในชวงแรงดันบวกสวิตช S1, S4 ทํางาน สวน ในชวงแรงดันลบสวิตช S2, S3 ทํางาน เพื่อสรางกระแสรูปคลื่นไซนจายเขาระบบกริด รูปที่ 3.5 แบบจําลองอินเวอรเตอรเฟสเดียวแบบเชื่อมตอกริด 2 I1 1 V+ d g s m a k m + i - V + - 2 VTrig 1 Vi 1 Igrid d g s m d g s m d g s m d g s m + i - 5 Trig4 4 Trig3 3 Trig2 2 Trig1 1 V S1 S2 S3 S4
- 44. 29 3.1.4 การควบคุมการทํางาน การควบคุมการทํางานมี 2สวนคือ สวนการหาจุดจายกําลังงานสูงสุดจะใชวิธีเพิ่มคาความนําใน บทที่ 2 โดยถาคาของ + dII V dV มีคาเปนบวกระบบจะเพิ่มแรงดันอางอิง แตถามีคาเปนลบระบบจะลด แรงดันอางอิงลง แลวนําคาแรงดันอางอิงไปเปรียบเทียบกับสัญญาณพีดับบลิวเอ็มเพื่อปรับวัฎจักรการ ทํางานของสวิตชตัวแปลงผันแบบทบระดับในการตามหาจุดจายกําลังสูงสุดของเซลลแสงอาทิตย สวนที่สองจะเปนสวนการสรางกระแสรูปคลื่นไซนจายเขาระบบกริด ซึ่งจะใชการควบคุมแบบ ฮีสเตอริซีสควบคุมการทํางานของอินเวอรเตอรเฟสเดียว ดังรูปที่ 3.6 ซึ่งกระแสอางอิง (Iref) จะสราง จากผลคูณของกระแสควบคุม (ICON) ที่ไดจากสวนหาจุดจายกําลังสูงสุดกับรูปคลื่นไซนอางอิงขนาด 1 หนวยของแรงดันกริด โดยกระแสควบคุมที่ใชในการจําลองนี้จะมีคาเทากับ 0.48 เทาของกระแสที่ จุดจายกําลังสูงสุดเพื่อใหระบบสามารถจายกําลังสูงสุดได รูปที่ 3.6 การควบคุมการสรางกระแสรูปคลื่นไซน 3.1.5 ผลการจําลองระบบเชื่อมตอกริด พารามิเตอรที่ใชในแบบจําลองประกอบดวย - เซลลแสงอาทิตย MSX-30L ขนาด 28.3 W แรงดันขณะเปดวงจร 20.8 V กระแสลัดวงจร 1.82 A แรงดันที่จุดจายกําลังสูงสุด 17.2 V และกระแสที่จุดจายกําลังสูงสุด 1.65 A ที่ปริมาณ แสง 1 kW/m2 อุณหภูมิ 298 เคลวิน - ตัวเก็บประจุสําหรับกรองระลอกคลื่นแรงดัน (CS) ขนาด 4,700µF - ตัวแปลงผันแบบทบระดับประกอบดวยตัวเหนี่ยวนําขนาด (LC) 10 mH ตัวเก็บประจุขนาด (CC) 470µF - ตัวเหนี่ยวนําของอินเวอรเตอรขนาด (L) 2 mH - แหลงจายไฟกระแสสลับ 38.89 V 50 Hz 4 trig4 3 trig3 2 trig2 1 trig1 Relay1 > NOT AND AND 0 |u| |u| 2 Igrid 1 ICON
- 45. 30 ในการจําลองการทํางานจะคงคาอุณหภูมิที่ผิวของเซลลแสงอาทิตยไวที่ 298 เคลวินโดยมีคาปริมาณ แสงเริ่มตนที่ 1000 W/m2 (ชวงเวลา ก) จากนั้นลดปริมาณแสงลงไปที่ 500 W/m2 ที่เวลา 0.08 วินาที (ชวงเวลา ข) และเพิ่มปริมาณแสงเปน 1000 W/m2 อีกครั้งที่เวลา 0.15 วินาที (ชวงเวลา ค) โดยผลการหาจุดจายกําลังสูงสุดของกราฟแรงดัน กระแส และกําลังงานของเซลลแสงอาทิตยเทียบกับ เวลาแสดงในรูปที่ 3.7 จากนั้นนําคาของกระแส-แรงดันและกําลังไฟฟา-แรงดันมาพล็อตกราฟการ เปลี่ยนแปลงจุดทํางานของเซลลแสงอาทิตยดังแสดงในรูปที่ 3.8 และผลของรูปคลื่นกระแสที่จายเขา กริดแสดงดังรูปที่ 3.9 จากผลการจําลองการทํางานของระบบพบวาระบบสามารถติดตามจุดจายกําลังสูงสุดของเซลล แสงอาทิตยไดทั้งในสภาวะคงตัว สภาวะที่มีปริมาณแสงเปลี่ยนแปลงอยางรวดเร็ว และสามารถจาย กระแสรูปคลื่นไซนเขาระบบกริดได รูปที่ 3.7 กราฟแรงดัน กระแส และกําลังไฟฟาเทียบกับเวลาที่ไดจากการหาจุดจายกําลังสูงสุด ก ข ค 0 0 .0 4 0 .0 8 0 .1 2 0 .1 6 0 .2 T im e (s) 0 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 Power(W) 2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 1 .2 1 .4 1 .6 1 .8 Isolar(V) 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 Vsolar(V)
- 46.
- 47. 32 แรงดันขณะเปดวงจร (VOC) 21.1V กระแสลัดวงจร (ISC) 1.90 A จากขอมูลของเซลลแสงอาทิตยจะไดคุณลักษณะทางไฟฟาของเซลลแสงอาทิตยที่ใชงานดังนี้ กําลังสูงสุดที่จายได (PMAX) 120 W แรงดันที่จุดจายกําลังสูงสุด (VMAX) 68.4 V กระแสที่จุดจายกําลังสูงสุด (IMAX) 1.75 A แรงดันขณะเปดวงจร (VOC) 84.4 V กระแสลัดวงจร (ISC) 1.90 A นําตัวเก็บประจุขนาด 4,700 µF มาตอขนานกับเซลลแสงอาทิตยเพื่อกรองระลอกคลื่นแรงดันของ เซลลแสงอาทิตยกอนเขาตัวแปลงผันแบบทบระดับดังรูปที่ 3.10 รูปที่ 3.10 การตอเซลลแสงอาทิตยขนาด 120 วัตต 3.2.2 ตัวแปลงผันแบบทบระดับ ตัวแปลงผันแบบทบระดับออกแบบใหทํางานที่ความถี่ 20 kHz 120 W แรงดันและกระแสอินพุตมีคา เทากับแรงดันและกระแสที่จุดจายกําลังสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยคือ 68.4 V และ 1.75 A โดย กําหนดแรงดันไฟตรงเอาตพุตเทากับ 185 V เพื่อใหสามารถจายกระแสเขากับระบบกริดที่แรงดันไฟ สลับขนาด 110 V คาระลอกคลื่นกระแสของตัวเหนี่ยวนํา (LC) เทากับ 0.2 A และคาระลอกคลื่น CS = 4,700 µF 100 V MSX-30L MSX-30L MSX-30L MSX-30L + + + + - - - - + -
- 48. 33 แรงดันของตัวเก็บประจุ (CC) เทากับ0.2 V จากขอกําหนดนี้นํามาคํานวณหาขนาดตัวเหนี่ยวนํา และ ตัวเก็บประจุของตัวแปลงผันแบบทบระดับไดดังนี้ 1. คํานวณหาวัฎจักรการทํางานของสวิตชจากสมการ (2.15) จะได = − S a V V 1 D = − 68.4185 1 D =D 0.63 2. หาขนาดตัวเหนี่ยวนํา (LC) สามารถคํานวณจากสมการ (2.18) จะได = ∆ S S V D L f I = 3 68.4*0.63L 20*10 *0.2 =L 10.77 mH 3. หาขนาดตัวเก็บประจุ (CC)สามารถคํานวณไดจากสมการ (2.22) จะได = ∆ a C S c I D C f v =C 3 0.6475*0.63C 20*10 *0.2 =CC 101.98 Fµ ในการใชงานจริงตัวเหนี่ยวนําจะใชขนาด 13.33 mH ตัวเก็บประจุใชขนาด 470 µF 450 V เพื่อกรอง ใหแรงดันเอาตพุตของตัวแปลงผันแบบทบระดับเรียบมากขึ้น สําหรับสวิตช (SB) จะใชมอสเฟต IRF 740 สวนไดโอดใช MUR 860 ซึ่งเปนไดโอดแบบอุลตราฟาสต-รีคัพเวอรี่ 3.2.3 อินเวอรเตอร 1 เฟส อินเวอรเตอร 1 เฟสที่ใชในวิทยานิพนธนี้จะเปนอินเวอรเตอรแบบแหลงจายแรงดันซึ่งประกอบดวย สวิตช 4 ตัว แบงเปน 2 กิ่ง (Branch) โดยแตละกิ่งประกอบดวยสวิตช 2 ตัวที่ทํางานไมพรอมกันเพื่อ ปองกันการเกิดลัดวงจร ในที่นี้จะใชไอจีบีที (Insulated Gate Bipolar Transistor: IGBT) ของ IRF รุน G4PH50KD เปนสวิตชโดยตอความตานทาน 100 kΩ ครอมขาเกตกับขาอีมิตเตอรเพื่อปองกันการ ทํางานของสวิตชหากยังไมไดรับสัญญาณขับเนื่องจากผลของตัวเก็บประจุแฝงที่ครอมขาเกตกับขา อีมิตเตอร
- 49. 34 3.2.4 ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอล ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอลที่ใชในวิทยานิพนธนี้จะใชชิป ADMC331 ของบริษัท Analog Device ใชความถี่ในการสุมสัญญาณ 20 kHz เปนตัวควบคุมการทํางานของระบบเชื่อมตอกริดโดยรับ สัญญาณอนาล็อกของแรงดัน และกระแสของเซลลแสงอาทิตยผานตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเปน สัญญาณดิจิตอลของชิป ADMC331 เก็บในรีจิสเตอร ADC1 และ ADC2 โดยคาแรงดันที่ตัวแปลง สัญญาณอนาล็อกเปนสัญญาณดิจิตอลจะอานคาไดถูกตองจะอยูในชวงแรงดัน 0.3-3.5 V แตเนื่องจาก ผลของดีซีออฟเซ็ทจะทําใหการอานคาแรงดันของระบบกริด และกระแสจายเขาระบบกริดซึ่งมีทั้งคา แรงดันบวกและแรงดันลบมีความผิดพลาดดังนั้นจึงใช MAX196 ซึ่งเปนตัวแปลงสัญญาณอนาล็อก เปนสัญญาณดิจิตอลขนาด 12 บิต ที่สามารถอานคาไดทั้งแรงดันบวก และแรงดันลบแทน สําหรับ แรงดันที่ MAX196 สามารถอานไดมีคา ±5Vฟงกชั่นการทํางานแสดงในรูปที่ 3.11 ซึ่งแรงดันที่อาน ไดจากตัวเซนเซอรจะตองผานวงจรยกระดับแรงดัน (Level Shifter) กอนเพื่อปรับแรงดันใหเหมาะกับ แรงดันที่ตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเปนสัญญาณดิจิตอลสามารถอานคาไดอยางถูกตองกอนนําคาที่ได ไปประมวลผล เนื่องจาก MAX196 จะใชเวลาในการแปลงสัญญาณ 10 µs ถานําไปใชอานคาสัญญาณทั้ง 4 สัญญาณ จะใชเวลาในการอานเปน 40 µs แตเวลาการทํางานของ ADMC331 ในแตละวัฎจักรการทํางานจะมี เวลา 50 µs ดังนั้นเวลาที่เหลือในการประมวลผลจะมีเวลา 10 µs จึงไมเพียงพอกับการประมวลผล โปรแกรมในสวนอื่น จึงตองใชทั้งตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเปนสัญญาณดิจิตอลของชิป ADMC331 และ MAX196 รูปที่ 3.11 ฟงกชั่นการทํางานของ MAX196
- 50. 35 3.2.4.1 การแปลงคาสัญญาณอนาล็อกเปนคาสัญญาณดิจิตอล เนื่องจากตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเปนสัญญาณดิจิตอลของชิป DSPจะอานคาจากตัวนับ (Counter) ขนาด 12 บิต แตในการคํานวณจะใชการคํานวณแบบ 16 บิต ดังนั้นสามารถแปลงขอมูล 12 บิตเปน 16 บิตโดยใชวิธีคํานวณแบบ 2 จุด (2-point calibration) ดังรูปที่ 3.12 โดยวิธีนี้จะใหตัวแปลงสัญญาณ อนาล็อกเปนสัญญาณดิจิตอลอานคาแรงดันคงที่อางอิง 2 คาคือ Vref1 และ Vref2 ซึ่ง Vref1 จะเปน แรงดันคงที่จากตัวบอรดประมวลผล สวนคา Vref2 จะมีคาเปนครึ่งหนึ่งของแรงดัน Vref1 โดยการตอ ตัวตานทานภายนอกเพื่อแบงแรงดัน Vref1 อานคาแรงดันอางอิงทั้งสองคาจากโปรแกรมดีบักเกอร เพื่อคํานวณหาคา Y∆ ∆ = −Y Reference1 Reference2 (3.7) สวนคา X∆ หาไดจาก ∆ = −X Ref1 Ref2 (3.8) โดยที่ ( ) ( ) − = − 15Vref1 Vmin Ref1 *2 Vmax Vmin (3.9) ( ) ( ) − = − 15Vref2 Vmin Ref2 *2 Vmax Vmin (3.10) โดยคา Vmin และ Vmax คือคาแรงดันต่ําสุด และคาแรงดันสูงสุดในชวงใชงานของตัวแปลงสัญญาณ อนาล็อกเปนสัญญาณดิจิตอล (ในที่นี้ใช Vmin = 0.3 V และ Vmax = 3.5 V) จากสมการ (3.7) และ (3.8) สามารถนํามาหาคาความชัน และออฟเซ็ทของตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเปนสัญญาณดิจิตอล ดังนี้ ∆= ∆ YADCSLOPE X (3.11) = −ADCOffset Reference2 ADCSLOPE*Ref2 (3.12) รูปที่ 3.12 การแปลงคาสัญญาณดิจิตอลดวยวิธีการแบบ 2 จุด R e f e r e n c e 1 R e f e r e n c e 2 A D C r e a d in g A D C - o f f s e t R e f 1R e f 2 Y∆ X∆ D e s ir e d A D C r e a d in g
- 51. 36 ดังนั้นคาที่ตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเปนสัญญาณดิจิตอลสามารถนับไดมากที่สุดคือ ADCOffsetlScaleDigitalFul*ADCSLOPEMAXCount += (3.13) โดยคาDigitalFullScale มีคาเทากับ 1 หรือ 0x7FFF ในการคํานวณแบบ 1.15 เมื่อไดคาความชันและ ออฟเซ็ทสามารถนําไปคํานวณหาคาขนาด 16 บิตที่จะนําไปใชในการคํานวณดังสมการ (3.14) −= ADCin ADCOffsetADCCorrected ADCSLOPE (3.14) 3.2.4.2 รูปแบบการคํานวณ รูปแบบการคํานวณของ ADMC 331 มีหลายรูปแบบ ในวิทยานิพนธนี้จะใชการคํานวณในรูปแบบ 1.15 คือ จะมีคาจํานวนเต็ม 1 บิต และคาทศนิยม 15 บิต โดยบิตแรกจะเปนตัวกําหนดวามีคาบวกหรือ คาลบ ซึ่งผลลัพธที่ไดจากการคํานวณจะมีคาอยูระหวาง –1 ถึง 1 (0x8000 ถึง 0x7FFF) 3.2.5 ตัววัดสัญญาณอนาล็อก (Analog Sensors) ตัววัดสัญญาณอนาล็อกที่ใชในวิทยานิพนธนี้จะประกอบดวย HCPL-788J, LEM รุน LV25-P และ LEM รุน LTA50P/SP1 3.2.5.1 HCPL-788J (Isolation Amplifier with Short Circuit and Overload Detection) HCPL-788J จะเปนตัววัดสัญญาณอนาล็อกที่แยกการเชื่อมตอทางไฟฟาของสัญญาณอินพุต และ สัญญาณเอาตพุต โดยมีฟงกชั่นการทํางานดังรูป 3.13 เมื่อไดรับสัญญาณอนาล็อกสัญญาณจะถูกแปลง เปนสัญญาณดิจิตอลดวยตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเปนสัญญาณดิจิตอลแบบซิกมา-เดลตา (Σ∆ ADC) ที่มีความถี่ในการแซมปลิ้งสัญญาณ 6 ลานครั้งตอวินาทีและสงสัญญาณที่แปลงไดผานตัวเขารหัส สัญญาณเพื่อสงสัญญาณอินพุตผาน LED กอนจะถอดรหัสเพื่อแปลงสัญญาณดิจิตอลเปนสัญญาณ อนาล็อกโดยสัญญาณเอาตพุตที่ไดจะมี 3 แบบคือ 1. สัญญาณ outV คาแรงดันที่ไดจะเปนสัดสวนโดยตรงกับสัญญาณอินพุตดังสมการ 3.15 ( )+ −− = +ref IN IN ref out V * V V V V 504mV 2 (3.15) จากสมการ (3.15) พบวา - ถาสัญญาณทางดานอินพุตมีคาบวกแรงดันเอาตพุตจะมีคามากกวา refV 2 - ถาสัญญาณทางดานอินพุตมีคาเปนศูนยแรงดันเอาตพุตจะมีคาเทากับ refV 2
- 52. 37 - ถาสัญญาณทางดานอินพุตมีคาลบแรงดันเอาตพุตจะมีนอยกวา refV 2 2.สัญญาณ ABSVAL จะแสดงคาสัมบูรณของสัญญาณอินพุต โดยแรงดันเอาตพุตหาไดดังนี้ ( )+ −− = ref IN IN2*V * V V ABSVAL 504mV (3.16) จากสมการ 3.16 พบวาเมื่อสัญญาณอินพุตเทากับศูนยคาแรงดันเอาตพุตจะมีคาเทากับศูนย และ แรงดันเอาตพุตจะคาเพิ่มขึ้นจนเทากับแรงดันอางอิง refV เมื่อแรงดันอินพุตมีคาเทากับ ±256mV 3. สัญญาณ FAULTจะเปนสัญญาณปองกันการลัดวงจร โดยจะสงสัญญาณเมื่อสัญญาณอินพุตมีคา มากกวา ±256mV ในวิทยานิพนธนี้จะใช HCPL-788J วัดคาแรงดันและกระแสของเซลลแสงอาทิตย (VPV และ IPV) ผาน ชองสัญญาณ outV โดยใชแรงดันอางอิง (Vref ) 5 V ดังวงจรในรูปที่ 3.14 ซึ่งสัญญาณอินพุตจะวัดจาก แรงดันตกครอม RS โดยคาแรงดันอินพุตที่ HCPL-788J อานคาไดถูกตองอยางเปนเชิงเสนจะอยู ในชวง ±200mV รูปที่ 3.13 ฟงกชั่นการทํางานของ HCPL-788J FAULT DETECT 256 mV REFERENCE Σ∆ MODULATOR ENCODER DECODER D/A LPF RECTIFIER VIN+ VIN- CH CL VLED+ VDD1 VDD1 GND1 1 11 8 7 5 6 4 3 2 16 15 14 13 12 9 10 VDD2 VDD2 GND2 VREF VOUT ABSVAL GND2 FAULT
- 53. 38 รูปที่ 3.14 วงจรใชงานของHCPL-788J 1. การวัดแรงดันของเซลลแสงอาทิตย (VPV) เนื่องจากแรงดันขณะเปดวงจรของเซลลแสงอาทิตยมีคา 84.4 V ในที่นี้จะออกแบบให HCPL-788J วัด คาแรงดันสูงสุดที่ 90 V ซึ่งจะตองแบงแรงดันเพื่อใหแรงดันตกครอม R1 ที่ใชเปนแรงดันอินพุต (Vsense)ใหกับ HCPL-788J มีคาอยูในชวง 0-200 mV โดยตําแหนงตัวตานทาน R1 แสดงดังรูปที่ 3.15 โดยตัวตานทาน R1 สามารถหาคาไดจากสมการแบงแรงดัน = +sense PV R1V *VR R1 = + R1200mV *90R R1 (3.17) เลือก R = 100 kΩ จะได R1 = 222.71 Ω ดังนั้นเลือกใช R1 = 220 Ω ซึ่งจะไดสัญญาณแรงดันเอาตพุต ที่ชองสัญญาณ outV อยูในชวงแรงดัน 2.5-4.48 V 2. การวัดกระแสของเซลลแสงอาทิตย (IPV) เนื่องจากกระแสลัดวงจรของเซลลแสงอาทิตยมีคา 1.9 A ในที่นี้จะออกแบบให HCPL-788J วัด คากระแสได 2 A ดังนั้นตัวตานทาน R2 สําหรับวัดกระแสหาไดจาก =sense PVV I *R2 =200mV 2*R2 (3.18) จากสมการ (3.18) จะไดคา R2 เทากับ 0.1 Ω โดยตําแหนงของ R2 แสดงในรูปที่ 3.15 ซึ่งจะได สัญญาณแรงดันเอาตพุตที่ชองสัญญาณ outV อยูในชวงแรงดัน 2.5-4.48 V INPUT CURRENT VIN+ VIN- CH CL VDD1 VLED1+ VDD1 GND1 GND2 VDD2 ABSVAL VOUT VREF VDD2 GND2 FAULT HCPL-788J 8 7 5 4 3 2 1 6 15 14 13 12 11 10 9 16 RSHUNT RS R Ω39 C2 0.1 Fµ C3 ISOLATED +5V 0.1 Fµ C1 0.1 Fµ C6 R Ωk7.4 C8 C4 C7 C5 C4 0.1 F= µ pF4708C7C5C === +5 V ADC VREF GND DSP0.01 Fµ
- 54. 39 รูปที่ 3.15 ตําแหนงตัววัดสัญญาณอนาล็อก 3.2.5.2LEM LV25-P LEM LV25-P เปนอุปกรณวัดสัญญาณแรงดันโดยใชหลักการเหนี่ยวนําสนามแมเหล็ก (Hall Effect) การวัดแรงดันจะวัดจากกระแสที่มีสัดสวนโดยตรงกับแรงดันผานความตานทานภายนอก (R3) ที่ตอ อนุกรมกับวงจรทางดานปฐมภูมิของ LV25-P ดังรูปที่ 3.16 โดยกระแสที่ไหลผานวงจรปฐมภูมิควรมี คาเทากับ 10 mA เพื่อความแมนยําในการวัดของ LV25-P อัตราสวนของกระแสทางดานทุติยภูมิตอ กระแสทางดานปฐมภูมิเทากับ 2.5 ในที่นี้จะนํา LV25-P มาวัดแรงดันกริด 220 V 50 Hz แตเนื่องจากแรงดันของกริดมีการกระเพื่อม ดังนั้นจึงออกแบบให LV25-P สามารถอานแรงดันได 250 V โดยตอ LV25-P ที่ตําแหนงดังรูปที่3.14 ความตานทาน R3 หาไดจากสมการ (3.19) = gridV R3 10mA (3.19) จะไดคาความตานทาน R3 เปน 25 kΩ และสามารถทนกําลังสูญเสียได 2.5 W จากอัตราสวนของ กระแสทางดานทุติยภูมิตอกระแสทางดานปฐมภูมิจะใชตัวตานทานสําหรับอานคาแรงดัน (RM) เทากับ 100 Ω ซึ่งจะใหคาแรงดันเอาตพุตเทากับ±2.5V โดยสัญญาณแรงดันที่ไดนี้จะนําไปใชเปน สัญญาณอางอิงรูปคลื่นไซนเพื่อใชในการควบคุมตอไป รูปที่ 3.16 การวัดสัญญาณของ LV25-P PV ARRAY Boost Converter Inverter LTA 50P/SP1 LV 25-P R R1 R2 CS VPV + - L IPV R3 HCPL 788J HCPL 788J LV 25-P M + - + - + 15 V - 15 V 0 V RM R3 +HT -HT VSENSE
- 55. 40 3.2.5.3 LEM LTA50P/SP1 LTA50P/SP1เปนอุปกรณวัดกระแสโดยใชหลักการของ Hall Effect ดังแสดงในรูปที่ 3.17 ความ ผิดพลาดในการวัดสัญญาณนอยกวา ±1% โดยคากระแสเอาตพุตจะเปนสัดสวนโดยตรงกับ คากระแสอินพุตมีคาเทากับ 1 mA/A ดังนั้นตอตัวตานทาน (RM) 100 Ω เพื่อใชเปลี่ยนคากระแสเปนคา แรงดัน ในที่นี้จะใชวัดสัญญาณกระแสที่จายเขากริด รูปที่ 3.17 การวัดสัญญาณของ LTA50P/SP1 3.2.6 วงจรยกระดับแรงดัน (Level Shifter Circuit) เนื่องจากตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเปนสัญญาณดิจิตอลของ ADMC 331 และ MAX196 จะมีชวงของ แรงดันที่ใชสําหรับอานคาสัญญาณอนาล็อก ดังนั้นจึงตองมีวงจรยกระดับแรงดันเพื่อปรับคาแรงดัน ของตัววัดสัญญาณอนาล็อกใหอยูในชวงที่ตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเปนสัญญาณดิจิตอลสามารถ อานคาได โดยวงจรยกระดับแรงดันจะสรางจากตัวขยายสัญญาณ (Op-Amp) เบอร LM324N ดังวงจร ในรูปที่ 3.18 ซึ่งจะประกอบดวยวงจรขยายแบบรวมสัญญาณ และวงจรขยายแบบกลับเฟส รูปที่ 3.18 วงจรขยายและยกระดับแรงดัน + - + - V I N V O U T + 1 5 V S u m m in g A m p In v e r tin g A m p 5 k Ω 5 k Ω 1 0 k Ω 1 0 k Ω 1 0 k Ω 5 k Ω 2 .5 k Ω 1 0 k Ω LTA50P/SP1 + 15 V - 15 V 0 V RM VSENSE From Inverter To Grid System
- 56. 41 รูปที่ 3.19 วงจรขับสวิตช 3.2.7วงจรขับ (Gate Drive Circuit) วงจรขับที่ใชในวิทยานิพนธนี้จะใชไอซี TLP250 เปนไอซีที่แยกสวนของสัญญาณขับกับสวนที่ใชขับ สวิตชสามารถทํางานที่ความถี่สูงสุด 25 kHz ดังวงจรในรูปที่ 3.19 ในสวนของสัญญาณขับจะรับ สัญญาณขนาด 5 V มาจากตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอลตอผานตัวตานทานขนาด 1 kΩ เพื่อจํากัด กระแสเขา TLP250 ในสวนที่ใชขับสวิตชจะตอแหลงจายแรงดันภายนอกขนาด +20 V ผานขา คอลเล็กเตอรของทรานซิสเตอร Tr1 ที่ขาอิมิตเตอรของทรานซิสเตอร Tr1 จะตอตัวตานทานขนาด 50 Ω เขากับขาเกตของไอจีบีที (หรือมอสเฟต) เพื่อกําหนดชวงเวลาตอวงจร (Turn on time) และ ชวงเวลาตัดวงจร (Turn off time) ของไอจีบีที และตอซีเนอรไดโอดเขาที่ขาอีมิเตอรของไอจีบีทีเพื่อ สรางแรงดัน-5 V ในชวงตัดวงจรของสวิตชเพื่อชวยใหสวิตชหยุดทํางานเร็วขึ้น เมื่อไดรับสัญญาณขับทรานซิสเตอร Tr1 จะตอวงจรเพื่อจายแรงดันเขาขาเกตกับขาอีมิเตอรของ ไอจีบีทีโดยแรงดันตกครอมขาเกตและอีมิเตอรจะเปน = −GE CC ZV V V (3.20) เมื่อไมมีสัญญาณขับสวิตชทรานซิสเตอร Tr2 จะตอวงจรทําใหแรงดันตกครอมขาเกตและอีมิเตอรมีคา เทากับ = −GE ZV V (3.21) ในวิทยานิพนธนี้จะใช TLP250 จํานวน 5 ตัว สําหรับขับสวิตชของตัวแปลงผันแบบทบระดับ และ สวิตชของอินเวอรเตอรดังรูปที่ 3.20 จากรูปจะพบวาสวิตชของตัวแปลงผันแบบทบระดับ (SB) และ สวิตชดานลาง 2 ตัวของอินเวอรเตอร (S2 และ S4) มีการเชื่อมตอกันทางไฟฟาดังนั้นสามารถใช แหลงจายไฟ (VCC1) และกราวดจากแหลงจายเดียวกัน สวนสวิตช S1 กับ S3 ไมมีการเชื่อมตอกันโดย ตรงที่ขั้วอิมิตเตอร ดังนั้นจะตองใชแหลงจายไฟและกราวดคนละสวนกัน RG = 50 Ω C = 0.1 µF C1 = 4.7 µF 25 V ZD 5.1 V VCC = 20V VG C1 + - RG + VccTLP 250 G E Tr1 Tr2 ZD C Ω1k Ω5k
- 57. 42 รูปที่ 3.20 ลักษณะการตอวงจรขับ 3.3การควบคุม โปรแกรมที่ใชในการควบคุมการทํางานจะแบงเปน 2 สวนคือ 1. โปรแกรมหลัก (Main Program) จะเปนสวนกําหนดคาเริ่มตนการทํางานของตัวประมวลผล สัญญาณดิจิตอล กําหนดคาตัวแปร และเรียกไฟลขอมูลที่เกี่ยวของกับโปรแกรมใชงาน ใน วิทยานิพนธนี้จะกําหนดใหตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอลทํางานในอินเตอรรัปโหมด 2 (IRQ2) คือตัวโปรแกรมหลักจะรอสัญญาณ PWMSYNC Interrupt เพื่อกระโดดไปทํางานในสวนของ โปรแกรมอินเตอรรัป (Interrupt Service Routine: ISR) ดังแผนภาพ ก ในรูปที่ 3.21 2. โปรแกรมในสวนการอินเตอรรัปจะเริ่มทํางานดวยการอานคาของแรงดันและกระแสของเซลล แสงอาทิตย (VPV, IPV) จากรีจิสเตอร ADC1 และ ACD2 สวนแรงดันของระบบกริด (Vgrid) และ กระแสที่จายเขาระบบกริด (Igrid) จะอานขอมูลจาก MAX196 ผานทางพอรต PIO ของ ADMC331 จากนั้นนําคาแรงดันและกระแสของเซลลแสงอาทิตยไปใชในการหาจุดจายกําลังสูงสุด และสราง กระแสรูปคลื่นไซนจายเขาระบบกริดดังแผนภาพ ข ในรูปที่ 3.21 3.3.1 การอานคาสัญญาณดิจิตอล สัญญาณดิจิตอลที่อานไดจากตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเปนสัญญาณดิจิตอลของชิป ADMC331 (ADC1 และ ADC2) จะถูกนํามาแปลงเปนคา 16 บิตจากหลักการในขอ 3.2.4.1 โดยแตละคาจะมีคา ต่ําสุดเทากับ 0x0000h (0 ในฐานสิบ) และคาสูงสุดเปน 0x7FFFh (32767 ในฐานสิบ) สวนสัญญาณ ดิจิตอลที่อานไดจาก MAX196 จะมีคาเปนสัญญาณบวกและสัญญาณลบขนาด 16 บิต โดยชวง สัญญาณบวกจะมีคาเทากับ 0x0000h ถึง 0x7FFFh สวนชวงสัญญาณลบจะมีคาเทากับ 0x0000h ถึง 0x8000h ในการนําคาเหลานี้ไปประมวลผลจะตองแปลงคาที่ไดใหอยูในคาฐานการคํานวณเดียวกัน Gate Drive Circuit Gate Drive Circuit Gate Drive Circuit Gate Drive Circuit VCC1 VCC2 VCC3 VCC1 Gate Drive Circuit VCC1 COM1 COM2 COM3PV Cell AC S1 S2 S3 S4 SB LC CS CC D COM1 COM1 L
- 58. 43 รูปที่ 3.21 แผนภาพการทํางานของโปรแกรมควบคุม 3.3.2การหาจุดจายกําลังสูงสุด การหาจุดจายกําลังสูงสุดจะใชหลักการของวิธีเพิ่มคาความนําที่ไดกลาวไวในบทที่ 2 แผนภาพการ ทํางานแสดงในรูปที่ 3.22 การทํางานจะเริ่มตนจากการหาคาการเปลี่ยนแปลงแรงดันของเซลล แสงอาทิตย (dV) และคาการเปลี่ยนแปลงกระแสของเซลลแสงอาทิตย (dI) การพิจารณาจะแบงเปน 2 สวนคือเมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงปริมาณแสงอยางรวดเร็ว และในชวงปริมาณแสงคงตัว โดยโปรแกรม การคํานวณหาจุดจายกําลังสูงสุดจะคํานวณผลผลทุกๆ 2.5 ms 3.3.2.1 การพิจารณาในชวงการเปลี่ยนแปลงปริมาณแสงอยางรวดเร็ว จากกราฟคุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตยในรูปที่ 2.4 ก) พบวาในชวงนี้การเปลี่ยนแปลงแรงดันของ เซลลแสงอาทิตยมีคาเทากับศูนย ดังนั้นในการพิจารณาการหาจุดจายกําลังสูงสุดจะใชคาการ เปลี่ยนแปลงกระแสของเซลลแสงอาทิตยเปนตัวควบคุม - ถา dI > 0 แสดงวาปริมาณแสงมีคาเพิ่มขึ้น ดังนั้นจุดจายกําลังสูงสุดตําแหนงใหมจะอยู ทางขวาของจุดทํางานเดิมดังนั้นระบบจะปรับลดคาวัฏจักรการทํางานของสวิตชตัวแปลงผัน แบบทบระดับเพื่อเพิ่มแรงดันของเซลลแสงอาทิตย เริ่มตนโปรแกรม ในสวนอินเตอรรัป อานคาสัญญาณ VPV, IPV, Vgrid Igrid หาจุดจายกําลังสูงสุด สรางกระแสรูปคลื่นไซน กลับไปโปรแกรมหลัก (RTI) เริ่มตน เรียกไฟลขอมูลที่ เกี่ยวของกับการใชงาน กําหนดคาเริ่มตนการทํางาน เกิดสัญญาณ PWMSYNC ? ทํางานในสวนโปรแกรม อินเตอรรัป หยุดโปรแกรม ? จบโปรแกรม ใช ใช ไมใช ไมใช ก) โปรแกรมทํางานหลัก ข) โปรแกรมทํางานในสวนอินเตอรรัป
- 59. 44 - ถา dI= 0 แสดงวาจุดทํางานอยูที่จุดจายกําลังสูงสุดก็จะคงคาวัฏจักรการทํางานนั้นไว - ถา dI < 0 แสดงวาปริมาณแสงมีคาลดลง ดังนั้นจุดจายกําลังสูงสุดตําแหนงใหมจะอยูทางซาย ของจุดทํางานเดิมดังนั้นระบบจะปรับเพิ่มคาวัฏจักรการทํางานของสวิตชตัวแปลงผันแบบทบ ระดับเพื่อลดแรงดันของเซลลแสงอาทิตยลง 3.3.2.2 การพิจารณาในชวงปริมาณแสงคงตัว ในชวงนี้การหาจุดจายกําลังสูงสุดจะพิจารณาจากคา IPV/VPV+dI/dV - ถา IPV/VPV+dI/dV > 0 แสดงวาจุดทํางานอยูทางซายของจุดจายกําลังสูงสุดโปรแกรมก็จะสั่ง ลดคาวัฏจักรการทํางานของสวิตชตัวแปลงผันแบบทบระดับเพื่อเพิ่มแรงดันของเซลล แสงอาทิตย - ถา IPV/VPV+dI/dV = 0 แสดงวาจุดทํางานอยูที่จุดจายกําลังสูงสุดก็จะคงคาวัฏจักรการทํางาน นั้นไว - ถา IPV/VPV+dI/dV < 0 แสดงวาจุดทํางานอยูทางขวาของจุดจายกําลังสูงสุดโปรแกรมก็จะสั่ง เพิ่มคาวัฏจักรการทํางานของสวิตชตัวแปลงผันแบบทบระดับเพื่อลดแรงดันของเซลล แสงอาทิตย รูปที่ 3.22 แผนภาพแสดงการหาจุดจายกําลังสูงสุด Sense : VPV, IPV dI = IPV - Ib dV = VPV - Vb dV = 0 dI = 0IPV/VPV+dI/dV = 0 IPV/VPV+dI/dV > 0 dI > 0 Dn=Db - D Dn=Db + D Dn=Db - DDn=Db + D Vb = VPV Ib = IPV Db = Dn Yes No Yes Yes Yes Yes No No No No RTS
- 60. 45 3.3.3 การสรางกระแสรูปคลื่นไซน การสรางกระแสรูปคลื่นไซนเพื่อจายเขาระบบกริดจะมีขั้นตอนดังนี้ 1. หาไซเคิลการทํางานของระบบกริดวาอยูในชวงไซเคิลบวกหรือไซเคิลลบเพื่อใชควบคุมการทํางาน ของสวิตชอินเวอรเตอร(S2, S4) โดยดูจากคาแรงดันกริด (Vgrid ) ที่อานไดจาก MAX196 2. นําคาสัญญาณ Vgrid ที่ไดมาใสคาสัมบูรณเพื่อสรางเปนสัญญาณรูปคลื่นไซนอางอิงแบบเรียง กระแส และคูณดวยคากระแสควบคุม (ICON) ที่ไดจากสวนการหาจุดจายกําลังสูงสุดเพื่อสราง กระแสอางอิงรูปคลื่นไซนแบบเรียงกระแส (Rectifier Sinusoidal) โดยกระแสควบคุมหาไดจาก ผลคูณของกระแสที่จุดจายกําลังสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยกับแฟคเตอรตัวคูณ ซึ่งจะเปน ตัวกําหนดกระแสที่จะจายเขาระบบกริด จากการทดลองจะใชแฟคเตอรตัวคูณเทากับ 0.93 3. นําคากระแสที่จายเขากริด (Igrid) มาจัดใหอยูในรูปคลื่นแบบเรียงกระแสเพื่อเปรียบเทียบกับกระแส อางอิงรูปคลื่นไซนแบบเรียบกระแสที่ไดในขอ 2 ดวยหลักการควบคุมแบบฮีสเตอริซีสเพื่อควบคุม การทํางานของสวิตชอินเวอรเตอร (S1, S3) จากขอ 1 – 3 สามารถนํามาเขียนเปนแผนผังการทํางานดังรูปที่ 3.23 และขั้นตอนการทํางานของสวิตช อินเวอรเตอรในตารางที่ 3.1 รูปที่ 3.23 แผนภาพแสดงการสรางรูปคลื่นกระแสไซนจายเขากริด read Vgrid, Igrid A = |Vgrid| B = |Igrid| Iref = A*ICON IError = Iref - B Hysteresis Control Drive Signal to S1, S2, S3, S4 RTS A 0x4000 0x0000 0x7FFF Vgrid 0x7FFF 0x0000 0x8000 Igrid 0x7FFF 0x0000 0x8000 0x7FFF - Iref 0x4000 0x0000 0x7FFF B 0x4000 0x0000 0x7FFF B 0x4000 0x0000 0x7FFF * A 0x4000 0x0000 ICON 0x4000 0x0000 0x7FFF
- 61. 46 ตารางที่ 3.1 ลําดับการทํางานของสวิตชอินเวอรเตอร คําสั่งควบคุมการฮีสเตอริซีส ไซเคิลแรงดันกริด ONOFF บวก S1 และ S4 ทํางาน S4 และ D2 ทํางาน ลบ S2 และ S3 ทํางาน S2 และ D4 ทํางาน จากตารางสวิตช S2 และ S4 จะเปนตัวกําหนดรูปคลื่นกระแสวาอยูในชวงแรงดันไฟบวก หรือ แรงดันไฟลบ สวนสวิตช S1 และ S3 จะเปนตัวสรางรูปคลื่นกระแสไซนโดยชวงที่ฮีสเตอริซีสสั่งตอ วงจรเพื่อใหตัวแปลงผันแบบทบระดับจายกระแสผานตัวเหนี่ยวนําเขากับระบบกริดจะทําใหสวิตช S1 กับ S4 ทํางานในชวงแรงดันไฟบวก และในชวงแรงดันไฟลบสวิตช S2 กับ S3 ทํางาน สําหรับชวงที่ ฮีสเตอริซีสสั่งตัดวงจรเพื่อตัดการจายกระแสจากตัวแปลงผันแบบทบระดับเขาระบบกริดในชวง แรงดันไฟบวกสวิตช S4 กับไดโอด D2 จะทํางาน และในชวงแรงดันไฟลบสวิตช S2 กับไดโอด D4 จะทํางาน เพื่อใหตัวเหนี่ยวนําสามารถจายกระแสไดอยางตอเนื่องในชวงที่ตัดการจายกระแสจากตัว แปลงผันแบบทบระดับ 3.4 ตูจําลองแสงอาทิตยเทียม (Solar Simulator) ตูจําลองแสงอาทิตยเทียมจะใชจําลองปริมาณแสงจากดวงอาทิตยที่จายใหกับเซลลแสงอาทิตยเพื่อ ความสะดวกในการทดสอบคุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตย และการหาจุดจายกําลังสูงสุดของเซลล แสงอาทิตย เนื่องจากตูจําลองแสงอาทิตยเทียมสามารถกําเนิดปริมาณแสงที่คงที่ และสามารถจําลอง การเปลี่ยนแปลงปริมาณแสงอยางรวดเร็วได โดยโครงสรางของตูจําลองแสงอาทิตยเทียม ประกอบดวย 3.4.1 ตัวตูทําจากสแตนเลสผิวมันเพื่อใหสามารถสะทอนแสงไดดี โดยตัวตูจะมีความกวาง 1.1 เมตร ยาว 1.5 เมตร สูง 0.6 เมตร อยูสูงจากพื้น 0.8 เมตร ซึ่งสามารถวางแผนเซลลแสงอาทิตยรุน MSX-30L ไดจํานวน 4 แผง 3.4.2 แหลงกําเนิดแสงจะใชหลอดไฟฮาโลเจนที่ใชแรงดันไฟตรงขนาด 12 โวลต 50 วัตต มุมกระจาย แสง 38 องศา จํานวน 117 หลอด ติดบนแผนสแตนเลสขนาด 106*146 เซนติเมตร เสนผานศูนยกลาง ของตัวโคมไฟยาว 5 เซนติเมตร โดยนําหลอดไฟมาตอขนานกัน 9 ชุด ซึ่งแตละชุดจะตอหลอดไฟ
- 62. 47 อนุกรมกันจํานวน 13 หลอดดังรูปที่ 3.24 สําหรับระยะหางระหวางหลอดไฟทางดานกวางจะหางกัน หลอดละ 12 เซนติเมตร สวนทางดานยาวจะหางกัน 11.5 เซนติเมตร เพื่อใหปริมาณแสงจากหลอดตก กระทบกับตัวเซลลแสงอาทิตยอยางสมมาตร โดยจะวางแผงหลอดไฟอยูสูงจากเซลลแสงอาทิตย 50 เซนติเมตร 3.4.3 แผนบังแสงจะใชสําหรับเลื่อนไปบังแสงหรือเปดแสงดังรูปที่ 3.24 เพื่อใชจําลองการ เปลี่ยนแปลงปริมาณแสงแบบทันทีทันใด ซึ่งแผนบังแสงจะใชแผนสังกะสีขนาด 5*106 เซนติเมตร จํานวน 6 แผน วางอยูบนสายสลิงหางจากหลอดไฟ 1 เซนติเมตร 3.4.4 เครื่องกําเนิดไฟฟากระแสตรง (DC Generator) ใชสรางแรงดันกระแสตรงขนาด 156 โวลต จาย ใหกับชุดของหลอดฮาโลเจน (String) โดยเครื่องกําเนิดไฟฟาที่ใชจะมีพิกัด 10 กิโลวัตต 160 โวลต 63 แอมป รูปที่ 3.24 การวางตําแหนงของหลอดไฟ และที่บังแสงในตูจําลองแสงอาทิตยเทียม จากรูปที่ 3.24 เมื่อเปดหลอดไฟทั้ง 9 ชุดจะไดปริมาณแสงเฉลี่ยบนเซลลแสงอาทิตย 935 W/m2 ถาปด ที่บังแสง (เสนประในรูป) จะไดปริมาณแสงเฉลี่ยบนเซลลแสงอาทิตย 742 W/m2 หากดับไฟชุดที่ 2, 4, 6 และ 8 จะไดปริมาณแสงเฉลี่ยบนเซลลแสงอาทิตย 560 W/m2 และถาปดที่บังแสงดวยจะไดปริมาณ แสงเฉลี่ยบนเซลลแสงอาทิตย 407 W/m2 146 cm 106cm 12 11.54 5 5 String 1 String 2 String 3 String 4 String 5 String 6 String 7 String 8 String 9
- 63. บทที่ 4 ผลการทดลอง การทดลองจะเริ่มตนดวยการหาคาคุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตยเพื่อหาแรงดันขณะเปดวงจร กระแสลัดวงจรแรงดัน, กระแส และกําลังไฟฟาสูงสุด ณจุดที่เซลลแสงอาทิตยสามารถจายไดใน ขณะนั้น โดยใชตัวตานทานปรับคาดังรูปที่ 4.1 จากนั้นตอเซลลแสงอาทิตยเขากับระบบเชื่อมตอกริด ดังรูปที่ 4.2 โดยแบงเปนการทดลองในตูจําลองแสงอาทิตยเทียม และการทดลองดวยแสงอาทิตยจริง รูปที่ 4.1 การวัดคุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตย รูปที่ 4.2 การวัดแรงดัน และกระแสในระบบเชื่อมตอกริด 4.1 พารามิเตอรของระบบ การทดลองจะตอวงจรตามรูปที่ 3.1 โดยมีพารามิเตอรตางๆดังนี้คือ - เซลลแสงอาทิตยรุน MSX-30L ตออนุกรมกันจํานวน 4 แผงโดยมีคุณลักษณะทางไฟฟาแสดง ดังหัวขอ 3.2.1 - ตัวเก็บประจุสําหรับกรองระลอกคลื่นแรงดันของเซลลแสงอาทิตย (CS) 4,700µF 100 V - ตัวแปลงผันแบบทบระดับมีคาตัวเหนี่ยวนํา (LC) 13.3 mH และตัวเก็บประจุ (CC) 470 µF 450 V - ตัวเหนี่ยวนํา (L) ของอินเวอรเตอรขนาด 59.9 mH VOC PV Cell V + - PV Cell I ISC IPV PV Cell V I R VPV + - ก) การวัดแรงดันขณะเปดวงจร ข) การวัดกระแสลัดวงจร ค) การวัดคากําลังไฟฟาสูงสุด PV Cell V I CS VGRID + - IPV Boost Converter Grid a b V I IGRID L VPV 1:2.6 Inverter
- 64. 49 - หมอแปลงสําหรับแปลงไฟขึ้นมีอัตราสวนการแปลงแรงดันเปน 1:2.6 -แหลงจายไฟ 220 V 50 Hz 4.2 การทดลองในตูจําลองแสงอาทิตยเทียม การทดลองในตูจําลองแสงอาทิตยเทียมจะใชสําหรับทดสอบการหาจุดจายกําลังสูงสุดของเซลล แสงอาทิตยทั้งในสภาวะที่ปริมาณแสงคงที่ และปริมาณแสงมีการเปลี่ยนแปลงอยางรวดเร็วรวมทั้ง ทดสอบการเชื่อมตอเซลลแสงอาทิตยเขากับระบบกริด เนื่องจากสามารถควบคุมปริมาณแสงใหคงที่ ได โดยผลการทดลองเมื่อตอระบบตามรูปที่ 4.1 แสดงในตารางที่ 4.1 และผลการทดลองเมื่อตอระบบ ตามรูปที่ 4.2 แสดงในตารางที่ 4.2 (ในการทดลองนี้ไมไดควบคุมอุณหภูมิที่แผงของเซลล แสงอาทิตย) ตารางที่ 4.1 คุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตยที่ปริมาณแสงตางๆ คุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตยปริมาณแสง (W/m2 ) VMAX (V) IMAX (A) PMAX (W) VOC (V) ISC (A) 1,013 54.6 1.339 73.11 72.1 1.526 935 54.2 1.252 67.86 71.4 1.421 864 54.4 1.147 62.40 70.6 1.313 805 55.2 1.051 58.02 71.5 1.203 742 54.9 0.979 53.75 70.3 1.099 683 55.5 0.898 49.84 70.8 1.023 616 56.5 0.805 45.48 70.9 0.929 560 57.8 0.715 41.33 70.7 0.834 511 57.4 0.661 37.94 70.9 0.769 456 57.7 0.583 33.64 70.9 0.682 407 58.3 0.512 29.85 70.4 0.603 361 58.2 0.450 26.19 71.0 0.536 286 58 0.308 17.86 70.2 0.377
- 65. 50 ตารางที่ 4.2 คุณลักษณะของระบบเชื่อมตอกริด คุณลักษณะของระบบเชื่อมตอกริด สวนตามจุดจายกําลังสูงสุด (อินพุต) สวนเชื่อมตอกริด (เอาตพุต) ปริมาณแสง (W/m2 ) Vin(V) Iin (A) Pin (W) Vgrid (V) Igrid (A) Pgrid (W) 1,013 54.5 1.330 72.49 85.2 0.725 61.77 935 54.4 1.241 67.51 87.5 0.663 57.97 864 54.1 1.150 62.22 85.6 0.620 53.07 805 54.8 1.055 57.81 85.8 0.575 49.34 742 55.4 0.965 53.46 85.4 0.530 45.26 683 55.9 0.885 49.47 85.1 0.485 41.27 616 56.8 0.795 45.16 85.3 0.450 38.39 560 57.2 0.718 41.07 85.6 0.406 34.88 511 58.1 0.645 37.47 85.7 0.368 31.49 456 57.8 0.579 33.47 85.5 0.330 28.22 407 58.4 0.505 29.49 85.8 0.298 25.53 361 57.8 0.452 26.13 84.4 0.263 22.16 286 60.5 0.290 17.55 84.4 0.180 15.19 จากผลการทดลองในตารางที่ 1 และ 2 นํามาพล็อกกราฟความสัมพันธของกําลังไฟฟาที่ปริมาณแสง ตางๆ ไดดังรูปที่ 4.3 และสามารถคํานวณหาประสิทธิภาพของระบบได โดยประสิทธิภาพของระบบ ประกอบดวยการหาประสิทธิภาพของการหาจุดจายกําลังสูงสุด ( ηmppt% ) การหาประสิทธิภาพการ ทํางานของตัวแปลงผันแบบทบระดับและอินเวอรเตอร ( ηcon% ) และประสิทธิภาพรวมของระบบ ( ηtotal% ) ดังสมการที่ (4.1), (4.2) และ (4.3) ตามลําดับ η = in mppt MAX P % *100P (4.1) η = grid con in P % *100P (4.2) η = grid total MAX P % *100P (4.3) ผลการคํานวณหาประสิทธิภาพของระบบแสดงในตารางที่ 4.3
- 66. 51 รูปที่ 4.3 กราฟกําลังไฟฟาของระบบที่ปริมาณแสงตางๆ ตารางที่4.3 ประสิทธิภาพของระบบเชื่อมตอกริดที่ปริมาณแสงตางๆ ปริมาณแสง (W/m2 ) ηmppt% ηcon% ηtotal% 1,013 99.12 85.21 84.49 935 99.49 85.87 85.43 864 99.71 85.30 85.06 805 99.65 85.34 85.04 742 99.47 84.67 84.21 683 99.26 83.43 82.81 616 99.28 84.99 84.39 560 99.38 84.93 84.40 511 98.77 84.05 83.01 456 99.49 84.30 83.88 407 98.80 86.56 85.51 361 99.75 84.79 84.59 286 98.21 86.56 85.04 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Power(W) Pmax Pin Pgrid 286 361 407 456 511 560 616 683 742 805 864 935 1013 ปริมาณแสง (W/m2 )
- 67. 52 4.2.1 ผลการทดลองที่ปริมาณแสง 935W/m2 รูปที่ 4.4 รูปคลื่นแรงดัน และกระแสเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตย รูปที่ 4.5 รูปคลื่นแรงดัน และกระแสที่เชื่อมตอกับระบบกริด Ch1 = 20V/Div Ch2 = 1 A/Div Time = 25 ms/Div Vin Iin Vgrid = 40V/Div Igrid = 1 A/Div Time = 5 ms/Div Vgrid Igrid
- 68. 53 4.2.2 ผลการทดลองที่ปริมาณแสง 742W/m2 รูปที่ 4.6 รูปคลื่นแรงดัน และกระแสเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตย รูปที่ 4.7 รูปคลื่นแรงดัน และกระแสที่เชื่อมตอกับระบบกริด Ch1 = 20V/Div Ch2 = 1 A/Div Time = 25 ms/Div Vin Iin Vgrid = 40V/Div Igrid = 1 A/Div Time = 5 ms/Div Vgrid Igrid
- 69. 54 4.2.3 ผลการทดลองที่ปริมาณแสง 560W/m2 รูปที่ 4.8 รูปคลื่นแรงดัน และกระแสเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตย รูปที่ 4.9 รูปคลื่นแรงดัน และกระแสที่เชื่อมตอกับระบบกริด Ch1 = 20V/Div Ch2 = 1 A/Div Time = 25 ms/Div Vin Iin Vgrid = 40V/Div Igrid = 1 A/Div Time = 5 ms/Div Vgrid Igrid
- 70. 55 4.2.4 ผลการทดลองที่ปริมาณแสง 407W/m2 รูปที่ 4.10 รูปคลื่นแรงดัน และกระแสเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตย รูปที่ 4.11 รูปคลื่นแรงดัน และกระแสที่เชื่อมตอกับระบบกริด Ch1 = 20V/Div Ch2 = 1 A/Div Time = 25 ms/Div Vin Iin Vgrid = 40V/Div Igrid = 1 A/Div Time = 5 ms/Div Vgrid Igrid
- 71. 56 4.2.5 ผลการทดลองเมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงปริมาณแสงอยางรวดเร็ว การทดสอบการหาจุดจายกําลังสูงสุดเมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงปริมาณแสงแบบทันทีทันใดจะจําลอง ดวยการใชกลไกเปดและปดบังแสงของตูจําลองแสงอาทิตยเทียมโดยแบงเปน 2การทดลอง การทดลองที่ 1 มีปริมาณแสงเริ่มตนที่สองบนเซลลแสงอาทิตย 935 W/m2 เริ่มควบคุมการทํางานของ ระบบเชื่อมตอกริดเมื่อเวลาผานไป 5 วินาที จากนั้นปดที่บังแสงเพื่อลดปริมาณแสงลงเหลือ 742 W/m2 ที่เวลา 20 วินาที และเปดที่บังแสงอีกครั้งเพื่อเปลี่ยนปริมาณแสงกลับไปที่ 935 W/m2 ที่เวลา 37 วินาที โดยเวลาที่ใชในการปรับตัวจากปริมาณแสงหนึ่งไปยังอีกปริมาณแสงหนึ่งจะใชเวลาประมาณ 0.5 วินาที โดยผลการทดลองแสดงในรูปที่ 4.12 รูปที่ 4.12 แรงดัน และกระแสของเซลลแสงอาทิตยเมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงปริมาณแสงแบบ ทันทีทันใด การทดลองที่ 2 มีปริมาณแสงเริ่มตนที่สองบนเซลลแสงอาทิตย 407 W/m2 เริ่มควบคุมการทํางานของ ระบบเชื่อมตอกริดเมื่อเวลาผานไป 5 วินาที จากนั้นเพิ่มปริมาณแสงเปน 560 W/m2 ที่เวลา 19 วินาที และปดที่บังแสงอีกครั้งเพื่อลดปริมาณแสงกลับไปที่ 407 W/m2 ที่เวลา 35 วินาที โดยผลการทดลอง แสดงในรูปที่ 4.13 Vin Iin Ch1 = 20V/Div Ch2 = 0.5 A/Div Time = 5 s/Div S = 935 W/m2 S = 742 W/m2 S = 935 W/m2
- 72. 57 รูปที่ 4.13 แรงดันและกระแสของเซลลแสงอาทิตยเมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงปริมาณแสงแบบ ทันทีทันใด สําหรับรูปคลื่นแรงดันที่ตกครอมระหวางจุด a และ b (Vab) ในรูปที่ 4.2 แสดงดังรูปที่ 4.14 สวน รูปคลื่นแรงดัน และกระแสของตัวเหนี่ยวนํา (L) ของอินเวอรเตอรแสดงในรูปที่ 4.15 รูปที่ 4.14 แรงดันตกครอมอินเวอรเตอร (Vab) Ch1 = 20V/Div Ch2 = 0.5 A/Div Time = 5 s/Div Vi Ii S = 407 W/m2 S = 560 W/m2 S = 407 W/m2 Vab = 40V/Div Time = 5 ms/Div
- 73. 58 รูปที่ 4.15 แรงดันและกระแสของตัวเหนี่ยวนําของอินเวอรเตอร 4.3 การทดลองกับแสงอาทิตยจริง ในการนําเซลลแสงอาทิตยมาทดลองกับแสงอาทิตยจริงเพื่อแสดงวาระบบสามารถทํางานไดใน สภาวะบรรยากาศจริง โดยทดลองเมื่อวันที่ 28 ตุลาคม 2546 ตั้งแตเวลา 12.00 ถึง 16.30 โดยจะเก็บคา ทุก 30 นาที ทดลองตอระบบตามรูปที่ 4.1 เพื่อหาจุดทํางานที่จุดจายกําลังสูงสุดของเซลลแสงอาทิตย โดยผลการทดลองแสดงในตารางที่ 4.4 และทดลองตอเซลลแสงอาทิตยเขากับระบบเชื่อมตอ กริดดังรูปที่ 4.2 ผลการทดลองแสดงดังตารางที่ 4.5 จากผลการทดลองในตูจําลองแสงอาทิตยเทียม และในสภาพบรรยากาศจริงพบวาระบบสามารถดึง กําลังสูงสุดที่เซลลแสงอาทิตยสามารถจายไดมาใชทั้งในสภาวะที่ปริมาณแสงคงที่ สภาวะที่แสงมีการ เปลี่ยนแปลงอยางทันทีทันใด และสามารถจายกระแสรูปคลื่นไซนที่มีมุมเฟสตรงกับแรงดันของ ระบบกริดได โดยประสิทธิภาพเฉลี่ยในการดึงกําลังไฟฟาสูงสุดที่เซลลแสงอาทิตยจายไดมีคา 99.26 เปอรเซ็นต ประสิทธิภาพเฉลี่ยของตัวแปลงผันแบบทบระดับและอินเวอรเตอรมีคา 85.08 เปอรเซ็นต และประสิทธิภาพเฉลี่ยรวมของระบบมีคา 84.45 เปอรเซ็นต Ch1 = 100V/Div Ch2 = 1 A/Div Time = 5 ms/Div
- 74. 59 ตารางที่ 4.4 คุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตยที่เวลาตางๆ คุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตย เวลา VMAX(V) IMAX (A) PMAX (W) VOC (V) ISC (A) 12.00 49.5 1.53 75.7 72.0 1.77 12.30 50.3 1.52 76.5 72.0 1.78 13.00 49.6 1.54 76.4 71.9 1.72 13.30 50.0 1.48 74.0 72.0 1.70 14.00 50.4 1.39 70.1 71.3 1.60 14.30 49.9 1.28 63.9 70.2 1.46 15.00 51.2 1.16 59.4 71.7 1.32 15.30 52.4 0.95 49.8 71.4 1.06 16.00 54.1 0.80 43.3 71.0 0.91 16.30 55.4 0.55 30.5 71.7 0.60 ตารางที่ 4.5 คุณลักษณะ และประสิทธิภาพของระบบเชื่อมตอกริดที่เวลาตางๆ คุณลักษณะของระบบเชื่อมตอกริด สวนตามจุดจายกําลังสูงสุด (อินพุต) สวนเชื่อมตอกริด (เอาตพุต) เวลา (hr) Vin (V) Iin (A) Pin (W) Vgrid (V) Igrid (A) Pgrid (W) 12.00 50.0 1.49 74.5 87.1 0.76 66.8 12.30 49.5 1.53 75.7 86.6 0.77 67.5 13.00 49.8 1.49 74.2 86.0 0.75 66.1 13.30 50.2 1.45 72.8 87.1 0.73 64.4 14.00 50.2 1.38 69.3 86.9 0.71 59.4 14.30 50.1 1.25 62.6 86.0 0.65 54.5 15.00 51.6 1.13 58.3 85.5 0.61 52.0 15.30 53.4 0.90 48.1 86.2 0.50 42.1 16.00 54.3 0.78 42.4 85.4 0.43 36.8 16.30 56.3 0.52 29.3 85.6 0.3 26.7
- 75.
- 76. บทที่ 5 บทสรุปและขอเสนอแนะ 5.1บทสรุป วิทยานิพนธฉบับนี้เสนอการแปลงไฟฟากระแสตรงจากเซลลแสงอาทิตยมาเปนกระแสสลับจายเขา ระบบกริด โดยใชตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอล ADMC331 ของบริษัท Analog Device มาควบคุม การทํางานของระบบเชื่อมตอกริด โดยแบงการทํางานเปน 2 สวนคือสวนการตามหาจุดจายกําลัง สูงสุดของเซลลแสงอาทิตย ซึ่งใชเทคนิคการเพิ่มคาความนํา และสวนการแปลงกระแสตรงที่ไดจาก เซลลแสงอาทิตยเปนกระแสสลับรูปคลื่นไซนที่มีมุมเฟสตรงกับแรงดันของระบบกริดจายเขาระบบก ริดโดยใชหลักการควบคุมแบบฮีสเตอริซีส จากผลการทดลองพบวาระบบสามารถติดตามหาจุดจาย กําลังสูงสุดไดทั้งในสภาวะที่ปริมาณแสงคงที่ และสภาวะที่แสงมีการเปลี่ยนแปลงแบบทันทีทันใด และสามารถสรางกระแสรูปคลื่นไซนที่มีมุมเฟสเดียวกับแรงดันกริดจายเขาระบบกริดได โดย ประสิทธิภาพเฉลี่ยของระบบการหาจุดจายกําลังสูงสุดเทากับ 99.26% สวนประสิทธิภาพเฉลี่ยในการ สงกําลังไฟฟาเขาระบบกริดมีคา 84.45% เนื่องจากระบบไมไดควบคุมแรงดันเอาตพุตของตัวแปลงผันแบบทบระดับใหมีคาคงที่ ดังนั้นเมื่อมี การเปลี่ยนปริมาณแสงทําใหแรงดันตกครอมตัวเหนี่ยวนําที่ตออนุกรมกับอินเวอรเตอรมีแรงดันไม คงที่ โดยเฉพาะที่ปริมาณแสงต่ําๆ จะทําใหแรงดันเอาตพุตของตัวแปลงผันแบบทบระดับมีคามากทํา ใหระลอกคลื่นของกระแสที่ผานตัวเหนี่ยวนําของอินเวอรเตอรมีคามากทําใหสวิตชตัดตอวงจรเร็วขึ้น ซึ่งมีผลทําใหปริมาณฮารมอนิกเพิ่มขึ้น 5.2 ขอเสนอแนะ 5.2.1เนื่องจากการใชหลักการควบคุมแบบฮีสเตอริซีสจะทําใหความถี่ในการสวิตชไมคงที่ ทําใหการ วิเคราะห และการกรองฮารโมนิคมีความยุงยาก ดังนั้นการที่จะทําใหความถี่ในการสวิตชมีคาคงตัวทํา ไดโดยการนําเอาคาสัญญาณผิดพลาดจากการเปรียบเทียบคากระแสอางอิงกับคากระแสจริงที่อาน ไดมาเปรียบเทียบกับสัญญาณพีดับบลิวเอ็มดังรูปที่ 5.1 5.2.2 การปองกันการทํางานโดยลําพัง (Islanding Protection) เปนสวนที่สําคัญอีกสวนสําหรับระบบ เชื่อมตอกริดโดยระบบปองกันจะตองตัดระบบเชื่อมตอกริดออกจากกริดเมื่อเกิดไฟฟาดับเพื่อปองกัน
- 77. 62 อันตรายกับผูที่ไปซอมแซมระบบกริด และเชื่อมตอกับระบบกริดใหมเมื่อระบบกริดสามารถจาย กําลังไฟฟาไดอีก 5.2.3 ออกแบบวงจรกรองฮารมอนิกเพื่อลดปริมาณฮารมอนิกที่จะจายเขาระบบ รูปที่5.1 การมอดูเลตความกวางพัลสความถี่คงตัวโดยการควบคุมรูปคลื่นของกระแส InverterVs Load Iref ILoad VG + - + -
- 78. เอกสารอางอิง 1. Langridge, D.,Lawrance, W. and Wichert, B., 1994, “High Efficiency Solar Water Pumping System Using BDC Motor”, 12th European Photovoltaic Solar Energy Conference, pp. 227-230. 2. Hua, C., Lin, J. and Shen, C., 1998, “Implementation of a DSP-Controlled Photovoltaic System with Peak Power Tracking”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 45, pp. 99-107. 3. Hussein, K.H. and Muta, I., 1995, “Maximum Photovoltaic Power Tracking: an Algorithm for Rapidly Changing Atmospheric Conditions”, IEE Proceedings on Generation, Transmission, and Distribution, Vol. 142, No. 1, pp. 59-64. 4. Martina, C. and Hartmut, H., 1998 “A Ripple-Based Maximum Power Point Tracking Algorithm for a Single-Phase, Grid-Connected Photovoltaic System”, Solar Energy, Vol. 63, No. 5, pp. 277-282. 5. Hohm, D.P. and Ropp, M.E., 2000, “Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Algorithm Using an Experimental, Programmable, Maximum Power Point Tracking Test Bed”, Photovoltaic Specialists Conference, 2000. Conference Record of the Twenty-Eighth IEEE, 15-22 September 2000, pp. 1699-1702. 6. Muhammad, H.R., 2001, Power Electronics Handbook, Academic Press, California, pp. 539-562. 7. Premrudeepreechacharn, S. and Poapornsawan, T., 2000 “Fuzzy Logic Control of Predictive Current Control for Grid-Connected Single Phase Inverter”, Proceeding of IEEE 28th Photovoltaic Specialist Conference, pp. 1715-1718.
- 79. 64 8. Daniel, M.M.,1988, DC-DC Switching Regulator Analysis, McGraw-Hill, New York, pp. 5-45. 9. Simon, S.A., 1995, Power Switching Converters, Marcel Dekker, New York, pp. 27-37. 10. Analog Devices, 1995, “ADSP-2100 Family User’s Manual”, Computer Product Division, 3rd ed., pp. (15-23)-(15-106). 11. โคทม อารียา, 2544, อิเล็กทรอนิกสกําลัง 2, ซีเอ็ดยูเคชั่น, กรุงเทพฯ, หนา 91-92.
- 80.
- 81. 66 รูปที่ ก.1 ฮารดแวรที่ใชในการทดลอง รูปที่ก.2 ตูจําลองแสงอาทิตยเทียม
- 82.
- 83. 68 {******************************************************************************* * Program ofMaximum Power Point Tracking for Grid Connected Inverter * *******************************************************************************} .MODULE/RAM/SEG=USER_PM1/ABS=0x30 Main_Program; {******************************************************************************* * Include General System Parameters and Libraties * *******************************************************************************} #include <main.h>; #include <pwm331.h>; #include <mathfun.h>; {******************************************************************************* * Local Variables Defined in this Module * *******************************************************************************} .VAR/DM/RAM/SEG=USER_DM Vin; .VAR/DM/RAM/SEG=USER_DM Iin; .VAR/DM/RAM/SEG=USER_DM Vgrid; .VAR/DM/RAM/SEG=USER_DM Igrid; .VAR/DM/RAM/SEG=USER_DM Vp; .VAR/DM/RAM/SEG=USER_DM Ip; .VAR/DM/RAM/SEG=USER_DM dV; .VAR/DM/RAM/SEG=USER_DM dI; .VAR/DM/RAM/SEG=USER_DM diff; .VAR/DM/RAM/SEG=USER_DM duty; .VAR/DM/RAM/SEG=USER_DM adc1slope; .VAR/DM/RAM/SEG=USER_DM adc2slope; .VAR/DM/RAM/SEG=USER_DM adc1offset; .VAR/DM/RAM/SEG=USER_DM adc2offset; .VAR/DM/RAM/SEG=USER_DM Iinit; .VAR/DM/RAM/SEG=USER_DM count; .VAR/DM/RAM/SEG=USER_DM Imag; .VAR/DM/RAM/SEG=USER_DM Iref; .VAR/DM/RAM/SEG=USER_DM Ierr;
- 84. 69 .VAR/DM/RAM/SEG=USER_DM status; .VAR/DM/RAM/SEG=USER_DM Init_hys; .VAR/DM/RAM/SEG=USER_DMhys_band; .VAR/DM/RAM/SEG=USER_DM dacs; .INIT Vp : 0x0000; .INIT Ip : 0x0000; .INIT duty : 0x3336; {70% duty cycle} .INIT adc1slope : 0x1d5c; .INIT adc2slope : 0x1d5c; .INIT adc1offset : 0x6c2; .INIT adc2offset : 0x06b2; .INIT count : 0; .INIT Init_hys : 0x7fff; {Initial inverter switch to ON State} .INIT hys_band : 0x64; { = 0.006 A} .INIT dacs :1; .INIT Iref : 0x0; .INIT Iref1 : 0x0; {---------------------------------------- Start Program ----------------------------------------------} Startup: ICNTL = 0x00; PWM_Init(PWMSYNC_ISR, PWMTRIP_ISR); {Initial PWM} IFC = 0x80; { Clear any pending IRQ2 inter. } ay0 = 0x200; { unmask irq2 interrupts. } ar = IMASK; ar = ar or ay0; IMASK = ar; { IRQ2 ints fully enabled here } ar = 0x00b0; dm(modectrl) = ar; call DAC_Init; {Initial Digital to Analog chip} ax0=0; dm(PWMCHA)=ax0; dm(PWMCHB)=ax0;
- 85. 70 dm(PWMCHC)=ax0; Main: Jump Main; {Waitfor interrupt to occur} rts; {--------------------------------- Duty cycle of Boost Converter --------------------------------------------} .MACRO MPPT_Duty_update(%0); sr0 = DM(PWMTM); sr = LSHIFT sr0 by -1 (LO); mr = 0; mr1= sr0; my0 = %0; mr = mr + sr0 * my0 (SS); dm(PWMCHA) = mr1; .ENDMACRO; {----------------------------------------------- Division --------------------------------------------------------} div: AX1=AY1,AF=AX0-AY1; AR=ABS AX0; test_2: {Division by -1} if NOT AV JUMP test_3; AR = -AY1; {Return -x } RTS; test_3: {x=y therefore return 1} AF=PASS AF; if NE JUMP test_4; AR=0x7FFF; ASTAT=0x0; RTS; test_4: AX1=AY1,AR=ABS AX0; AF=ABS AX1; AF=AF-AR; if LT JUMP do_div; AR=0x7FFF; AF=PASS AY1; if LT AR= NOT AR; {return - infinity}
- 86. 71 AF=PASS AX0; if LTAR= NOT AR; {return - * - infinity} ASTAT=0x4; {Division Overflow} RTS; do_div: DIVS AY1,AX0; CNTR=15; do do_div01 until ce; do_div01: DIVQ AX0; AR= pass AY0; if LT AR= AR+1; RTS; .MACRO Division(%0,%1,%2); { input = (ay1.ay0)/ax0, output = ar} ay1 = %0; {The numerator must less than denomirator} ay0 = %1; ax0 = %2; call div; .ENDMACRO; {------------------------------------------- band gap of Zero ---------------------------------------------------} .MACRO Check_Zero(%0); {check band of zero } ar = %0; af = pass ar; ar = abs ar; ay0 = 0x2; ar = ar-ay0; if LE af = pass 0; ar = pass af; .ENDMACRO; {-------------------------------------- Drive signal of Inverter -----------------------------------------------} .MACRO Inv_duty_update(%0,%1); sr0 = DM(PWMTM); sr = LSHIFT sr0 by -1 (LO); mr =0; mr1= sr0; my0 = %0; mr= mr + sr0 * my0 (SS); dm(PWMCHB) = mr1; mr =0; mr1= sr0; my0 = %1; mr= mr + sr0 * my0 (SS); dm(PWMCHC) = mr1;
- 87. 72 .ENDMACRO; {---------------------------------------------- Hysteresis --------------------------------------------------------} check_hys: ar= pass ay0; if GT jump C_Pos; if LT jump C_Neg; if EQ ar = pass -32768; ay0 = 0x8000; Inv_duty_update(ar,ay0); rts; C_Pos: ar = 0x8; dm(pwmseg) = ar; {off BL of PWM} ar = ax0; Inv_duty_update(ar,ay0); rts; C_Neg: ar = 0x4; dm(pwmseg) = ar; {off BH of PWM} ar = not ax0; Inv_duty_update(ar,ay0); rts; .MACRO Hysteresis_update(%0,%1); ax0 = %0; {hys duty update} ay0 = %1; {check cycle of sinusoidal (+or -)} call check_hys; .ENDMACRO; {------------------------- DAC Output for TLV5168AI in Slow Mode Coversion -------------------------} DAC_Init: Clear_Bit_DM(sport0_ctrl_reg, 14); Write_DM(sport0_sclkdiv, 32); {sets serial clock frequency} { Configuration: Internally generated serial clock :ISCLK =1 Transmit frame sync required : TFSR =1 Alternate framing mode : TFSW =1
- 88. 73 Transmit frame syncactive LOW : INVTFS=1 Data format right just., 0 filled : DTYPE =b#00 Word length 16 bits : SLEN =0xf } ar = dm(sport0_ctrl_reg); ay0 = b#0100101000001111; ar = ar or ay0; ay0 = b#1111111111001111; ar = ar and ay0; dm(sport0_ctrl_reg) = ar; { Configuration: Use Registers I1, L1 and M1 for autobuffering TIREG =b#001 TMREG =b#01 } ar = dm(sport0_Autobuf_ctrl); ay0 = b#0000001010000010; ar = ar or ay0; ay0 = b#1111001011111101; ar = ar and ay0; dm(sport0_Autobuf_ctrl)=ar; {sets autobuffer registers } ifc = 0x0020; {clear pending transmit interrupts} Set_Bit_DM(SYSCNTL, 12); {enable SPORT0} rts; {--------------------------------------------- DAC OUTPUT ---------------------------------------------------} Toggles: mr2=dm(dacs); ar=TGLBIT 0 of mr2; dm(dacs)=ar; rts; DAC_OUT:{ Input = mr0(Signal1); mr1(Signal2); mr2(DAC Selector)} af=pass mr0; ar=mr2-1; if EQ af=pass mr1; ar=pass af; ax1=ar;
- 89. 74 af=pass -0x8000; ar=mr2-1; ifEQ af=pass 0x1000; ar = ax1; sr = lshift ar by -3 (hi); ar= sr1 or af; tx0=ar; rts; .MACRO Output(%0,%1,%2); mr0=dm(%0); mr1=dm(%1); mr2=dm(%2); CALL DAC_OUT; .ENDMACRO; {----------------------------------------------- MAX196 ADC --------------------------------------------------} ADC_READ : { Input : ay0(Channel)……Output : ar(D Value) } ar = 0x70; dm(PIODIR1) = ar; ar = 0xFF; dm(PIODIR0) = ar; ar = 0x48; ar = ar or ay0; dm(PIODATA0) = ar; ar = 0x20; dm(PIODATA1) = ar; ar = 0x70; dm(PIODATA1) = ar; WaitADC : ax0 = dm(PIODATA1); ar = TSTBIT 7 of ax0; if NE Jump WaitADC; ar = 0; dm(PIODIR0) = ar; ar = 0x40; dm(PIODATA1) = ar; ar = 3; DLAY : ar = ar-1; if GT Jump DLAY; ar = dm(PIODATA1); sr = Lshift ar by 8(hi); ay1 = dm(PIODATA0); ar = sr1 or ay1; ay1 = 0xFFF; ar = ar and ay1; ax0 = 0x70; dm(PIODATA1) = ax0; sr = Ashift ar by 4(hi); ar = sr1; { Expanded Variable to 16-bit Full Scale } rts; .MACRO ADCREAD(%0,%1); { Output : dm(%1)=ar;}
- 90. 75 ay0=%0; CALL ADC_READ; dm(%1)=ar; .ENDMACRO; {******************************************************************************* * PWMInterrupt Service Routine * *******************************************************************************} PWMSYNC_ISR: Call Toggles; AX1 = 2; I0=0x2000;{Adc address} I1=0x3800; {Data mem} I2=0x380A;{Adcslope} I3=0x380E; {Adcoffset} M0=1;L0=0; adc_read1: {read data from adc of ADMC331} ena ar_sat; ax0 = dm(I0,M0); ay0 = dm(I3,M0); ar = ax0-ay0; my0 = dm(I2,M0); mr = ar*my0 (rnd); sr = Lshift mr1 by 3 (HI); ar = sr1; check_min: if AC jump check_max; ar = 0x0000; jump Keep; check_max: af = ar-0x7fff; if LT jump keep; ar = 0x7fff;
- 91. 76 Keep: dm(I1,M0) =ar; ar = ax1-1; ax1 = ar; if GT jump adc_read1; dis ar_sat; ar = dm(Iin); dm(Iinit) = ar; ADCREAD(0,Vgrid); {read data from MAX196} ADCREAD(1,Igrid); {******************************************************************************* * Maximum Power Point Tracking * *******************************************************************************} Mppt: ax0 = dm(count); { } af = pass ax0; { } if EQ jump aaa; { } ay0 = 1; { run MPPT every Time = 2.5 ms } ar = ax0-ay0; { } dm(count) = ar; { } jump cal_Iref; { } aaa: mx1 = dm(Iin); mr = 0; my0 = 0x2d8; { change Ibase to Vbase} mr = mx1*my0 (rnd); { Ibase = 2 A, Vbase = 90V} ax1 = mr1; dm(Iin) = ax1; ay1 = dm(Ip); ar = ax1-ay1; {dI = Iin-Ip} dm(dI) = ar; dm(Ip) = ax1; ax0 = dm(Vin); ay0 = dm(Vp);
- 92. 77 ar = ax0-ay0;{dV = Vin-Vp} dm(dV) = ar; dm(Vp) = ax0; Check_Zero(ar); if EQ jump check_I; {if dV = 0 then check dI} ay1 = dm(dI); Division(ay1,0x0000,ar); {calculate dI/dV} dm(diff) = ar; ar = dm(Vin); ay1 = dm(Iin); Division(ay1,0x0000,ar); {calculate I/V} ay0 = dm(diff); ar = ar+ay0; {calculate I/V+dI/dV} Check_Zero(ar); if EQ jump end_mppt; if GT jump sub; if LT jump add; check_I: ax0 = dm(dI); ar = pass ax0; Check_Zero(ar); if EQ jump end_mppt; if GT jump sub; if LT jump add; sub: ax0 = dm(duty); {decrese duty ratio for increasing solar voltage} ay0 = 655; {step of duty cycle = 0.01} ar = ax0-ay0; dm(duty) = ar; jump end_mppt; add: ax0 = dm(duty); {Increse duty ratio for decreasing solar voltage} ay0 = 655; ar = ax0+ay0;
- 93. 78 dm(duty) = ar; jumpend_mppt; end_mppt: ar = dm(duty); af = pass ar; if GT jump Positive; if LT jump Negative; if EQ jump Zero; Positive: ay0 = 0x599d; {Max duty = 85%} ar = ar - ay0; if GT af = pass ay0; ar = pass af; jump Zero; Negative: ay1 = 0x999a; {Min duty = 5%} ar = ar - ay1; if LT af = pass -32768; ar = pass af; Zero: dm(duty) = ar; MPPT_Duty_update(ar); ax0 = 50; dm(count) = ax0; { count for 2.5 ms} {******************************************************************************* * HYSTERESIS CONTROL * *******************************************************************************} STATE: my0 = 0x77c2; {scale Ipv for Imag} ar = dm(Iinit); mr = 0; mr = ar*my0 (rnd);
- 94. 79 dm(Imag) = mr1; ax0= dm(Vgrid); {check the curve that is on cycle + or cycle -} ar = pass ax0; if GT jump C_positive; { If it's a zero set the status to 0 } if LT jump C_negative; if EQ jump middle; C_positive: {build Iref } ax1 = 0x7fff; dm(status) = ax1; mr = 0; my0 = dm(Imag); mr = ar*my0 (rnd); dm(Iref) = mr1; jump HYS; C_negative: ax1 = 0x8000; dm(status) = ax1; ar = abs ar; if av ar = pass 32766; mr = 0; my0 = dm(Imag); mr = ar*my0 (rnd); dm(Iref) = mr1; jump HYS; middle: ax1 = 0x0000; dm(status) = ax1; ay1 = 0x7fff; dm(Iref) = ay1; HYS: ar = dm(Init_hys); {status of previous Hysteresis } af = pass ar; ax0 = dm(Igrid); ar = pass ax0;
- 95. 80 if LT ar= abs ar; new_I: dm(Vgp) = ar; ay1 = ar; ax1 = dm(Iref); ar = ax1-ay1; dm(Ierr) = ar; {Ierr = Iref – Igrid} ay0 = dm(hys_band); ax0 =ar; ar = ax0-ay0; if GE af = pass 32766; { if Ierr is greater than upper hys_band, switch on} ar = ax0+ay0; if LE af = pass -32768; { if Ierr is less than lower hys_band, switch off} ar = pass af; dm(Init_hys) = ar; ay0 = dm(status); Hysteresis_update(ar,ay0); Output(Iref,Vgp,dacs); {showing data pass TLV5168AI DAC} RTI; {******************************************************************************* * PWM Trip Interrupt Service Routine * *******************************************************************************} PWMTRIP_ISR: nop; rti; .endmod;
- 96. 81 ประวัติผูวิจัย ชื่อ – สกุลนายสินชาย แซตั้ง วัน เดือน ปเกิด 18 พฤศจิกายน 2520 ประวัติการศึกษา ระดับมัธยมศึกษา ประโยคมัธยมศึกษาตอนปลาย โรงเรียนสวนกุหลาบวิทยาลัย พ.ศ. 2537 ระดับปริญญาตรี วิศวกรรมศาสตรบัณฑิต สาขาวิชาวิศวกรรมไฟฟา สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกลาเจาคุณทหารลาดกระบัง พ.ศ. 2541 ระดับปริญญาโท วิศวกรรมศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาวิศวกรรมไฟฟา มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกลาธนบุรี พ.ศ. 2546 ผลงานที่ไดรับการตีพิมพ สินชาย แซตั้ง และ เชิดชัย ประภานวรัตน, 2546 “การหาคา กําลังไฟฟาสูงสุดสําหรับอินเวอรเตอรแบบเชื่อมตอกริดโดยใช ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอล”, การประชุมวิชาการทาง วิศวกรรมไฟฟา ครั้งที่ 26, 6-7 พฤศจิกายน 2546, สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกลาพระนครเหนือ, เลมที่ 2, หนา 660-665.
- 97. ~iirl~J.I~~IIIII~BT~,C~~~!~ 111ula~npLrai~;L~iIfiuI.&~Wu~p~.u~!mP U->4 ~~;IR~~~~RLL~~II~~~I~~I~~,L~:~.~:~L~~~L~ ~~S~~I~~,~~UU~I~LJI?IL;~~RU~1.k~~ KIAP-~u~n~~~,~ulw~~lt GMIPOrLPMLIfi6U1965LSULrldUlY8;LSL31II'LZ16131flrfl11U~i'I(3LICLlY%Lldl;l,kMfZILll)LLBlUL4MLMYiOMP YII ualrro~~~smya~rr~ l7~~~~~~~~~L~~u~~H~M:IIIM~~~~,~IIM~LIIu~I :IIO~IEU~LIII~IUL~~;~LU~I~ 'Z C r~isnu~~.unrnrp I.,),L,,ub;I~r1n~yu1nns2~1ino Inli~u~n,g~nap~insc~nn~runng~~nhamomr 1A -r LC~?LIO!".L,$XIML~111~~1,14~u,gtL1 P~,UIIIIMI~~~I~;+~M L,rlL11LI[.LC'FLLybBZL[II.$1MIp~pLutl~'2 II~.,IJU,~LI~I~~UIDBRM~II ,,nu1,-rI;Gaul.-ILI~~IUIL~P~,!II~~IIP~ i(<iwuPL~Y~UM~~&~I~L L:LK C,'='" E!IIIfiI~ld~nnl~~~g~~tldilln~ri i!r!il~b~omuuu~ilrlllyillnnotb~rlu~r~~ LJUleI.IaLPI11n~ll,1414~1 pw C,w-r LI1M~~Lllll,t',~~,L~P~L~bUJb)~bL611'L~1!IL L!UICrLnL4UlliI4rTkiPiI(ILPI!MIJlC_gLlglLI!rlC31PVUMI$Ilia12I puc.wi,!i rri" J.. rknnlpuirfiia2~1?u~1111r2y1otitIiirf~lllb~ldbl11;'11111~1RU~! lurmrrtlrln~.jr El+*r. r nj:?~pagxwirszwhnrL=suirrav,$L,IL.L.I(P1111tII!.uLltrr~Y'~1,luzeprJ,pns.rar~orsi~~icurx~,~.unllis CIL.(~alra~ul pa~auun~p!~!)JOJ~~II!YJAJLW!OJJ~NO,~ ulnW!vqkpassg-asu)u~~ggmiii9iir~~~ue~rt:~p Y L~#~~~u~uQ~RQI)T~~A~oY~~oL~~~~~~~~~~~E~~) ~1,ldlMLlUEULI~~~M.I~LOU~.L$~~~~~L~ rSy+'-J ncuPeuL,[lj.;-~J~iaLb~z~~b~rt~~lL2,-UULJeILJ~II~~~ eaHiwtrruwe:nrugnausnrtiltl;r rr7P tureakaiRRU~.L(LCOUI-$L~IBL~JLIIIIIO:LMOI~w-111. ?UL~I~~I r~lit I,LLIfllLgk~$@nMUL~M~LU~C~~ZUI -OII, ruta~rrnkaul~%uqltr_oghrtuausiorntnugu_eurai~ pzra~noir~~urnnt~ rs~uevrn~,$e !-'