analysis and design of a photovoltaic simulator

การวเคราะหและออกแบบเครองจาลองเซลลแสงอาทตย

นายปกครอง วงศคณ

วทยานพนธนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตร วศวกรรมศาสตรมหาบณฑต

สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา ภาควชาวศวกรรมไฟฟาและคอมพวเตอร บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาพระนครเหนอ

ปการศกษา 2555 ลขสทธของมหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาพระนครเหนอ

ข

ชอ : นายปกครอง วงศคณ ชอวทยานพนธ : การวเคราะหและออกแบบเครองจาลองเซลลแสงอาทตย สาขาวชา : วศวกรรมไฟฟา มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาพระนครเหนอ อาจารยทปรกษาวทยานพนธหลก : ผชวยศาสตราจารย ดร.พสษฐ ลวธนกล ปการศกษา : 2555

บทคดยอ ในการวจยนน มความปรารถนาอยางยงตอแหลงจายกาลงไฟฟาอนซงสามารถเลยนแบบ

กราฟแรงดนและกระแสของแหลงจายกาลงไฟฟาทดแทน เหตเพราะวา เทคนคการควบคม อนพเศษนนจะไมอาจสามารถทาใหเปนจรง หากปราศจากการทดสอบใด ๆ กอนถกนาไปใชกบงานจรง วทยานพนธฉบบนศกษาแนวทางการออกแบบเครองจาลองเซลลแสงอาทตย โดยม วงจรภาคกาลงเปนวงจรแปลงผนไฟตรง/ไฟตรงชนดทอนแรงดนททางานในโหมดกระแสตอเนอง ในงานน ตวควบคมแบบดจตอล อาร-เอส-ท ถกนามาใชสาหรบกาหนดคณลกษณะกระแสท ตวเหนยวนาของวงจรแปลงผน สงผลใหวงจรแปลงผนสามารถเลยนแบบกราฟแรงดนและกระแสของอะเรยเซลลแสงอาทตยไดอยางแมนตรงแมกระทงในสภาวะเงาบดบง อกทงยงไดศกษารายละเอยดการสรางแบบจาลองอะเรยเซลลแสงอาทตยเพอจดเตรยมขอมล Lookup Table ของสญญาณอางองสาหรบลปกระแส ซงเทคนคการควบคมทนาเสนอไดถกทาใหประจกษชดดวย FiO boards RapidSTM32 blockset โดยผลการทดลองพสจนใหเหนวาเครองจาลอง เซลลแสงอาทตยสามารถเลยนแบบกราฟแรงดนและกระแสไดเปนอยางด รวมถงการม ผลการตอบสนองพลวต และสมรรถนะทดยง

(วทยานพนธมจานวนทงสน 64 หนา) คาสาคญ : เครองจาลองเซลลแสงอาทตย ตวควบคมแบบดจตอล อาร-เอส-ท สภาวะเงาบดบง

อาจารยทปรกษาวทยานพนธหลก

ค

Name : Mr.Pokkrong Vongkoon Thesis Title : Analysis and Design of a Photovoltaic Simulator Major Field : Electrical Engineering King Mongkut’s University of Technology North Bangkok Thesis Advisor : Assistant Professor Pisit Liutanakul (Dr.-Ing.) Academic Year : 2012

Abstract The necessity of electric power source that can emulate voltage and current curve

(V-I curve) of renewable electric power source is more and more required in the research area. This is because the special techniques of control cannot be realized without any test before adapt to the real world applications. This thesis investigates a guide to design a photovoltaic (PV) simulator using a classical dc/dc buck converter as a power stage that is operated in continuous conduction inductor current mode (CCM). In this work, the digital R-S-T controller (The polynomial control technique) is applied to characterize the converter’s inductor current, so the converter can emulate accurately the V-I curve of photovoltaic array even though any under partial shading condition. Details of photovoltaic array’s model; preparing the template lookup table of current loop command signal, is investigated. The proposed control technique is realized by the FiO boards RapidSTM32 blockset. The experimental results confirm that the PV simulator can emulate well its template with good dynamic and performance.

(Total 64 pages)

Keywords : Photovoltaic Simulator, The Digital R-S-T Controller, Partial Shading Condition ________________________________________________________________________Advisor

ง

กตตกรรมประกาศ

วทยานพนธนสาเรจไดดวยความชวยเหลอจากบคคลหลายฝาย ผเขยนขอขอบพระคณ ผชวยศาสตราจารย ดร.พสษฐ ลวธนกล อาจารยทปรกษาทกรณาใหคาแนะนา ชวยเหลอใน การแกปญหาตาง ๆ ระหวางทาวจย รวมทงการตรวจทานแกไขขอบกพรองของวทยานพนธฉบบน ขอขอบพระคณคณาจารยประจาภาควชาวศวกรรมไฟฟาและคอมพวเตอรทก ๆ ทานทไดประสทธประสาทวชาอยางเสมอมา ขอขอบพระคณผชวยศาสตราจารย ดร.เกษม อทยไขฟา และ รองศาสตราจารย ดร.สขสนต นนงาม ทไดสละเวลามาเปนคณะกรรมการในการสอบวทยานพนธ ขอขอบคณหองปฏบตการกลมวจยพลงงานสเขยว (GRG) ภาควชาวศวกรรมไฟฟาและคอมพวเตอร ทสนบสนนเออเฟอดานสถานท และเครองมอในการทาวจยครงน ทงนวทยานพนธฉบบนไดรบความสนบสนนบางสวนจากทนอดหนนการวจยของบณฑตวทยาลย มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาพระนครเหนอ

ขอขอบคณพ ๆ เพอน ๆ นอง ๆ รวมถงทก ๆ ทานนอกเหนอจากทกลาวมา ทใหการสนบสนนชวยเหลอ และใหคาปรกษา รวมทงเปนกาลงใจตลอดจนวทยานพนธนสาเรจลลวง

สดทายนขอกราบขอบพระคณ คณพอสมปอง และคณแมไพรวลย วงศคณ ทใหการอบรมสงสอน ใหคาปรกษา ใหคาแนะนา และใหการสนบสนน รวมถงทก ๆ คนในครอบครวซงเปนกาลงใจอนมคายง

ปกครอง วงศคณ

จ

สารบญ หนา

บทคดยอภาษาไทย ข บทคดยอภาษาองกฤษ ค กตตกรรมประกาศ ง สารบญตาราง ช สารบญภาพ ซ คาอธบายสญลกษณและคายอ ญ บทท 1 บทนา 1 1.1 ความเปนมาและความสาคญของปญหา 1 1.2 วตถประสงคของงานวจย 4 1.3 ขอบเขตของการวจย 4 1.4 วธการดาเนนงานวจย 4 1.5 ประโยชนของการวจย 5 บทท 2 การสรางแบบจาลองอะเรยเซลลแสงอาทตย 6 2.1 แบบจาลองโมดลเซลลแสงอาทตย 6 2.2 แบบจาลองสตรงเซลลแสงอาทตยภายใตสภาวะเงาบดบง 7 2.3 แบบจาลองอะเรยเซลลแสงอาทตยภายใตสภาวะเงาบดบง 11 2.4 ผลการจาลองการทางานแบบจาลองเซลลแสงอาทตย 11 2.5 สรป 12 บทท 3 การวเคราะหและออกแบบเครองจาลองเซลลแสงอาทตย 14 3.1 วงจรทอนแรงดน 14 3.2 เครองมอทใชในการวจย 16 3.3 การวเคราะหการวางโพลระบบควบคม 19 3.4 สรป 21 บทท 4 ผลการทดลอง 22 4.1 การทดสอบตวควบคม 22 4.2 การทดสอบเครองจาลองเซลลแสงอาทตย 26 4.3 สรป 31

ฉ

สารบญ (ตอ) หนา

บทท 5 สรปและขอเสนอแนะ 32 5.1 สรป 32 5.2 ขอเสนอแนะ 33 เอกสารอางอง 34 ภาคผนวก ก 36 แบบจาลองอะเรยเซลลแสงอาทตย 37 ภาคผนวก ข 45 ฟงกชนถายโอนของพลานต 46 ภาคผนวก ค 48 แผนภาพวงจรทเกยวของ 49 ภาคผนวก ง 52 บทความวชาการทไดรบการตพมพ 53 ภาคผนวก จ 61 ระบบควบคมและฮารดแวร 62 ประวตผวจย 64

ช

สารบญตาราง

ตารางท หนา 2-1 คาพารามเตอรของโมดลเซลลแสงอาทตย Photowatt-PW1000 11 4-1 คาพารามเตอรสาหรบเครองตนแบบ 22 4-2 เงอนไขคาความเขมแสงทใชทดสอบ 30 ก-1 คา Bandgap Voltage สาหรบประเภทสารกงตวนาทใชสรางเซลลแสงอาทตย 37

ซ

สารบญภาพ

ภาพท หนา 2-1 วงจรเทยบเคยงโมดลเซลลแสงอาทตย 6 2-2 สตรงเซลลแสงอาทตย 7 2-3 กราฟคณสมบตแรงดนและกระแสสตรงเซลลแสงอาทตย 8 2-4 ขนตอนวธการคานวณกระแสสตรงเซลลแสงอาทตย 10 2-5 การตออะเรยเซลลแสงอาทตย 10 2-6 ผลการจาลองการทางานแบบจาลองโมดลเซลลแสงอาทตย 11 2-7 ผลการจาลองการทางานแบบจาลองสตรงเซลลแสงอาทตย 13 2-8 ผลการจาลองการทางานแบบจาลองอะเรยเซลลแสงอาทตย 13 3-1 วงจรทอนแรงดน 14 3-2 รปคลนสาหรบวเคราะหกระแสรปเปลและแรงดนรปเปล 15 3-3 แบบจาลองวงจรทอนแรงดน 15 3-4 กราฟอธบายโหมดการทางานของเครองจาลองเซลลแสงอาทตย 17 3-5 โครงสรางตวควบคมแบบดจตอล อาร-เอส-ท 17 3-6 บลอกไดแกรมเครองจาลองเซลลแสงอาทตย 20 3-7 แผนภาพโพล-ศนย 20 3-8 แผนภาพความไวในโดเมนความถ 20 4-1 ผลการทดสอบการตดตาม 23 4-2 ผลการทดสอบการตดตามในสภาวะชวคร 24 4-3 ผลการทดสอบการคมคา โดยการเปลยนแปลงคาความตานทานโหลดอยาง

ฉบพลน 25 4-4 ผลการทดสอบการจาลองคณสมบตแรงดนและกระแสของอะเรยเซลลแสงอาทตย 27 4-5 ผลการทดสอบทคาความเขมแสง 1,000 2W m อณหภม 25 °C และ

มการเปลยนแปลงคาความตานทานโหลดอยางฉบพลน 28 4-6 ผลการทดสอบทคาความตานทานโหลดคงท 10 Ω อณหภมคงท 25 °C และ

มการเปลยนแปลงคาความเขมแสงอยางฉบพลน 29 4-7 ผลการทดสอบการจาลองคณสมบตแรงดนและกระแสอะเรยเซลลแสงอาทตย

ในสภาวะเงาบดบง 30

ฌ

สารบญภาพ (ตอ)

ภาพท หนา 5-1 โครงสรางวงจรทอนแรงดนทมการจากดคาความตานทานโหลด 33 ก-1 กราฟคณสมบตแรงดนและกระแสโมดลเซลลแสงอาทตยเมอเปลยนแปลงคา A 37 ก-2 การไหลของกระแส IAx เมอ Ga = Gb = Gc 39 ก-3 การไหลของกระแส IAx เมอ (Ga = Gb) และ (Gb < Gc) 39 ก-4 การไหลของกระแส IAx เมอ (Ga < Gb) และ (Gb = Gc) 39 ก-5 การไหลของกระแส IAx เมอ (Ga < Gb) และ (Gb < Gc) 39 ข-1 PWM Average Switch Modeling ของวงจรทอนแรงดน 47 ค-1 แผนภาพวงจรทอนแรงดน 49 ค-2 แผนภาพวงจรขยายผลตาง 50 ค-3 แผนภาพวงจรขบสญญาณเกท 51 จ-1 แผนภาพระบบควบคม 62 จ-2 รปถายฮารดแวร 63

ญ

คาอธบายสญลกษณและคายอ

A คา Ideality Factor C คาตวเกบประจของวงจรทอนแรงดน D คาวฏจกรงานของวงจรทอนแรงดน

,c if คาความถคทออฟสาหรบลปกระแส

swf คาความถสวตชของวงจรทอนแรงดน G คาความเขมแสงของเซลลแสงอาทตย ( 2W m )

0I คากระแสอมตวของไดโอดสาหรบแบบจาลองเซลลแสงอาทตย

AI กระแสอะเรยเซลลแสงอาทตย

AxI กระแสสตรงเซลลแสงอาทตย

Ci กระแสทตวเกบประจของวงจรทอนแรงดน

Li กระแสทตวเหนยวนาของวงจรทอนแรงดน

LIΔ คากระแสรปเปลทตวเหนยวนาของวงจรทอนแรงดน

MPPI คากระแสทจดกาลงไฟฟาสงสดของโมดลเซลลแสงอาทตย

oi กระแสเอาทพตของวงจรทอนแรงดน

PhI คากระแสเนองจากแสงของเซลลแสงอาทตย

,Ph aI คากระแสเนองจากแสงของเซลลแสงอาทตยทโมดล a

,Ph bI คากระแสเนองจากแสงของเซลลแสงอาทตยทโมดล b

,Ph cI คากระแสเนองจากแสงของเซลลแสงอาทตยทโมดล c

PVI กระแสเซลลแสงอาทตย

SCI คากระแสลดวงจรของโมดลเซลลแสงอาทตย k คา Boltmann’s Constant ( 23 11.38 10 JK− −× )

TK คา Temperature Coefficient ของเซลลแสงอาทตย L คาตวเหนยวนาของวงจรทอนแรงดน

sN จานวนเซลลแสงอาทตยทตออนกรมกนของโมดลเซลลแสงอาทตย

MPPP คากาลงไฟฟาทจดสงสดของโมดลเซลลแสงอาทตย q คา Electronic Charge ( 191.6 10 C−× )

QΔ คาการเปลยนแปลงประจไฟฟาทตวเกบประจ R คาความตานทานของวงจรทอนแรงดน

ฎ

คาอธบายสญลกษณและคายอ (ตอ)

pR คาความตานทานขนานของเซลลแสงอาทตย

sR คาความตานทานอนกรมของเซลลแสงอาทตย

sMR คาความตานทานอนกรมของโมดลเซลลแสงอาทตย

sxR คาความตานทานอนกรมของสตรงเซลลแสงอาทตย STC Standard Test Condition

1( )ypS q− Sensitivity Function 1( )yrS q− Complementary Sensitivity Function

T คาอณหภมแวดลอมของเซลลแสงอาทตย

sT คาบเวลาการชกตวอยาง

STCT คาอณหภมแวดลอมท Standard Test Condition (25 C° )

swT คาบเวลาการสวตชของวงจรทอนแรงดน

AV แรงดนอะเรยเซลลแสงอาทตย

AxV แรงดนสตรงเซลลแสงอาทตย

baV คาแรงดนสตรงททาใหกระแสสตรงมคาเทากบ ,Ph aI

CVΔ คาแรงดนรปเปลทตวเกบประจของวงจรทอนแรงดน

cbV คาแรงดนสตรงททาใหกระแสสตรงมคาเทากบ ,Ph bI

gV คา Band Gap Voltage ของเซลลแสงอาทตย

iv แรงดนอนพตของวงจรทอนแรงดน

MV แรงดนโมดลเซลลแสงอาทตย

MPPV คาแรงดนทจดกาลงไฟฟาสงสดของโมดลเซลลแสงอาทตย

ov แรงดนเอาทพตของวงจรทอนแรงดน

OCV คาแรงดนเปดวงจรของโมดลเซลลแสงอาทตย

PVV แรงดนเซลลแสงอาทตย

บทท 1 บทนา

1.1 ความเปนมาและความสาคญของปญหา ปจจบนมพลงงานถกนามาใชมากขนทงในครวเรอนและอตสาหกรรม อกทงแนวโนมการใชพลงงานยงเพมขนเรอย ๆ ดงนนจงตองเสาะหาแหลงพลงงานทางเลอก พลงงานแสงอาทตยเปนพลงงานทางเลอกหนงทถกยอมรบและเปนทนยม [1] เนองจากคณสมบตของเซลลแสงอาทตย ทสามารถแปลงพลงงานแสงเปนพลงงานไฟฟาไดโดยตรงและมประสทธภาพ เซลลแสงอาทตย จงถกนาไปใชในหลายงาน เชน ระบบเซลลแสงอาทตยแบบเชอมตอระบบจาหนาย (Grid Connected PV System) [2] และระบบประจแบตเตอรเซลลแสงอาทตย (PV Battery Charging System) [3] ฯลฯ อยางไรกดเนองจากคณสมบตแรงดนและกระแสของเซลลแสงอาทตยไมเปนเชงเสน อกทงยงเปลยนแปลงตามปจจยอนไดแก อณหภม (Temperature: oC) และความเขมแสง (Irradiance: W/m2) เปนสาคญ จงตองใชงานควบคกบตวตดตามจดกาลงสงสด (Maximum Power Point Tracker: MPPT) [4] กรณตองการกาลงไฟฟาทสงขน โมดลเซลลแสงอาทตยจะถกเชอมตอในลกษณะอะเรย (Array Connection) ประกอบไปดวยการตอเซลลแสงอาทตยทงแบบอนกรมและขนาน โดยการตอแบบอนกรมจะทาใหไดระดบแรงดนเอาทพตทสงขน ในขณะทการตอแบบขนานจะทาใหไดปรมาณของกระแสเอาทพตทสงขน ซงการตอแบบอนกรมจะมบายพาสสไดโอด (Bypass Diode) เชอมตอขนานแตละโมดลเพอปองกนความเสยหาย (Hot Spot) ในสภาวะทความเขมแสงแตละโมดลไมเทากน (Shading Problem) ผลทตามมาคอกราฟคณสมบตแรงดนและกระแสมรปรางทเปลยนไปเมออยในสภาวะเงาบดบง (Partial Shading) จงจาเปนตองมการพฒนาตวตดตามจดกาลงสงสดเพอใหยงคงสามารถตดตามจดกาลงสงสดสมบรณ (Absolute Maximum Power Point) แมในสภาวะเงาบดบง ซงการพฒนาตวตดตามจดกาลงสงสดจาเปนตองทดลองรวมกบเซลลแสงอาทตยภายใตแสงอาทตยเทยมทควบคมได นอกจากนการทดลองทกาลงไฟฟาสงขนจาเปนตองเพม การตดตงโมดลเซลลแสงอาทตยเปนจานวนมาก ปญหาทตามมาคอตองอาศยพนทกวางเพอรองรบการตดตงเหลาน มคาใชจายทมากขน และมการสญเสยกาลงไฟฟาเพมขน ดวยเหตนจงมแนวความคดในการสรางเครองจาลองเซลลแสงอาทตยเพอใชในการวจย การทดลอง และการพฒนาการใชพลงงานจากเซลลแสงอาทตยภายในหองทดลองเพอความสะดวกในการจาลองพฤตกรรมทางไฟฟา

2

(V-I Curve) ของเซลลแสงอาทตยภายใตพารามเตอรทสามารถควบคมได ซงทผานมามงานวจย ทเกยวของเกดขนมากมาย โดยยกตวอยางมาพอสงเขปดงน Qingrong, Pinggang and Liuchen [5] ใชการควบคมวงจรทอนแรงดนเพอใหสามารถ จาลองคณสมบตแรงดนและกระแสของโมดลเซลลแสงอาทตย โดยกราฟคณสมบตแรงดนและกระแสของโมดลเซลลแสงอาทตยน นจะถกแปลงเปนขอมลและเกบไวในหนวยความจาของ ไมโครคอนโทรลเลอรเพอใชเปน Look Up Table สาหรบสรางแรงดนอางองใหลปแรงดน ซงในการทดสอบนนวงจรทอนแรงดนสามารถใหคณสมบตแรงดนและกระแสทใกลเคยงกบโมดล เซลลแสงอาทตย แตยงคงขาดความสามารถในการจาลองสภาวะเงาบดบง จากนนเปนการทดสอบผลตอบสนองพลวตซงพบวามชวงเวลาเขาท (Settling Time) 100 ms Koutroulis, Kalaitzakis and Tzitzilonis [6] ใชวงจรภาคกาลงเปนวงจรทอนแรงดน และใช Look Up Table เพอสรางกระแสอางองใหกบลปกระแสซงควบคมโดย FPGA เนองจากสามารถใหความถนาฬกา (Clock Frequency) ทสง ดงนนจงสงผลใหสามารถเลอกใชความถสวตช (Switching Frequency) สงท 46.875 kHz เพอลดขนาดของตวเหนยวนาอยท 4 mH ซงในการทดสอบนน เครองจาลองสามารถใหคณสมบตแรงดนและกระแสใกลเคยงกบโมดลเซลลแสงอาทตย แตยงคงขาดความสามารถในการจาลองสภาวะเงาบดบง Cirrincione, et al. [7] นาเสนอการควบคมวงจรทอนแรงดนเพอใหสามารถจาลองคณสมบตแรงดนและกระแสของโมดลเซลลแสงอาทตย รวมถงการจาลองพฤตกรรมทางไฟฟาของเซลลเชอเพลง (Fuel Cell) โดยมงเนนไปทเสถยรภาพของระบบ ในงานวจยฉบบนใชการวางโพลแบบดจตอล (Digital Pole Placement) เพอกาหนดคณลกษณะของลปแรงดน ซงแผนผงโพล-คาศนย (Pole-zero Map) จะถกพลอตทคาความตานทานโหลดแตกตางกน เพอดพฤตกรรมของโพลและ คาศนยเมอโหลดเปลยนไป Di Piazza and Vitale [8] ใชวงจรภาคกาลงเปนวงจรทอนแรงดนและใช DSPACE Board สาหรบการควบคมดวยเทคนคการวางโพลเพอกาหนดคณลกษณะของลปแรงดน จดเดนของงานวจยนคอไมไดใช Look Up Table แตใชการคานวณหาแรงดนอางองแบบเวลาจรง (Real Time) อกทงยงสามารถจาลองสภาวะเงาบดบงไดอกดวย อยางไรกตามการควบคมยงคงเปนการควบคมในโหมดแรงดนซงใหผลตอบสนองพลวตทชากวาการควบคมในโหมดกระแส อกทงอปกรณ DSPACE มราคาสงมาก Housheng and Yanlei [9] ใชวงจรภาคกาลงเปนวงจรทอนแรงดนและใชตวควบคมแบบพไอสาหรบควบคมกระแสเอาทพต โดยกระแสอางองนนไดมาจากวธ Piecewise Curve Fitting Method ซงมขอไดเปรยบคอการใชหนวยความจาทนอยกวาวธ Look Up Table อยางไรกดขอเสยของ Piecewise Curve Fitting Method คอใชทรพยากรในการประมวลผลสงกวา ซบซอนกวา และม

3

ความแมนตรงตากวาวธ Look Up Table นอกจากนยงคงขาดความสามารถในการจาลองสภาวะ เงาบดบง Koran [10] นาเสนอการใชวงจรภาคกาลงเปนวงจรทอนแรงดนทมวงจรกรองเอาทพตแบบ LCLC (Two-stage LC Output Filter) และการกาเนดกระแสอางองแบบแอนะลอก ขอดของ การเลอกใชวงจรภาคกาลงทมวงจรกรองเอาทพตแบบ LCLC คอเพมความชนใหกบความถคทออฟ (Cut off Frequency) จงสงผลใหวงจรกรองมขนาดเลกลง และมแบนดวดท (Bandwidth) กวางขน ขอเสยคอมโครงสรางทซบซอนสงผลใหการออกแบบตวควบคมนนยากยงขน สวนขอดสาหรบการกาเนดกระแสอางองแบบแอนะลอกคอมการทางานแบบเวลาจรงตอการเปลยนแปลงของ ความเขมแสง ขอเสยคอมโครงสรางทซบซอน และใชอปกรณจานวนมาก Yusivar [11] ใชวงจรภาคกาลงเปนวงจรทอนแรงดนและใชตวควบคมแบบพไอสาหรบควบคมกระแสเอาทพต โดยกระแสอางองนนกาเนดจากสมการแบบจาลองเซลลแสงอาทตยเพอใหสามารถจาลองแบบเวลาจรงตอการเปลยนแปลงของคาอณหภม และคาความเขมแสงของ เซลลแสงอาทตย อยางไรกดการใชสมการแบบจาลองเซลลแสงอาทตยเพอกาเนดกระแสอางองนนกอใหเกดปญหาเรอง Algebraic Loop ซงในงานวจยฉบบนนาเสนอวธการแกปญหาโดยการเพม Low-pass Filter เขาไประหวางแบบจาลองเซลลแสงอาทตยและลปกระแส อยางไรกตามการใชสมการแบบจาลองเซลลแสงอาทตยเพอกาเนดกระแสอางองนนยงคงมขอเสยคอ จาเปนตองใชความเรวในการประมวลผลทสง และหนวยประมวลผลทใชจาเปนตองสนบสนนการคานวณแบบ Floating-point Arithmetic วทยานพนธฉบบนนาเสนอการวเคราะหและออกแบบเครองจาลองเซลลแสงอาทตย โดยเลอกใชวงจรทอนแรงดนเปนวงจรภาคกาลง เนองจากมโครงสรางทไมซบซอน งายตอ การออกแบบ และเปนโครงสรางทมวงจรกรอง (LC Filter) อยทางดานเอาทพตของวงจร และเพอใหไดมาซงผลตอบสนองพลวตทรวดเรว ในงานวจยนจงเลอกกระแสทตวเหนยวเปนตวแปร ทถกควบคมดวยตวควบคมแบบดจตอล อาร-เอส-ท (Digital R-S-T Controller) [12] ขอดของ ตวควบคมชนดนคอสามารถแยกออกแบบระหวางการคมคา (Regulation) และการตดตาม (Tracking) ซงในสวนของการคมคานนจะถกออกแบบใหสามารถกาจดคาความผดพลาดในสภาวะคงตวโดยเทคนคการเพมพจนตวอนทเกรตแบบดจตอล และในสวนของการตดตามจะถกออกแบบใหมการตดตามทแมนตรงโดยเทคนคการวางโพลของตวควบคมเพอตดกบคาศนยของพลานต อยางไรกตามเพอใหสามารถจาลองคณสมบตแรงดนและกระแสอะเรยเซลลแสงอาทตยแมในสภาวะเงาบดบง วทยานพนธฉบบนจงไดศกษา คนควา และนาเสนอการสรางแบบจาลองอะเรยเซลลแสงอาทตยภายใตสภาวะเงาบดบง เพอใชในการกาเนดขอมลกระแสอางอง โดยทการปอนกระแสอางองใหกบลปกระแสนนจะเลอกใชวธ Look Up Table เนองจากเปนวธทไมซบซอน

4

มความแมนตรงสง และเนองจากสามารถใชกบการคานวณแบบ Fixed-point Arithmetic ได ดงนนจงใชทรพยากรในการประมวลผลตา ในบทท 2 จะอธบายรายละเอยดวธการสรางแบบจาลองเซลลแสงอาทตยเพอใหไดมาซงขอมลของสญญาณอางองสาหรบลปกระแส บทท 3 จะกลาวถงรายละเอยดการวเคราะหและออกแบบท งวงจรภาคกาลงและระบบควบคม จากน นจะพสจนโดยการสรางและทดลองเครองตนแบบซงผลการทดลองจะถกแสดงในบทท 4 สดทายจะทาการอภปรายขอสรปรวมถงขอเสนอแนะสาหรบงานวจยขนตอไปในบทท 5 1.2 วตถประสงคของงานวจย 1.2.1 เพอศกษา วเคราะห และหาแนวทางการออกแบบเครองจาลองเซลลแสงอาทตย 1.2.2 เพอศกษาการสรางแบบจาลองเซลลแสงอาทตยโดยใชโปรแกรม MATLAB/Simulink 1.2.3 เพอศกษาและวเคราะหการออกแบบตวควบคมแบบดจตอล อาร-เอส-ท 1.2.4 พฒนาระบบควบคมเครองจาลองเซลลแสงอาทตยใหมเสถยรภาพ มความคงทน และมสมรรถนะการตดตามกระแสอางองทดยงขน 1.3 ขอบเขตของการวจย 1.3.1 สรางแบบจาลองเซลลแสงอาทตยโดยใชโปรแกรม MATLAB/Simulink 1.3.2 จาลองการทางานเครองจาลองเซลลแสงอาทตยทมวงจรภาคกาลงเปนวงจรทอนแรงดน และระบบควบคมทมตวควบคมแบบดจตอล อาร-เอส-ท โดยใชโปรแกรม MATLAB/Simulink 1.3.3 สรางและทดลองเครองจาลองเซลลแสงอาทตยทมวงจรภาคกาลงเปนวงจรทอนแรงดน และระบบควบคมทมตวควบคมแบบดจตอล อาร-เอส-ท โดยมคณสมบตดงน

พกดแรงดนอนพต 220 VRMS / 50 Hz พกดกาลงสงสด 990 W ความถสวตชของวงจรทอนแรงดน 40 kHz

1.4 วธการดาเนนงานวจย 1.4.1 ศกษาและรวบรวมขอมลเพอเปนแนวทางการออกแบบเครองจาลองเซลลแสงอาทตย ซงมองคประกอบโดยรวมดงน 1.4.1.1 วงจรภาคกาลงเปนวงจรทอนแรงดนทางานในโหมดกระแสตอเนอง 1.4.1.2 กระแสทตวเหนยวนาของวงจรทอนแรงดนถกควบคมใหตดตามกระแสอางอง

5

1.4.1.3 กระแสอางองถกกาเนดโดยแบบจาลองเซลลแสงอาทตยซงเปนไปตามคณสมบตกระแสและแรงดนของเซลลแสงอาทตย 1.4.2 ศกษาและวเคราะหการทางานของวงจรทอนแรงดนในโหมดกระแสตอเนอง 1.4.3 ศกษาการออกแบบตวควบคมแบบดจตอล อาร-เอส-ท เพอใชสาหรบควบคมกระแส ตวเหนยวนาของวงจรทอนแรงดน 1.4.4 ศกษาการสรางแบบจาลองเซลลแสงอาทตยโดยใชโปรแกรม MATLAB/Simulink 1.4.5 จาลองการทางานเครองจาลองเซลลแสงอาทตยทมวงจรภาคกาลงเปนวงจรทอนแรงดนและระบบควบคมทมตวควบคมแบบดจตอล อาร-เอส-ท โดยใชโปรแกรม MATLAB/Simulink 1.4.6 สรางและทดลองเครองจาลองเซลลแสงอาทตยทมวงจรภาคกาลงเปนวงจรทอนแรงดนและระบบควบคมทมตวควบคมแบบดจตอล อาร-เอส-ท 1.5 ประโยชนของการวจย 1.5.1 ไดทราบถงแนวทางการออกแบบเครองจาลองเซลลแสงอาทตย 1.5.2 ไดทราบถงการสรางแบบจาลองเซลลแสงอาทตยโดยใชโปรแกรม MATLAB/Simulink 1.5.3 พฒนาระบบควบคมเครองจาลองเซลลแสงอาทตยใหมเสถยรภาพ มความคงทน และมสมรรถนะทดยงขน ซงเปนผลจากการประยกตใชเทคนคตวควบคมแบบดจตอล อาร-เอส-ท 1.5.4 ไดเครองจาลองเซลลแสงอาทตยเพอใชสาหรบการวจย การทดลอง และการพฒนาการใชกาลงไฟฟาจากเซลลแสงอาทตย 1.5.5 ชวยประหยดพนท คาใชจาย และลดกาลงสญเสยสาหรบการการวจย การทดลอง และการพฒนาการใชกาลงไฟฟาจากเซลลแสงอาทตยภายใตกาลงไฟฟาทสง 1.5.6 กระตนใหเกดการวจยในหวขอทมวตถประสงคลกษณะเดยวกน

บทท 2 การสรางแบบจาลองอะเรยเซลลแสงอาทตย

ปจจบนการสรางเครองจาลองเซลลแสงอาทตยมวตถประสงคเพอใชในการทดลองและ การพฒนาตวตดตามกาลงสงสดของเซลลแสงอาทตยภายใตคาพารามเตอรทสามารถควบคมได โดยทการสรางเครองจาลองเซลลแสงอาทตยนนจาเปนตองศกษาคณสมบตแรงดนและกระแสของเซลลแสงอาทตย หนงในวธเพอใหไดมาซงขอมลคณสมบตแรงดนและกระแสของเซลลแสงอาทตยคอการสรางแบบจาลองโมดลเซลลแสงอาทตย ซงรายละเอยดนนจะถกอธบายในหวขอท 2.1 อยางไรกตามเพอแรงดนเอาทพตทสงขน โมดลเซลลแสงอาทตยจะถกเชอมตอในลกษณะอนกรมซงเรยกวาสตรง (String) โดยมบายพาสสไดโอด (Bypass Diode) เชอมตอขนานแตละโมดล เพอปองกนความเสยหายเนองจากปญหา Hot Spot (Hot-spot Problem) ในสภาวะทความเขมแสงแตละโมดลไมเทากน (Shading Problem) แตผลทตามมาคอกราฟคณสมบตแรงดนและกระแสมรปรางทเปลยนไปเมออยในสภาวะเงาบดบง (Partial Shading) ซงการสรางแบบจาลองสตรงเซลลแสงอาทตยภายใตสภาวะเงาบดบงจะถกอธบายในหวขอท 2.2 ในอกกรณหนงเพอกระแสทสงขน สตรงเซลลแสงอาทตยจะถกเชอมตอในลกษณะขนาน (PV Array) โดยการสรางแบบจาลองอะเรยเซลลแสงอาทตยภายใตสภาวะเงาบดบงจะถกอธบายในหวขอท 2.3 จากนนแบบจาลองทงหมดจะถกสรางและจาลองการทางานดวยโปรแกรม MATLAB/Simulink ซงผลการจาลองการทางาน จะถกแสดงในหวขอท 2.4 2.1 แบบจาลองโมดลเซลลแสงอาทตย จากภาพท 2-1 แสดงวงจรเทยบเคยงโมดลเซลลแสงอาทตยซงทาการละเลยคาความตานทานขนาน (Rp) เพอใหงายตอการวเคราะห โดยคาความตานทานอนกรม (Rs) นนจะทราบจากวธการหาคาความชน (Slope Method) [13] ดงสมการท (2-1)

G

T

sM s sR R N=

PhIDI PVI

M PV sV V N=

sMR

PVI MV

sN

DI

PhI

G

T

sR2Irradiance (W m )Diode current (A)

Photovoltaic current (A)Number of cells

Photo current (A)Series resistance of module (Ω)

Module voltage (V)Temperature (K)

Series resistance of cell (Ω)

Cell voltage (V)PVVSubscript stands for the standard test conditions.STC

ภาพท 2-1 วงจรเทยบเคยงโมดลเซลลแสงอาทตย

7

0, ,

1

expSTC STCPV OC

PVs

T OC TPV V V

STC STC

dVRI q qVdIAkT AkT

=

= − −⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

(2-1)

จากวงจรเทยบเคยงเซลลแสงอาทตยจะไดคณลกษณะกระแสเซลลแสงอาทตย (IPV) ดงสมการท (2-2) โดยท A คอคา Ideality Factor (ภาคผนวก ก), k คอคา Boltzmann’s Constant (1.38×10-23 JK-1), q คอคา Electronic Charge (1.6×10-19 C), Vg คอคา Band-gap Voltage (ภาคผนวก ก) และ KT คอคา Temperature Coefficient

( )0 exp 1PV PV s

PV Ph D Phq V I R

I I I I IAkT

⎡ ⎤⎛ ⎞+= − = − −⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

(2-2)

โดยท , ( )STCPh Ph T T STCI I K T T= + − ; , , 1000STC STCPh T SC T

GI I=

และ 3

0 0,1 1exp

STC

A gT

STC STC

qVTI IT Ak T T

⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞= − −⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠

; ,0,

,exp 1

STC

STC

STC

SC TT

OC T

STC

II

qVAkT

=⎡ ⎤⎛ ⎞

−⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

สมการขางตนจะถกนาไปเขยนโปรแกรมบน Embedded MATLAB Function เพอเปนแบบจาลองโมดลเซลลแสงอาทตย หมายเหต ชดคาสงจะถกแสดงในภาคผนวก ก 2.2 แบบจาลองสตรงเซลลแสงอาทตยภายใตสภาวะเงาบดบง การสรางแบบจาลองนนจะสมมตใหสตรงเซลลแสงอาทตยประกอบดวยโมดล a โมดล b และโมดล c ถกเชอมตอแบบอนกรมโดยมบายพาสสไดโอดเชอมตอขนานแตละโมดลดงภาพท 2-2 ซงสงผลใหความเปนไปไดของรปรางกราฟคณสมบตทางไฟฟาของสตรงเซลลแสงอาทตยม 4 กรณดงแสดงในภาพท 2-3 โดยขนอยกบคาความเขมแสงทฉายลงบนแตละโมดล (Ga, Gb, Gc) ดงนนการคานวณกระแสสตรง (String Current: IAx) จงถกพจารณาเปน 4 กรณดงน

cG

T

sM s sR R N=

,Ph cIDI PVI

M PV sV V N=AxV

AxI

aDaG

bG

cG

bD

cD

String current (A)AxI

AxV String voltage (V)

Subscript stands for the sring number.x

ภาพท 2-2 สตรงเซลลแสงอาทตย

8

2.2.1 กรณท 1: Ga = Gb = Gc คาความเขมแสงทกโมดลเทากน กลาวคอไมเกดสภาวะ เงาบดบง ดงนน IAx จงถกคานวณโดยสมการท (2-3)

( )0

(3 )exp 1Ax s Ax s

Ax Phq V N I R

I I IAkT

⎡ ⎤⎛ ⎞+= − −⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

(2-3)

2.2.2 กรณท 2: (Ga = Gb) และ (Gb < Gc) จะเกดสภาวะเงาบดบง ซงการคานวณ IAx สาหรบกรณนจะถกแบงออกเปนสองสวนดงน สวนท 1: 0 ≤ VAx ≤ Vcb บายพาสสไดโอด Da และ Db นากระแส การคานวณ IAx และ Vcb จะใชสมการท (2-4) และ (2-5) ตามลาดบ

( ), 0 exp 1Ax s Ax s

Ax Ph cq V N I R

I I IAkT

⎡ ⎤⎛ ⎞+= − −⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

(2-4)

, ,,

0ln 1Ph c Ph b

cb Ph b s sI IAkTV I R N

q I⎡ ⎤−⎛ ⎞

= + −⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

(2-5)

0 50 100 1500

1

2

3

4

Voltage (V)

Cur

rent

(A

)

a b cCase 1 : G = G = G

0 50 100 1500

1

2

3

4

Voltage (V)

Cur

rent

(A

)

a b b cCase 3 : (G < G ) & (G = G )

baV

0 50 100 1500

1

2

3

4

Voltage (V)

Cur

rent

(A

)

a b b cCase 2 : (G = G ) & (G < G )

cbV

a b b cCase 4 : (G < G ) & (G < G )

0 50 100 1500

1

2

3

4

Voltage (V)

Cur

rent

(A

) cbV

baV

ภาพท 2-3 กราฟคณสมบตแรงดนและกระแสสตรงเซลลแสงอาทตย

9

สวนท 2: VAx > Vcb บายพาสสไดโอดทกตวหยดนากระแส ดงนน IAx จงถกคานวณโดยใชสมการท (2-6)

( ), 0

(3 )exp 1Ax s Ax s

Ax Ph aq V N I R

I I IAkT

⎡ ⎤⎛ ⎞+= − −⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

(2-6)

2.2.3 กรณท 3: (Ga < Gb) และ (Gb = Gc) ซงกรณนจะคลายกบกรณท 2 โดยการคานวณ IAx จะถกแบงออกเปนสองสวนคอ สวนท 1: 0 ≤ VAx ≤ Vba บายพาสสไดโอด Da นากระแส การคานวณ IAx และ Vba จะใชสมการท (2-7) และ (2-8) ตามลาดบ

( ), 0

(2 )exp 1Ax s Ax s

Ax Ph bq V N I R

I I IAkT

⎡ ⎤⎛ ⎞+= − −⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

(2-7)

, ,,

0ln 1 2Ph b Ph a

ba Ph a s sI IAkTV I R N

q I⎡ ⎤−⎛ ⎞

= + −⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

(2-8)

สวนท 2: VAx > Vba บายพาสสไดโอดทกตวหยดนากระแส ดงนน IAx จงถกคานวณโดยใชสมการท (2-6) 2.2.4 กรณท 4: (Ga < Gb) และ (Gb < Gc) การคานวณกระแสอะเรยสาหรบกรณนจะถกแบงออกเปนสามชวงคอ สวนท 1: 0 ≤ VAx ≤ Vcb บายพาสสไดโอด Da และ Db นากระแส การคานวณ IAx และ Vcb จะใชสมการท (2-4) และ (2-5) ตามลาดบ สวนท 2: Vcb < VAx ≤ Vba บายพาสสไดโอด Da นากระแส การคานวณ IAx และ Vba จะใชสมการท (2-7) และ (2-8) ตามลาดบ สวนท 3: VAx > Vba บายพาสสไดโอดทกตวหยดนากระแส ดงนน IAx จงถกคานวณโดยใชสมการท (2-6) รายละเอยดของสมการทงหมดจะถกอธบายในภาคผนวก ก สาหรบภาพท 2-4 นนแสดงถงขนตอนวธการคานวณ IAx ซงจะถกนาไปเขยนโปรแกรมบน Embedded MATLAB Function โดยชดคาสงจะถกแสดงในภาคผนวก ก

10

Get VAx

Initial &Calculate Rs

Case 1 ? Calculate IAxEq. (2-3)Yes

Case 2 ?

No

Calculate VcbEq. (2-5)Yes 0≤VAx≤Vcb ? Calculate IAx

Eq. (2-4)

Calculate IAxEq. (2-6)

Yes

No

Case 3 ?

No

Calculate VbaEq. (2-8) 0≤VAx≤Vba ? Calculate IAx

Eq. (2-7)


Yes

No

Yes

Calculate Vcb and Vba

0≤VAx≤Vcb ?

(VAx>Vcb)&(VAx≤Vba) ?

No




Yes

Yes

No

Return IAx

No

ภาพท 2-4 ขนตอนวธการคานวณกระแสสตรงเซลลแสงอาทตย

AV

AI

Array current (A)AI AV Array voltage (V)

1AI 2AI 3AI

st1 String nd2 String rd3 String1x = 2x = 3x =

st1 PV StringModel

nd2 PV StringModel

rd3 PV StringModel

A AxV V= 3

1A Ax

xI I

=

= ∑

ภาพท 2-5 การตออะเรยเซลลแสงอาทตย

11

ตารางท 2-1 คาพารามเตอรของโมดลเซลลแสงอาทตย Photowatt-PW1000

11034.83.1543.63.4

MPPP

MPPV

MPPI

OCV

SCI

WV

AV

A

Parameter Value Unit

0 10 20 30 40 500

1

2

3

4

25o C

50o C

75o C

Voltage (V)

Cur

rent

(A

)

V - I Curve (Vary Temperature)

0 10 20 30 40 500

1

2

3

4

1000 W/m2

700 W/m2

400 W/m2

Voltage (V)

Cur

rent

(A

)

V - I Curve (Vary Irradiance)

ภาพท 2-6 ผลการจาลองการทางานแบบจาลองโมดลเซลลแสงอาทตย

(ก) กรณความเขมแสงคงท (1000 W/m2) แตอณหภมแวดลอมเปลยนแปลง (ข) กรณอณหภมแวดลอมคงท (25oC) แตความเขมแสงเปลยนแปลง 2.3 แบบจาลองอะเรยเซลลแสงอาทตยภายใตสภาวะเงาบดบง อะเรยเซลลแสงอาทตยประกอบไปดวยสตรงเซลลแสงอาทตยถกเชอมตอแบบขนาน ซงกระแสอะเรย (IA) จะมคาเทากบผลรวมของกระแสสตรง (IAx) ดงนนการสรางแบบจาลองอะเรยเซลลแสงอาทตยจะกระทาโดยการเชอมตอแบบจาลองสตรงเซลลแสงอาทตยดงภาพท 2-5 2.4 ผลการจาลองการทางานแบบจาลองเซลลแสงอาทตย แบบจาลองเซลลแสงอาทตยถกสรางโดยใชขอมลของโมดลเซลลแสงอาทตย Photowatt-PW1000 (ตารางท 2-1) และถกจาลองการทางานโดยโปรแกรม MATLAB/Simulink ภาพท 2-6 แสดงผลการจาลองการทางานแบบจาลองโมดลเซลลแสงอาทตย โดยแบงออกเปนสองกรณคอ กรณความเขมแสงคงท (1000 W/m2) แตอณหภมแวดลอมเปลยนแปลง (ภาพท 2-6 (ก)) และกรณอณหภมแวดลอมคงท (25oC) แตความเขมแสงเปลยนแปลง

12

(ภาพท 2-6 (ข)) ซงยนยนวาแบบจาลองมการตอบสนองตอการเปลยนแปลงของความเขมแสงและอณหภม ภาพท 2-7 แสดงผลการจาลองการทางานแบบจาลองสตรงเซลลแสงอาทตย โดยแบง การจาลองออกเปน 4 เงอนไขของความเขมแสง จากนนทง 4 กรณจะถกจาลองการทางานโดยเปลยนแปลงคาอณหภมแวดลอม ซงยนยนวาแบบจาลองมความสามารถในการจาลองสภาวะ เงาบดบง และมการตอบสนองตอการเปลยนแปลงของคาอณหภมแวดลอม ภาพท 2-8 แสดงผลการจาลองการทางานแบบจาลองอะเรยเซลลแสงอาทตย โดยกาหนดใหอณหภมแวดลอมคงท (25oC) จากนนจาลองการทางานโดยเปลยนแปลงคาความเขมแสงทฉายลงบนแตละโมดล เพอยนยนแนวคดในการสรางแบบจาลองอะเรยโดยใหกระแสอะเรย (IA) จะมคาเทากบผลรวมของกระแสสตรง (IAx) 2.5 สรป รายละเอยดการสรางแบบจาลองอะเรยเซลลแสงอาทตยภายใตสภาวะเงาบดบงนนถกศกษาและคนควาโดยแบงการศกษาออกเปน 3 ระดบคอ

1. ศกษาและสรางแบบจาลองโมดลเซลลแสงอาทตยซงมอนพตเปนตวแปรแรงดนและเอาทพตเปนตวแปรกระแสโดยใช Embedded MATLAB Function

2. ศกษาและสรางแบบจาลองสตรงเซลลแสงอาทตยซงประกอบไปดวยโมดลเซลลแสงอาทตยจานวน 3 โมดลเชอมตอแบบอนกรม โดยมจดมงหมายเพอใหแบบจาลองมความสามารถใน การจาลองสภาวะเงาบดบง

3. สรางแบบจาลองอะเรยเซลลแสงอาทตยซงประกอบไปดวยสตรงเซลลแสงอาทตยจานวน 3 สตรงเชอมตอแบบขนาน โดยทกระแสอะเรยเกดจากผลรวมของกระแสสตรง แบบจาลองท งหมดถกสรางและจาลองการทางานโดยโปรแกรม MALAB/Simulink เพอพสจนการสรางแบบจาลองทนาเสนอ จากนนแบบจาลองอะเรยเซลลแสงอาทตยจะถกนาไปใชสรางขอมลกระแสอางองใหกบลปกระแสของวงจรทอนแรงดนเพอใหสามารถจาลองคณสมบตแรงดนและกระแสของอะเรยเซลลแสงอาทตยไดแมทสภาวะเงาบดบง

13

0 50 100 1500

1

2

3

4

75o C

50o C25o C

Voltage (V)

Cur

rent

(A

)

a b cCase 1 : G = G = G

0 50 100 1500

1

2

3

4

75o C

50o C25o C

Voltage (V)

Cur

rent

(A

)

a b b cCase 2 : (G = G ) & (G < G )

0 50 100 1500

1

2

3

4

75o C

50o C

25o C

Voltage (V)

Cur

rent

(A

)

a b b cCase 3 : (G < G ) & (G = G )

0 50 100 1500

1

2

3

4

75o C

50o C

25o C

a b b cCase 4 : (G < G ) & (G < G )

Voltage (V)

Cur

rent

(A

)

2

2

2

1000W m

1000W m

1000W m

a

b

c

G

G

G

=

=

=

2

2

2

400W m

1000W m

1000W m

a

b

c

G

G

G

=

=

=

2

2

2

400W m

700W m

1000W m

a

b

c

G

G

G

=

=

=

2

2

2

400W m

400W m

1000W m

a

b

c

G

G

G

=

=

=

ภาพท 2-7 ผลการจาลองการทางานแบบจาลองสตรงเซลลแสงอาทตย

100010001000

100010001000

100010001000

st1 Stringnd2 Stringrt3 String

aG bG cG1

400700

1000

100010001000

100010001000


aG bG cG2

200600700

400600700

600600700


aG bG cG4

400400700

1000700700

10001000700


aG bG cG3

0 20 40 60 80 100 120 1400

2

4

6

8

10

12V - I Curve of PV Array Model

Voltage (V)

Cur

rent

(A

)

1

3

2

4

ภาพท 2-8 ผลการจาลองการทางานแบบจาลองอะเรยเซลลแสงอาทตย

บทท 3 การวเคราะหและออกแบบเครองจาลองเซลลแสงอาทตย

ในบทนจะกลาวถงรายละเอยดของโครงสรางเครองจาลองเซลลแสงอาทตยทงวงจรภาคกาลง ระบบควบคม รวมถงรายละเอยดการออกแบบของเครองตนแบบ โดยเลอกใชวงจรทอนแรงดนเปนวงจรภาคกาลง เนองจากมโครงสรางทไมซบซอน งายตอการออกแบบ และเปนโครงสรางทมวงจรกรอง (LC Filter) อยทางดานเอาทพตของวงจร ซงรายละเอยดจะถกอธบายในหวขอท 3.1 อยางไร กตามเพอใหไดมาซงระบบการทางานทมเสถยรภาพ มความคงทน มผลตอบสนองพลวตทด และการตดตามสญญาณอางองทแมนตรง จงเลอกใชตวควบคมแบบดจตอล อาร-เอส-ท (Digital R-S-T Controller) ซงรายละเอยดจะถกอธบายในหวขอท 3.2 ลงทายดวยขอมลการวเคราะหและการออกแบบของเครองตนแบบซงจะถกแสดงในหวขอท 3.3 3.1 วงจรทอนแรงดน 3.1.1 การวเคราะหเพอหากระแสรปเปล (ΔIL) และแรงดนรปเปล (ΔVC) วงจรทอนแรงดนดงภาพท 3-1 ซงถกวเคราะหภายใตเงอนไขการทางานในโหมดกระแสตอเนอง (Continuous Conduction Mode: CCM) เมอพจารณารปคลนกระแสทตวเหนยวนาและแรงดนเอาทพตจะไดความสมพนธของกระแสรปเปลและแรงดนรปเปลดงภาพท 3-2 ดงน น จะสามารถคานวณคาตวเหนยวนาและคาตวเกบประจไดจากสมการท (3-1) และ (3-2)

(1 )o

L sw

V DLI f−

≥Δ

(3-1)

C

L

2S

1S

Riv ovLi oi

Ci

Buck Converter

C

L

Riv ovLi oi

Ci

L LDi dI+

i iDv dV+

Small Signal Model

C

L

Riv ovLi oi

Ci

1 ( 1)ON S u =

C

L

Riv ovLi oi

Ci

1 ( 0)OFF S u =

ภาพท 3-1 วงจรทอนแรงดน

15

2(1 )

8o

o sw

V DCL V f

−≥

Δ (3-2)

3.1.2 แบบจาลองวงจรทอนแรงดน จากภาพท 3-1 เมอพจารณาในชวงสวตชนากระแสจะไดความสมพนธของ iL และ vo ดงสมการท (3-3) และ (3-4)

1 ( )Li o

di v vdt L

= − (3-3)

1o oL

dv vidt C R

⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠

(3-4)

(A)I

(V)V

(V)V

LI

minLI

maxLI

oVmaxoV

minoV

LVi oV V−

oV−

A

B

A B= o iV V D∴ =

ont TD= (1 )offt T D= −

(1 ) (1 )1 1min max2 2,

sw sw

D DL o L oR Lf R LfI V I V− −⎡ ⎤ ⎡ ⎤= − = +⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦

0t 1t 2t 3t 4t

t

t

t

max minL L LI I IΔ = −

oQ C VΔ = Δ

( )( )12 2 2

sw LT IQ ΔΔ =

2(1 )

8o

sw

V Do LCf

V −∴Δ =

(1 )o

sw

V DL LfI −∴Δ =

ภาพท 3-2 รปคลนสาหรบวเคราะหกระแสรปเปลและแรงดนรปเปล

1s

1C

−

1L

−

1C

iVL

1s

oi

0, sw off1, sw on

u⎧

= ⎨⎩

PWM Switch Model of Buck Converter

1 1 iVL os L Li v u⎡ ⎤= − +⎢ ⎥⎣ ⎦

1 1 1o L os C Cv i i⎡ ⎤= −⎣ ⎦

ภาพท 3-3 แบบจาลองวงจรทอนแรงดน

16

จากนนพจารณาในชวงสวตซหยดนากระแสจะไดความสมพนธของ iL และ vo ดงสมการท (3-5) และ (3-6) ซงสามารถนาไปสรางแบบจาลองไดภาพท 3-3

oL vdidt L

= − (3-5)

1o oL

dv vidt C R

⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠

(3-6)

3.1.3 ฟงกชนถายโอนกระแสทตวเหนยวนาตอวฏจกรงาน ( ( ) ( )Li s d s ) จากภาพท 3-1 ทาการวเคราะหหาฟงกชนถายโอนกระแสทตวเหนยวนาตอวฏจกรงานโดยใชวธ PWM Average Switch Modeling [14] ซงจะไดฟงกชนถายโอนดงสมการท (3-7)

( )1

2 1 1

( )( )

iVL CRL

CR LC

si sd s s s

+=

+ + (3-7)

สาหรบการออกแบบตวควบคมแบบดจตอล อาร-เอส-ท สมการท (3-7) จะถกแปลงใหอยในดสครตโดเมน (Discrete Domain) อยางไรกตาม การออกแบบตวควบคมโดยใชเทคนคการวางโพลตดกบคาศนยของพลานต (Zero) พจน b0 ตองมคาเปนศนย ดงนนจงเลอกใชวธ Pole-zero Matching Method [15] ซงจะไดผลลพธดงน

1 1 21 * 1

1 21 1 1 2

0 1 2

( )( ) 1( ) ( )

L

PWM

i q b q b qq B qGA q d q a a q a q

− − −− −

− − − −+

= =+ +

(3-8)

โดยท 0 0b = ; 1 (1 )sTi

PWM

Vb eG L

−= − ; ( ) ( )1 12

TsCRsCR Ti

PWM

Vb e eG L

−− +⎡ ⎤= −⎢ ⎥

⎣ ⎦

0 1a = ; 1 ( )s sT Ta e eα β= − + ; ( )2

sTa e α β+=

และ ( )21 1 4

2CR CR LCα

− + −= ;

( )21 1 4

2CR CR LCβ

− − −=

หมายเหต รายละเอยดอยในภาคผนวก ข 3.2 ตวควบคมแบบดจตอล อาร-เอส-ท จากกราฟคณสมบตแรงดนและกระแสดงภาพท 3-4 แสดงถงการแบงการทางานของ เครองจาลองเซลลแสงอาทตยออกเปน 2 โหมด ไดแก โหมดกระแสคงท และโหมดแรงดนคงท ซงสามารถวเคราะหและขยายความไดวา เมอระบบมกระแสทตวเหนยวนาเปนตวแปรทถกควบคม ขณะระบบทางานในโหมดกระแสคงท ระบบจาเปนตองพงพาความสามารถในการคมคากระแส ใหคงท โดยไมจาเปนตองคานงถงการควบคมระดบแรงดนเอาทพตใหมคาคงท กลาวคอแรงดนเอาทพตสามารถเปลยนแปลงได แตกระแสทตวเหนยวนายงคงท ณ กระแสอางองซงคงททคาใด ๆ

17

และขณะระบบทางานในโหมดแรงดนคงท ระบบจาเปนตองพงพาความสามารถในการตดตามกระแสอางอง เพอควบคมใหแรงดนเอาทพตมคาคงท กลาวคอกระแสทตวเหนยวนาจะแปรเปลยนคาตามคากระแสอางอง การเลอกใชตวควบคมจงตองพจารณาถงความสามารถในการตดตาม และความสามารถในการคมคา ตวควบคมแบบดจตอล อาร-เอส-ท [12] ซงมโครงสรางดงภาพท 3-5 มขอดคอสามารถแยกออกแบบระหวางการคมคา (หวขอท 3.2.1) และการตดตาม (หวขอท 3.2.2) สาหรบความไว (Sensitivity) ของระบบนนจะกลาวในหวขอ 3.2.3 3.2.1 การคมคา วตถประสงคของการออกแบบในสวนนคอ เพอใหระบบสามารถกาจดคาความผดพลาดในสภาวะคงตว ดงนนจงตองเพมพจนตวอนทเกรตแบบดจตอล (Ts/(1-q-1)) เขาไปในฟงกชนถายโอนลปเปดของระบบดวยการแยกพจน S(q-1)

Voltage (V)

Cur

rent

(A

)

Constant voltage mode

Constant current mode1

2

1

2

Voltage (V)

Cur

rent

(A

)

1

2

1

2

Constant voltage mode

Constant current mode1

2

ภาพท 3-4 กราฟอธบายโหมดการทางานของเครองจาลองเซลลแสงอาทตย

( 1) 1 * 11

1 * 1( ) ( )( )

( ) ( )

d

CLq T q B qH q

P q B q

− + − −−

− −=

1 1 1 1( ) *( )(1 ) ( )S q B q q S q− − − −′= −

( 1) 1 * 11

1 1 ( 1) * 1 1( ) ( )( )

( ) ( ) ( ) ( )

d

CL dq T q B qH q

A q S q q B q R q

− + − −−

− − − + − −=+

1 1( ) ( )T q P q− −=

1 ( 1)( ) dCLH q q− − +∴ =

Digital R-S-T Controller withPole-Zero Cancellation Technique1( )T q−

11

( )S q−

1

1( )( )

m

m

B qA q

−

−

1( )R q−

1

1( )

( )

dq B qA q

− −

−

( 1)

1( )

dqP q

− +

−

1 ( 1)( ) dCLH q q− − +=

( 1) 1

1( )

( )

dm

m

q B qA q

− + −

−

r *y yPlant

ภาพท 3-5 โครงสรางตวควบคมแบบดจตอล อาร-เอส-ท

18

จากภาพท 3-5 จะไดสมการคณสมบตลปปด (Characteristic Equation) ดงสมการท (3-9) ดงนนจะสามารถกาหนดคณลกษณะของลปปดไดจากพจน P(q-1)

1 1 1 1 ( 1) 1( ) ( )(1 ) ( ) ( )dP q A q q S q q R q− − − − − + −′= − + (3-9)

โดยคาดกรของพหนามของพจน -1( )P q , -1( )S q′ และ -1( )R q สามารถคานวณไดดงสมการตอไปน 1deg ( ) 1P An P q n d−= = + + (3-10)

1deg ( )Sn S q d−′ ′= = (3-11)

1deg ( )R An R q n−= = (3-12)

โดยท d คอไทมดเลย (Time Delay) มคาเปนจานวนเทาของคาบเวลาการชกตวอยาง (Sampling Period) ซงมคาเปนจานวนเตมและมคาตาสดคอหนง 3.2.2 การตดตาม วตถประสงคของการออกแบบในสวนนคอ เพอใหอตราขยาย *y y มคาเปนหนงเพอสงเสรมใหมสมรรถนะการตดตามทด ดงนนจงแยกพจน S(q-1) ใหไดมาซงโพลเพอตดกบคาศนยของพลานต (B*(q-1)) ดงนนพจน S(q-1) จะถกแยกออกเปนสามสวนดงสมการท (3-13)

1 * 1 1 1( ) ( )(1 ) ( )S q B q q S q− − − −′= − (3-13)

พจน T(q-1) จะถกกาหนดใหมคาเทากบพจน P(q-1) เพอตดกบโพลของลปการคมคา

(Regulation Loop) ดงนนจะไดอตราขยาย *1 1( ) ( )y q y q− − ดงสมการท (3-14) สาหรบทางเดน (Trajectory) ของสญญาณอางองจะถกออกแบบโดยฟงกชนถายโอนดงสมการท (3-15)

1

( 1)* 1( )( )

dy q qy q

−− +

− = (3-14)

1 1

* 1 10 11 1

0 1

( )( ) ( )( )

m m m

m m m

B q b b qy q r r qA q a a q

− −− −

− −

+= =

+ (3-15)

3.2.3 ความไว วตถประสงคในการวเคราะหความไวของระบบคอ พจารณาถงความคงทนตอการรบกวน

(Disturbance) ของระบบโดยใช Sensitivity Function ดงสมการท (3-16) และพจารณาถงสมรรถนะการตดตามของระบบโดยใช Complementary Sensitivity Function [16] ดงสมการท (3-17)

1 1 1

11 1 1 1 1

( ) ( ) ( )( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )yp d

y q A q S qS qc q A q S q q B q R q

− − −−

− − − − − −= =+

(3-16)

1 1 1

11 1 1 1 1

( ) ( ) ( )( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )

d

yr dy q q T q B qS qr q A q S q q B q R q

− − − −−

− − − − − −= =+

(3-17)

19

3.3 การวเคราะหการวางโพลระบบควบคม เครองตนแบบมโครงสรางดงภาพท 3-6 จะถกสรางเพอจาลองอะเรยเซลลแสงอาทตยซงถกตอดงภาพท 2-5 (อยในบทท 2) โดยคาตวเหนยวนาและคาตวเกบประจคานวณไดจากสมการท (3-1) และ (3-2) สาหรบระบบควบคมนนจะถกออกแบบดวยเทคนคการวางโพล ซงตาแหนง โพลของระบบ (P(q-1)) จะถกกาหนดโดย Bessel Pole Location หมายเหต วงจรกรองพนฐานประกอบไปดวย Butterworth, Chebyshev and Bessel [17] ซงหนงในน Bessel Filter ใหผลตอบสนองการแกวงของสญญาณในสภาวะชวคร (Transient Condition) นอยทสด ดงนนจงเลอกออกแบบตาแหนงโพลตามวงจรกรองแบบ Bessel จากสมการท (3-10) ถงสมการท (3-12) จะได -1( )P q , -1( )S q′ และ -1( )R q ดงสมการท (3-18) ถงสมการท (3-20) ซงการคานวณคาสมประสทธของพหนามนนสามารถทาใหอยในรป เมทรกซไดดงสมการท (3-21) ถงสมการท (3-24)

-1 1 2 3 41 2 3 4( ) 1P q p q p q p q p q− − − −= + + + + (3-18)

-1 11( ) 1S q s q−′ ′= + (3-19)

-1 1 20 1 2( )R q r r q r q− −= + + (3-20)

y mx= (3-21)

[ ]T1 2 3 41y p p p p= (3-22)

[ ]T1 0 1 21x s r r r′= (3-23)

0

1 0 0

2 1 1 0

2 2 1

2

0 0 0 00 0 01 0 00 1 0

0 0 0 1

m

aa a aa a a a

a a aa

⎡ ⎤⎢ ⎥−⎢ ⎥⎢ ⎥= − −⎢ ⎥− −⎢ ⎥

⎢ ⎥−⎣ ⎦

(3-24)

เนองจากกราฟคณสมบตของเซลลแสงอาทตยมความไมเปนเชงเสน และมจดการทางานหลายจด ดงนนจงตองคานงถงเสถยรภาพของระบบ ซงในภาพท 3-7 แสดงถงตาแหนงโพลและ คาศนยเมอคาความตานทานโหลดอยท 2 Ω , 10 Ω และ 50 Ω พบวาโพลทถกออกแบบไวยงคงสามารถตามไปตดกบคาศนยของพลานต กลาวคอระบบยงคงมสมรรถนะการตดตามทดแมในสภาวะทคาความตานทานโหลดเปลยนแปลง

20

r

*y

Li

ov

y

AVAI

1

1( )( )

m

m

B qA q

−

−1( )T q−

11

( )S q−′+

DAC

PWM

DriveCircuit

ADCAnalogFilter

ADCAnalogFilter

Look UpTable

ik

vk

C

L

2S

1S

Loadiv ovLi

1( )R q−

* 1 11

( )(1 )B q q− −−

21 / vk

Per Unit System Resolution : 16 Bits

Digital R-S-T Controller

FiO BoardARM 32-bits CortexTM - M3 Processor (STM32F103RET6)

LC

iV

swf

3115.524040

VmH

FμkHz

Converter

SCIMPPV

OCV

MPPI

43.63.4

34.83.15

VAVA

PV Module (Photowatt PW1000)

21 / vk

2 4095vk =

ภาพท 3-6 บลอกไดแกรมเครองจาลองเซลลแสงอาทตย

Pole - Zero Map

Imag

inar

yAxi

s

RealAxis-1 -0.5 0 0.5 1

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0.45/T

0.50/T

0.05/T

0.10/T

0.15/T0.20/T0.25/T0.30/T

0.35/T

0.40/T

0.45/T

0.50/T

0.10.2

0.30.40.50.60.70.80.9

0.05/T

0.10/T

0.15/T0.20/T0.25/T0.30/T

0.35/T

0.40/T

R = 2 ohmR = 10 ohmR = 50 ohm

ภาพท 3-7 แผนภาพโพล-ศนย

Mag

nitu

de (a

bs)

101 102 103

0

1

2

3

Sensitivity and Complementary Sensitivity Function

Complementary Sensitivity FunctionSensitivity Function

Frequency (Hz) ภาพท 3-8 แผนภาพความไวในโดเมนความถ

21

อยางไรกดการออกแบบนนจาเปนตองคานงถงความคงทนและสมรรถนะการตดตามของระบบ ดงนนจากสมการท (3-16) และ (3-17) จะไดแผนภาพในโดเมนความถดงภาพท 3-8 ซงคาอตรา ขยายของ Complementary Sensitivity Function มคาเปนหนง แสดงใหเหนวาระบบมสมรรถนะการตดตามทด และสาหรบอตราขยายของ Sensitivity Function นนมคานอยกวาหนงในชวง 10 Hz ถง 500 Hz แสดงใหเหนวาระบบยงคงมเสถยรภาพเมอมการรบกวนในชวงความถน 3.4 สรป ในบทนไดกลาวถงรายละเอยดโครงสรางของเครองจาลองเซลลแสงอาทตยโดยแบงออกเปนสองสวนหลกคอ ภาคกาลงเปนวงจรทอนแรงดน และตวควบคมแบบดจตอล อาร-เอส-ท นอกจากนยงไดกลาวถงการวเคราะหและออกแบบเครองตนแบบอกดวย โดยการวเคราะหวงจรทอนแรงดนจะแบงออกเปน 3 จดประสงคหลกคอ เพอหาวธการคานวณคา LC Filter สาหรบสรางแบบจาลองวงจรทอนแรงดนทใชในการจาลองการทางาน และเพอใหไดมาซงฟงกชนถายโอนกระแสทตวเหนยวนาตอวฏจกรงานสาหรบนาไปออกแบบ ตวควบคมในลปกระแส ในสวนของตวควบคมน นจะทาการศกษาการออกแบบตวควบคม และศกษาเทคนคการวางโพลเพอตดกบคาศนยของพลานต โดยมจดประสงคเพอใหไดมาซงเสถยรภาพ ความคงทน และสมรรถนะการตดตามระบบทด จากนนจงไดทาการวเคราะหและออกแบบเครองตนแบบ สาหรบนาไปทดลองเพอพสจนสงทนาเสนอ

บทท 4 ผลการทดลอง

การสรางเครองจาลองเซลลแสงอาทตยนนจาเปนตองพงพาความสามารถของตวควบคม ดงทกลาวไวในบทท 3 ดงนนในการทดลองจงเรมตนดวยการทดสอบความสามารถของตวควบคมเปนอนดบแรกซงจะถกอภปรายในหวขอท 4.1 จากนนเครองจาลองเซลลแสงอาทตยจะถกทดสอบถงความสามารถในการจาลองคณสมบตแรงดนและกระแสของอะเรยเซลลแสงอาทตย รวมถงทดสอบผลตอบสนองพลวตของเครองจาลองเซลลแสงอาทตยขณะโหลดเปลยนแปลงและ คาความเขมแสงทเปลยนแปลง เหนอสงอนใดเครองตนแบบยงถกทดสอบความสามารถใน การจาลองสภาวะเงาบดบงอกดวย รายละเอยดจะกลาวไวในหวขอท 4.2 โดยทคาพารามเตอรสาหรบเครองตนแบบนนถกแสดงไวในตารางท 4-1 4.1 การทดสอบตวควบคม

เนองจากเครองจาลองเซลลแสงอาทตยนนจาเปนตองพงพาความสามารถของตวควบคม อนไดแก การตดตาม และการคมคา ดงนนการทดสอบนจงมจดประสงคเพอทดสอบความสามารถของตวควบคม ซงการทดสอบแบงออกเปนสองสวนดงน

ตารางท 4-1 คาพารามเตอรสาหรบเครองตนแบบ

L

C

iV

swf

311

5.5

240

40

V

mHFμ

kHz

Converter

SCI

MPPV

OCV

MPPI

43.6

3.4

34.8

3.15

V

A

V

A

PV Module (Photowatt PW1000)

,c if

sT1 kHz

0.1 ms

maxP 990 W

Control

Part Parameter Value Unit

23

4.1.1 การทดสอบความสามารถในการตดตาม การทดสอบจะคงคาโหลดไวท 10 Ω (คาความตานทานทจดการทางานกาลงสงสดสาหรบวงจรทอนแรงดน) จากนนทาการเปลยนแปลงคากระแสอางองอยางทนททนใด โดยมขนตอนในการปรบคาในลกษณะขนบนไดของสญญาณอางองดงน 4 A → 7 A → 10 A → 7 A → 4 A ตามลาดบ ซงไดผลการทดลองดงภาพท 4-1 แสดงใหเหนวากระแสทตวเหนยวนาสามารถตดตามทางเดนของกระแสอางองไดเปนอยางด ขณะเดยวกนภาพท 4-2 (ก) และ (ข) แสดงใหเหนถงความสามารถในการตดตามของกระแสทตวเหนยวนาในสภาวะชวครทงขอบขาขนและขอบขาลง พบวากระแสทตวเหนยวนามคาใกลเคยงกบทางเดนของกระแสอางอง ซงเปนผลจากเทคนคการวางโพลเพอตดกบคาศนยของพลานต อยางไรกตามสาเหตทในสภาวะชวครไมสามารถตดตามไดอยางแมนตรงนนเนองจาก

1. ความคลาดเคลอนระหวางคาพารามเตอรทใชออกแบบและคาพารามเตอรจรงของ พลานต รวมถงความแมนตรงของฟงกชนถายโอนทใชในการออกแบบ

2. พลวตของเสนโคจรของกระแสอางองถกกาหนดดวยฟงกชนอนดบหนง (1st Order) ดงสมการท (3-15) แตพลวตของลปปดของกระแสทตวเหนยวนาน นถกกาหนดดวยฟงกชน อนดบส (4th Order) ดงสมการท (3-18)

3. ความลาหลงของกระแสทตวเหนยวนาเมอเปรยบเทยบกบกระแสอางองอนเกดจาก ไทมดเลย (Time Delay) ของตวแปลงสญญาณดจตอลเปนแอนะลอก (DAC) ซงมคาเทากบ Ts

CH1: Trajectory reference (2.5 A / div)CH2 : Inductor current (2.5 A / div)

4Arefi =

7 Arefi =

10Arefi =

ภาพท 4-1 ผลการทดสอบการตดตาม

24

7 Arefi =

10Arefi =


มผลการตอบสนองในลกษณะอนดบหนง

มผลการตอบสนองในลกษณะอนดบส

(ก)

7 Arefi =

10Arefi =


มผลการตอบสนองในลกษณะอนดบหนง

มผลการตอบสนองในลกษณะอนดบส

(ข)

ภาพท 4-2 ผลการทดสอบการตดตามในสภาวะชวคร

25

CH1: Inductor current (2.5 A / div)CH2 : Output voltage (20 V / div)

Step load change from 10 to 20 Ω Ω

5A

50 V

100 V

(ก)


50 V

100 V

5A


(ข)

ภาพท 4-3 ผลการทดสอบการคมคา โดยการเปลยนแปลงคาความตานทานโหลดอยางฉบพลน (ก) จากคา 10 Ω ไปเปน 20 Ω (ข) จากคา 20 Ω ไปเปน 10

4.1.2 การทดสอบความสามารถในการคมคา การทดสอบจะคงคากระแสอางองไวท 5 A จากนนทาการเปลยนแปลงโหลดอยางฉบพลนจาก 10 Ω เปน 20 Ω และจาก 20 Ω เปน 10 Ω ตามลาดบ ซงไดผลการทดลองดงภาพท 4-3 (ก) และ (ข) แสดงใหเหนวาตวควบคมสามารถคมคากระแสทตวเหนยวนาไวเทากบคากระแสอางองแมในสภาวะทมการเปลยนแปลงโหลดอยางฉบพลน ซงเปนผลจากเทคนคการเพมพจน

26

ตวอนทเกรตแบบดจตอลเพอกาจดการรบกวนของระบบควบคม พรอมท งแสดงใหเหนถงผลตอบสนองพลวตของแรงดนเอาทพตทงขอบขาขนและขอบขาลง 4.2 การทดสอบเครองจาลองเซลลแสงอาทตย จดประสงคของการทดสอบนคอเพอทดสอบความสามารถในการจาลองคณสมบตแรงดนและกระแสของอะเรยเซลลแสงอาทตย รวมถงผลตอบสนองทางพลวตในกรณทโหลดเปลยนแปลงอยางฉบพลนและกรณทความเขมแสงทเปลยนแปลง อกทงยงทดสอบความสามารถในการจาลองสภาวะเงาบดบงของอะเรยเซลลแสงอาทตยอกดวย โดยการทดสอบแบงออกเปนสองสวนดงน 4.2.1 การทดสอบขณะไมมสภาวะเงาบดบง ในหวขอนจะทาการทดสอบพฤตกรรมพนฐานของเครองจาลองเซลลแสงอาทตย โดยการทดสอบจะใช Look Up Table เปนตวกาหนดคากระแสอางอง จากนนทาการเปลยนแปลงโหลดตงแต 2 Ω ถง 50 Ω โดยแบงการทดสอบออกเปนสองเงอนไขดงน

1. เ มอคาอณหภมคงทและเปลยนแปลงคาความเขมแสง ซงไดผลการทดลองดง ภาพท 4-4 (ก)

2. เ มอคาความเขมแสงคงทและเปลยนแปลงคาอณหภม ซงไดผลการทดลองดง ภาพท 4-4 (ข) จากผลการทดลองจะเหนวาเครองตนแบบสามารถจาลองคณสมบตแรงดนและกระแสของอะเรยเซลลแสงอาทตยไดอยางแมนตรง ภาพท 4-5 กาหนดใหความเขมแสง 1000 W/m2 และอณหภม 25oC (ทสภาวะมาตรฐาน การทดสอบ (Standard Test Condition: STC)) จากนนทดสอบโดยเปลยนแปลงโหลดอยางฉบพลนจาก 10 Ω เปน 20 Ω และจาก 20 Ω เปน 10 Ω ตามลาดบ จากผลการทดลองแสดงใหเหนวากระแสทตวเหนยวนาสามารถตดตามกระแสอางองไดอยางสมบรณซงเปนขอดของการใชเทคนคการวางโพลเพอตดกบคาศนยของพลานต พรอมทงแสดงใหเหนถงผลตอบสนองพลวตของกระแสทตวเหนยวนา ซงมชวงเวลาเขาทเพยง 2 ms ภาพท 4-6 กาหนดใหโหลดคงท 10 Ω และอณหภม 25oC จากนนทดสอบโดยเปลยนแปลงคาความเขมแสงจาก 500 W/m2 เปน 1000 W/m2 และจาก 1000 W/m2 เปน 500 W/m2 ตามลาดบ

27

0 20 40 60 80 100 120 1400

2

4

6

8

10

Voltage (V)

Cur

rent

(A

)

Experimental resultsReference curves

V - I Curves of PV Array Model

21000 W m

2700 W m

2400 W m

(ก)

0 20 40 60 80 100 120 1400

2

4

6

8

10

Voltage (V)

Cur

rent

(A

)



25 C°

50 C°

75 C°

(ข)

ภาพท 4-4 ผลการทดสอบการจาลองคณสมบตแรงดนและกระแสของอะเรยเซลลแสงอาทตย (ก) เมอคาอณหภมคงท และเปลยนแปลงคาความเขมแสง (ข) เมอคาความเขมแสงคงท และเปลยนแปลงคาอณหภม

28


9.75A

6A


(ก)

Step load change from 10 Ω to 20 Ω

9.75A

6A


(ข)

ภาพท 4-5 ผลการทดสอบทคาความเขมแสง 1,000 2W m อณหภม 25 °C และมการเปลยนแปลง คาความตานทานโหลดอยางฉนพลน (ก) จากคา 20 Ω ไปเปน 10 Ω (ข) จากคา 10 Ω ไปเปน 20 Ω

29

2 2Step irradiance from 500 W m to 1000 W m (Load 10 Ω)


4.25 A

8 A

46 V

84 V

(ก)

2 2Step irradiance from 1000 W m to 500 W m (Load 10 Ω)


4.25 A

8 A

46 V

84 V

(ข)

ภาพท 4-6 ผลการทดสอบทคาความตานทานโหลดคงท 10 Ω อณหภมคงท 25 °C และม การเปลยนแปลงคาความเขมแสงอยางฉบพลน (ก) จากคา 500 2W m ไปเปน 1,000 2W m (ข) จากคา 1,000 2W m ไปเปน 500 2W m

30

ตารางท 4-2 เงอนไขคาความเขมแสงทใชทดสอบ

100010001000

100010001000

100010001000

400700

1000

100010001000

100010001000

400400700

1000700700

10001000700

200600700

400600700

600600700

st1 String

rt3 String

nd2 String

2(W m )aG 2(W m )bG 2(W m )cGStringCondition

st1 String

rt3 String

nd2 String

st1 String

rt3 String

nd2 String

st1 String

rt3 String

nd2 String

1

2

3

4

Voltage (V)

Cur

rent

(A

)

0 20 40 60 80 100 120 1400

2

4

6

8

10



Condition 1

Condition 2

Condition 3

Condition 4

ภาพท 4-7 ผลการทดสอบการจาลองคณสมบตแรงดนและกระแสอะเรยเซลลแสงอาทตยในสภาวะ เงาบดบง

จากผลการทดลองแสดงใหเหนถงผลตอบสนองพลวตท งของกระแสทตวเหนยวนา และแรงดนเอาทพต ซงชวงเวลาเขา ทของกระแสทตวเหนยวนาย งคงมคาเทากบ 2 ms สวนชวงเวลาเขาทของแรงดนเอาทพตมคาเทากบ 4 ms โดยผลตอบสนองพลวตของแรงดน ดานออกนนจะถกกาหนดดวยคาตวเกบประจและคาความตานทานโหลด

31

4.2.2 การทดสอบขณะเกดสภาวะเงาบดบง ในสวนนมจดประสงคเพอทดสอบการจาลองสภาวะเงาบดบง โดยอณหภมจะถกกาหนด ใหคงท 25oC ทาการทดสอบการจาลองใน 4 สภาวะทเงอนไขคาความเขมแสงแตกตางกน โดยคาความเขมแสงในแตละสภาวะจะถกกาหนดดงตารางท 4-2 จากนนทาการเปลยนแปลงโหลดตงแต 2 Ω ถง 50 Ω ซงไดผลการทดลองดงภาพท 4-7 แสดงใหเหนวาเครองตนแบบมความสามารถในการจาลองสภาวะเงาบดบง ซงเปนผลมาจากแบบจาลองอะเรยเซลลแสงอาทตยทนาเสนอ 4.3 สรป ในบทนไดกลาวถงการทดสอบเครองตนแบบโดยแบงการทดสอบออกเปนสองสวนหลกคอ การทดสอบความสามารถของตวควบคม และการทดสอบความสามารถในการจาลองคณสมบตแรงดนและกระแสของอะเรยเซลลแสงอาทตย การทดสอบความสามารถของตวควบคมแบงยอยออกเปนสองสวนคอ การทดสอบ การตดตาม และการทดสอบการคมคา โดยผลของการทดสอบการตดตามนนพบวากระแสท ตวเหนยวนาสามารถตดตามเสนโคจรกระแสอางองไดอยางด สาหรบการทดสอบการคมคานนพบวาขณะทมการเปลยนแปลงคาความตานทานโหลดอยางฉบพลน ตวควบคมยงคงสามารถคมคากระแสทตวเหนยวนาไวเทากบคากระแสอางอง จากการทดสอบความสามารถในการจาลองคณสมบตแรงดนและกระแสของอะเรยเซลลแสงอาทตย ผลการทดสอบแสดงใหเหนวาเครองตนแบบสามารถจาลองคณสมบตแรงดนและกระแสของอะเรยเซลลแสงอาทตยไดเปนอยางดแมในสภาวะเงาบดบง อกทงยงใหผลตอบสนองพลวตทดอกดวย

บทท 5 สรปและขอเสนอแนะ

วทยานพนธฉบบนศกษาแนวทางการออกแบบเครองจาลองเซลลแสงอาทตยซงวงจร ภาคกาลงเปนวงจรทอนแรงดนททางานในโหมดกระแสตอเนอง กระแสทตวเหนยวนาถกควบคมโดยตวควบคมแบบดจตอล อาร-เอส-ท พรอมทงใชเทคนคการวางโพลเพอตดกบคาศนยของ พลานตทาใหไดมาซงสมรรถนะการตดตามกระแสอางองทด อยางไรกดเพอใหวงจรแปลงผนสามารถจาลองคณสมบตแรงดนและกระแสของอะเรยเซลลแสงอาทตยแมในสภาวะเงาบดบง จงไดศกษารายละเอยดการสรางแบบจาลองเซลลแสงอาทตยเพอจดเตรยมขอมลกระแสอางองใหกบลปกระแส โดยเครองตนแบบขนาดพกดกาลงไฟฟา 990 วตต ถกสรางเพอทดลองและพสจนแนวคดทนาเสนอ 5.1 สรป 5.1.1 แบบจาลองอะเรยเซลลแสงอาทตยในสภาวะเงาบดบงซงถกนาเสนอ ไดถกสรางและพสจนโดยการจาลองการทางานดวยโปรแกรม MATLAB/Simulink จากนนแบบจาลองอะเรยเซลลแสงอาทตยไดถกใชเพอสรางขอมลกระแสอางองใหกบลปกระแส สงผลใหวงจรทอนแรงดนสามารถจาลองคณสมบตแรงดนและกระแสอะเรยเซลลแสงอาทตยแมในสภาวะเงาบดบง 5.1.2 วงจรทอนแรงดนไดถกวเคราะหโดยแบงออกเปน 3 จดประสงคหลกคอ เพอหาวธการคานวณคา LC Filter สาหรบสรางแบบจาลองวงจรทอนแรงดนทใชในการจาลองการทางาน และเพอใหไดมาซงฟงกชนถายโอนกระแสทตวเหนยวนาตอวฏจกรงานสาหรบนาไปออกแบบ ตวควบคม โดยไดทาการศกษาโครงสรางและวธการออกแบบของตวควบคมแบบดจตอล อาร-เอส-ท จากนนไดทาการวเคราะหและออกแบบเครองตนแบบเพอใชในการทดสอบ 5.1.3 เครองตนแบบขนาด 990 วตต ไดถกสรางและถกทดสอบ โดยแบงการทดสอบออกเปน 2 ขนตอนคอ การทดสอบความสามารถของตวควบคม และการทดสอบความสามารถในการจาลองคณสมบตแรงดนและกระแสของอะเรยเซลลแสงอาทตย โดยผลการทดสอบความสามารถของ ตวควบคมนนพบวามสมรรถนะการตดตามและการคมคาทด สาหรบการทดสอบความสามารถในการจาลองคณสมบตแรงดนและกระแสของอะเรยเซลลแสงอาทตยนนพบวาเครองตนแบบสามารถจาลองคณสมบตแรงดนและกระแสของอะเรยเซลลแสงอาทตยแมในสภาวะเงาบดบง อกทงยงใหผลตอบสนองพลวตทด

33

C

L

2S

1S

maxRiv ovLi

LoadPVV

minR

PVVLi

PVI

TotalResistanceBuck Converter

ภาพท 5-1 โครงสรางวงจรทอนแรงดนทมการจากดคาความตานทานโหลด

5.2 ขอเสนอแนะ 5.2.1 การทใช Look Up Table สาหรบกาเนดกระแสอางองสงผลใหเครองตนแบบ ยงไมสามารถจาลองคณสมบตแรงดนและกระแสของอะเรยเซลลแสงอาทตยแบบเวลาจรง เมอมการเปลยนแปลงคาอณหภมและความเขมแสง ดงนนในการวจยขนตอไปจงควรมแนวทางเพอใหไดมาซงการทางานแบบเวลาจรง 5.2.2 เมอคาความตานทานโหลดมคานอยสงผลใหเกดการลดวงจรของกระแสเอาทพต ในทางกลบกนเมอคาความตานทานโหลดมคามากขนอาจสงผลใหวงจรทอนแรงดนอยในโหมดกระแส ไมตอเนอง ดงนนในการวจยขนตอไปจงควรมแนวทางในการจากดขอบเขตคาความตานทานโหลดของวงจรทอนแรงดนซงอาจมโครงสรางดงภาพท 5-1 โดยมคาความตานทานขนตา Rmin และ คาความตานทานขนมาก Rmax ตออยทางเอาทพต ดงนนขอบเขตคาความตานทานโหลดของวงจรทอนแรงดนจะถกจากดโดยไมขนอยกบคาโหลดของเครองจาลองเซลลแสงอาทตย

เอกสารอางอง 1. Shrestha, S. “Photovoltaics literature survey (no. 85).” Progress in Photovoltaics: Research

and Applications. 19 (2011 May 1) : 375-7. 2. Kim, I-S. “Sliding mode controller for the single-phase grid-connected photovoltaic system.”

Applied Energy. 83 (Oct 2006) : 1101-15. 3. Koutroulis, E. and Kalaitzakis, K. “Novel battery charging regulation system for photovoltaic

applications.” Electric Power Applications, IEE Proceedings. 151 (Mar 2004) : 191- 197. 4. Kim, I-S. “Robust maximum power point tracker using sliding mode controller for the three- phase grid-connected photovoltaic system.” Solar Energy. 81 (Mar 2007) : 405-14. 5. Qingrong Zeng, Pinggang Song and Liuchen Chang. “A photovoltaic simulator based on DC chopper.” IEEE CCECE Conference. 1 (2002) : 257-261. 6. Koutroulis, E., Kalaitzakis, K. and Tzitzilonis, V. “Development of an FPGA-based System for Real-Time Simulation of Photovoltaic Modules.” Microelectronics Journal. 40 (Jul 2009) : 1094-1102. 7. Cirrincione, M., et al. “Real time simulation of renewable sources by model-based control of

DC/DC converters.” IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2008. ISIE 2008. 1548-1555. IEEE, 2008.

8. Di Piazza, MC. and Vitale, G. “Photovoltaic field emulation including dynamic and partial shadow conditions.” Applied Energy. 87 (Mar 2010) : 814-23. 9. Housheng, Z. and Yanlei, Z. “Research on a Novel Digital Photovoltaic Array Simulator.” 2010 International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation (ICICTA). 1077-1080. IEEE, 2010. 10. Koran, A., et al. “Design of a Photovoltaic Simulator With a Novel Reference Signal

Generator and Two-Stage LC Output Filter.” IEEE Trans. Power Electron. 25 (May 2010) : 1331-8.

11. Yusivar, F., et al. “Buck-Converter Photovoltaic Simulator.” International Journal of Power Electronics and Drive Systems (IJPEDS). 1 (29 Oct 2011) : 156-67.

35

12. Landau, ID. and Zito, G. Digital Control Systems: Design, Identification and Implementation. 1st ed. Germany : Springer, 2006.

13. Walker, G.R. “EVALUATING MPPT CONVERTER TOPOLOGIES USING A MATLAB PV MODEL.” Journal of Electrical Electronics Engineering. 21 (2001) : 49-55. 14. Van Dijk, E., et al. “PWM-switch modeling of DC-DC converters.” IEEE Transactions on

Power Electronics. 10 (Nov 1995) : 659-65. 15. Hori, N., Cormier, R. and Kanai, K. “Matched pole-zero discrete-time models. Control Theory and Applications.” IEE Proceedings D. 139 (May 1992) : 273-278. 16. Tham, M.T. Sensitivity Functions [Part of a set lecture notes on Introduction to Robust

Control]. [n.p. : n.p.], 2002. 17. Analog Devices Inc. Linear Circuit Design Handbook. 1st ed. United States of America : Newnes, 2008.

ภาคผนวก ก

แบบจาลองอะเรยเซลลแสงอาทตย

37

0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

2.0A =

1.0A =

Voltage (V)

Cur

rent

(A)

2PW -1000 Model, = 1000 W m , = 25°C, Vary from 1.0 to 2.0G T A

ภาพท ก-1 กราฟคณสมบตแรงดนและกระแสของโมดลเซลลแสงอาทตยเมอเปลยนแปลงคา A

ตารางท ก-1 คา Bandgap Voltage สาหรบประเภทสารกงตวนาทใชสรางเซลลแสงอาทตย

Material Symbol (eV) @ 302KgV

SiliconSelenium

GermaniumSilicon carbide

Aluminium phosphideAluminium arsenide

Aluminium antimonideAluminium nitride

DiamondGallium(III) phosphide

SiSeGe

SiCAlP

AlAsAlSbAlN

CGaP

1.111.740.672.862.452.161.66.35.52.26

การเลอกคา Ideality Factor และคา Bandgap Voltage การเลอกคา Ideality Factor ทเหมาะสมนนทาไดโดยการพลอตกราฟคณสมบตแรงดนและกระแสของโมดลเซลลแสงอาทตยดงภาพท ก-1 ซงคา Ideality Factor ทเหมาะสมนนจะใหคากระแสทจดกาลงสงสด (IMPP) และคาแรงดนทจดกาลงสงสด (VMPP) ใกลเคยงกบคาจรง การเลอกคา Bandgap Voltage นนจะขนอยกบประเภทของสารกงตวนาทใชสรางเซลลแสงอาทตย ซงมคาดงตารางท ก-1

38

พฤตกรรมของสตรงเซลลแสงอาทตยในสภาวะเงาบดบง วงจรเทยบเคยงเซลลแสงอาทตยดงภาพท 2-1 (อยในบทท 2) มสมการคณลกษณะกระแสเซลลแสงอาทตย (IPV) คอ

( )0 exp 1PV PV s

PV Phq V I R

I I IAkT

⎡ ⎤⎛ ⎞+= − −⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

(ก-1)

สตรงเซลลแสงอาทตยดงภาพท 2-2 (อยในบทท 2) มความเปนไปไดของรปรางกราฟคณสมบตแรงดนและกระแสสตรงเซลลแสงอาทตย 4 กรณดงแสดงในภาพท 2-3 (อยในบทท 2) ดงนนการวเคราะหพฤตกรรมของสตรงเซลลแสงอาทตยในสภาวะเงาบดบงจงถกแบงออกเปน 4 เงอนไขดงน 1. Ga = Gb = Gc เนองจากคาความเขมแสงแตละโมดลมคาเทากนจงไมเกดสภาวะเงาบดบง โดยการไหลของกระแส IAx เปนไปดงภาพท ก-2 ดงนนจงไดคาความตานทานสตรงและแรงดนสตรงดงน

3 3sx sM s sR R N R= = (ก-2)

3 3Ax M s PVV V N V= = (ก-3)

นาสมการท (ก-3) แทนในสมการท (ก-1) จะไดสมการกระแสสตรงคอ

( )0

(3 )exp 1Ax s Ax s

Ax Phq V N I R

I I IAkT

⎡ ⎤⎛ ⎞+= − −⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

(ก-4)

2. (Ga = Gb) และ (Gb < Gc) เนองจากคาความเขมแสง Gb และ Gc มคาไมเทากนจงเกดสภาวะเงาบดบง ซงการวเคราะห IAx สาหรบกรณนถกแบงออกเปนสองสวนคอ

สวนท 1: 0 ≤ VAx ≤ Vcb ในชวงนบายพาสสไดโอด Da และ Db นากระแส สงผลใหการไหลของกระแส IAx เปนไปดงภาพท ก-3 (ก) ดงนนจงไดคาความตานทานสตรงและแรงดนสตรงดงน

sx sM s sR R N R= = (ก-5)

Ax M s PVV V N V= = (ก-6)

ในชวงนกระแสโดยรวมเกดจากโมดล c ดงนนเมอนา IPh,c และสมการท (ก-6) แทนในสมการท (ก-1) จะไดสมการกระแสสตรงคอ

( ), 0 exp 1Ax s Ax s

Ax Ph cq V N I R

I I IAkT

⎡ ⎤⎛ ⎞+= − −⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

(ก-7)

39

AxV

AxI

aDaG

bG

cG

bD

cD

ภาพท ก-2 การไหลของกระแส IAx เมอ Ga = Gb = Gc

AxV

AxI

aDaG

bG

cG

bD

cD

0 Ax cbV V≤ ≤

AxV

AxI

aDaG

bG

cG

bD

cDAx cbV V>

(ก) (ข)

ภาพท ก-3 การไหลของกระแส IAx เมอ (Ga = Gb) และ (Gb < Gc)

AxV

AxI

aDaG

bG

cG

bD

cD

0 Ax baV V≤ ≤

AxV

AxI

aDaG

bG

cG

bD

cDAx baV V>

(ก) (ข)

ภาพท ก-4 การไหลของกระแส IAx เมอ (Ga < Gb) และ (Gb = Gc)

AxV

AxI

aDaG

bG

cG

bD

cDAx baV V>

AxV

AxI

aDaG

bG

cG

bD

cDcb Ax baV V V< ≤

AxV

AxI

aDaG

bG

cG

bD

cD

0 Ax cbV V≤ ≤

(ก) (ข) (ค)

ภาพท ก-5 การไหลของกระแส IAx เมอ (Ga < Gb) และ (Gb < Gc)

40

โดยทจด Vcb นน IAx มคาเทากบ IPh,b ดงนนเมอแทนในสมการท (ก-7) จะไดดงน

( ),, , 0 exp 1cb s Ph b s

Ph b Ph cq V N I R

I I IAkT

⎡ ⎤⎛ ⎞+⎢ ⎥⎜ ⎟= − −

⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦ (ก-8)

, ,,

0ln 1Ph c Ph b

cb Ph b s sI IAkTV I R N

q I⎡ ⎤−⎛ ⎞

= + −⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

(ก-9)

สวนท 2: VAx > Vcb บายพาสสไดโอดทกตวหยดนากระแส สงผลใหการไหลของกระแส IAx เปนไปดงภาพท ก-3 (ข) ดงนนจงไดคาความตานทานสตรงและแรงดนสตรงดงสมการท (ก-2) และ (ก-3) ในชวงนกระแสโดยรวมเกดจากโมดลทมคาความเขมแสงนอยทสด ดงนนเมอนา IPh,a และสมการท (ก-3) แทนในสมการท (ก-1) จะไดสมการกระแสสตรงคอ

( ), 0

(3 )exp 1Ax s Ax s

Ax Ph aq V N I R

I I IAkT

⎡ ⎤⎛ ⎞+= − −⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

(ก-10)

3. (Ga < Gb) และ (Gb = Gc) ในกรณนการวเคราะห IAx ถกแบงออกเปนสองสวนคอ สวนท 1: 0 ≤ VAx ≤ Vba บายพาสสไดโอด Da นากระแส สงผลใหการไหลของกระแส IAx

เปนไปดงภาพท ก-4 (ก) ดงนนจงไดคาความตานทานสตรง และแรงดนสตรงดงน

2 2sx sM s sR R N R= = (ก-11)

2 2Ax M s PVV V N V= = (ก-12)

ในชวงนกระแสโดยรวมเกดจากโมดล b หรอ c ดงนนเมอนา IPh,b และสมการท (ก-12) แทนในสมการท (ก-1) จะไดสมการกระแสสตรงคอ

( ), 0

(2 )exp 1Ax s Ax s

Ax Ph bq V N I R

I I IAkT

⎡ ⎤⎛ ⎞+= − −⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

(ก-13)

โดยทจด Vba นน IAx มคาเทากบ IPh,a ดงนนเมอแทนในสมการท (ก-7) จะไดดงน

( ),, , 0

(2 )exp 1ba s Ph a s

Ph a Ph bq V N I R

I I IAkT

⎡ ⎤⎛ ⎞+⎢ ⎥⎜ ⎟= − −

⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦ (ก-14)

, ,,

0ln 1 2Ph b Ph a

ba Ph a s sI IAkTV I R N

q I⎡ ⎤−⎛ ⎞

= + −⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

(ก-15)

สวนท 2: VAx > Vba บายพาสสไดโอดทกตวหยดนากระแส สงผลใหการไหลของกระแส IAx เปนไปดงภาพท ก-4 (ข) ดงนนจงมกระแสสตรงดงสมการท (ก-10)

41

4. (Ga < Gb) และ (Gb < Gc) สาหรบกรณนการวเคราะห IAx ถกแบงออกเปนสามสวนคอ สวนท 1: 0 ≤ VAx ≤ Vcb บายพาสสไดโอด Da และ Db นากระแส สงผลใหการไหลของกระแส

IAx เปนไปดงภาพท ก-5 (ก) ดงนนจงมสมการกระแสสตรงดงสมการท (ก-7) สวนท 2: Vcb < VAx ≤ Vba บายพาสสไดโอด Da นากระแส สงผลใหการไหลของกระแส IAx

เปนไปดงภาพท ก-5 (ข) ดงนนจงมกระแสสตรงดงสมการท (ก-13) สวนท 3: VAx > Vba บายพาสสไดโอดทกตวหยดนากระแส สงผลใหการไหลของกระแส IAx

เปนไปดงภาพท ก-5 (ค) ดงนนจงมกระแสสตรงดงสมการท (ก-10) ชดคาสงแบบจาลองโมดลแสงอาทตย

function I = PW1000(V,G,TC) % Model for PW1000 % IL = Photo - Current % I0 = Saturation Current of Diode % I, V = PV Current, PV Voltage % G = Irradiance (W/m^2) % T = Temperature in Deg C k = 1.38e-23; % Boltzmann's constant q = 1.60e-19; % Electric charge of an electron A = 1.2; % Diode quality factor Vg = 1.12; % Band gap voltage Ns = 72; % Number of series connected cells T1 = 273 + 25; Voc_T1 = 43.6/Ns; % Open circuit voltage per cell at T1 Isc_T1 = 3.4; % Short circuit current per cell at T1 T2 = 273 + 75; Voc_T2 = 35.7/Ns; % Open circuit voltage per cell at T2 Isc_T2 = 3.4475; % Short circuit current per cell at T2 TK = 273 + TC; % Module temperature a = (Isc_T2 - Isc_T1)/(T2 - T1); % Temperature coefficient of Isc IL_T1 = Isc_T1*(G/1000); % Equation (2-3) IL = IL_T1 + a*(TK - T1); % Equation (2-4) % Equation (2-5) I0_T1 = Isc_T1/(exp(q*Voc_T1/(A*k*T1)) - 1); % Equation (2-6) I0 = I0_T1*(TK/T1).^(3/A).*exp(-q*Vg/(A*k).*((1./TK)-(1/T1))); dVdI_Voc = - 0.0217; Xv = I0_T1*q/(A*k*T1)*exp(q*Voc_T1/(A*k*T1)); Rs = - dVdI_Voc - 1/Xv; % Equation (2-1) Vt_TK = A*k*TK/q;

42

Vc = V/Ns; % Voltage per cell % Use Newton Method I = zeros(size(Vc)); for j=1:5; I = I - (IL - I - I0.*( exp((Vc+I.*Rs)./Vt_TK) -1))./ (-1 - (I0.*( exp((Vc+I.*Rs)./Vt_TK) -1)).*Rs./Vt_TK); end if I<0 I = 0; end

ชดคาสงแบบจาลองสตรงแสงอาทตย

function I = PW1000(Vpv,GA,GB,GC,TC) % Model for PW1000 % IL = Photo - Current % I0 = Saturation Current of Diode % I, V = PV Current, PV Voltage % G = Irradiance (W/m^2) % T = Temperature in Deg C I = 0; % ======================================================================== k = 1.38e-23; % Boltzmann's constant q = 1.60e-19; % Electric charge of an electron A = 1.2; % Diode quality factor Vg = 1.12; % Band gap voltage Ns = 72; % Number of series connected cells T1 = 273 + 25; Voc_T1 = 43.6/Ns; % Open circuit voltage per cell at T1 Isc_T1 = 3.4; % Short circuit current per cell at T1 T2 = 273 + 75; Isc_T2 = 3.4475; % Short circuit current per cell at T2 a = (Isc_T2 - Isc_T1)/(T2 - T1); % Temperature coefficient of Isc dVdI_Voc = - 0.0217; I0_T1 = Isc_T1/(exp(q*Voc_T1/(A*k*T1)) - 1); % Equation (2-5) Xv = I0_T1*q/(A*k*T1)*exp(q*Voc_T1/(A*k*T1)); Rs = - dVdI_Voc - 1/Xv; % Equation (2-1) % ======================================================================== G = sort([GA GB GC]); TK = 273 + TC; % Module temperature Vt_TK = A*k*TK/q; % Equation (2-6) I0 = I0_T1*(TK/T1).^(3/A).*exp(-q*Vg/(A*k).*((1./TK)-(1/T1))); % ======================================================================== % A --> Imin % ========================================================================

43

ILA_T1 = Isc_T1*(G(1)/1000); % Equation (2-3) ILA = ILA_T1 + a*(TK - T1); % Equation (2-4) % ======================================================================== % B --> Imid % ======================================================================== ILB_T1 = Isc_T1*(G(2)/1000); % Equation (2-3) ILB = ILB_T1 + a*(TK - T1); % Equation (2-4) % ======================================================================== % C --> Imax % ======================================================================== ILC_T1 = Isc_T1*(G(3)/1000); % Equation (2-3) ILC = ILC_T1 + a*(TK - T1); % Equation (2-4) % ======================================================================== % Calulate Ipv that is under four conditions. % ======================================================================== if (ILA == ILB) && (ILB == ILC) % Use Newton Method I = zeros(size(Vpv/(3*Ns))); for j=1:5; VdA = (Vpv/(3*Ns) + Rs.*I); % Forward bias voltage of diode at module A I = I - (ILA - I - I0.*( exp(VdA./Vt_TK) -1))./(-1 - (I0.*( exp(VdA./Vt_TK) -1)).*Rs./Vt_TK); end % ======================================================================== elseif (ILA == ILB) && (ILB < ILC) Vcb = (Vt_TK*log((ILC-ILB)/I0 + 1) - ILB*Rs)*Ns; % Vpv at the point of IC=IB if Vpv <= Vcb I = zeros(size(Vpv/Ns)); for j=1:5; VdC = (Vpv/Ns + Rs.*I); % Forward bias voltage of diode at module C I = I - (ILC - I - I0.*( exp(VdC./Vt_TK) -1))./(-1 - (I0.*( exp(VdC./Vt_TK) -1)).*Rs./Vt_TK); end else VAB = Vpv/3; % Voltage drop at module A and B I = zeros(size(VAB/Ns)); for j=1:5; VdB = (VAB/Ns) + Rs.*I; % Forward bias voltage of diode at module B I = I - (ILB - I - I0.*( exp(VdB./Vt_TK) -1))./(-1 - (I0.*( exp(VdB./Vt_TK) -1)).*Rs./Vt_TK); end end % ======================================================================== elseif (ILA < ILB) && (ILB == ILC) Vba = (Vt_TK*log((ILB-ILA)/I0 + 1) - ILA*Rs)*2*Ns; % Vpv at the point of IB=IA if Vpv <= Vba I = zeros(size(Vpv/(2*Ns))); for j=1:5;

44

VdB = (Vpv/(2*Ns) + Rs.*I); % Forward bias voltage of diode at module B I = I - (ILB - I - I0.*( exp(VdB./Vt_TK) -1))./(-1 - (I0.*( exp(VdB./Vt_TK) -1)).*Rs./Vt_TK); end else VA = Vpv/3; I = zeros(size(VA/Ns)); for j=1:5; VdA = (VA/Ns + Rs.*I); % Forward bias voltage of diode at module A I = I - (ILA - I - I0.*( exp(VdA./Vt_TK) -1))./(-1 - (I0.*( exp(VdA./Vt_TK) -1)).*Rs./Vt_TK); end end % ======================================================================== else Vcb = (Vt_TK*log((ILC-ILB)/I0 + 1) - ILB*Rs)*Ns; % Vpv at the point of IC=IB Vba = (Vt_TK*log((ILB-ILA)/I0 + 1) - ILA*Rs)*2*Ns; % Vpv at the point of IB=IA if Vpv <= Vcb I = zeros(size(Vpv/Ns)); for j=1:5; VdC = (Vpv/Ns + Rs.*I); % Forward bias voltage of diode at module C I = I - (ILC - I - I0.*( exp(VdC./Vt_TK) -1))./(-1 - (I0.*( exp(VdC./Vt_TK) -1)).*Rs./Vt_TK); end elseif (Vpv > Vcb) && (Vpv <= Vba) VB = Vpv/2; I = zeros(size(VB/Ns)); for j=1:5; VdB = (VB/Ns + Rs.*I); % Forward bias voltage of diode at module B I = I - (ILB - I - I0.*( exp(VdB./Vt_TK) -1))./(-1 - (I0.*( exp(VdB./Vt_TK) -1)).*Rs./Vt_TK); end else VA = Vpv/3; I = zeros(size(VA/Ns)); for j=1:5; VdA = (VA/Ns + Rs.*I); % Forward bias voltage of diode at module A I = I - (ILA - I - I0.*( exp(VdA./Vt_TK) -1))./(-1 - (I0.*( exp(VdA./Vt_TK) -1)).*Rs./Vt_TK); end end end % ======================================================================== if I<0 I = 0; end

ภาคผนวก ข

ฟงกชนถายโอนของพลานต

46

ฟงกชนถายโอนของพลานต จากภาพท ข-1 ทาการวเคราะหหาฟงกชนถายโอนกระแสทตวเหนยวนาตอวฏจกรงาน โดยใชวธ PWM Average Switch Modeling ดงน

( ) ( ) ( ) 0i L L od s V i s L i s Z− + + = (ข-1)

( )( )

iL

o

Vi ssL Zd s

=+

(ข-2)

แทน oZ ในสมการท (ข-2) จะไดฟงกชนถายโอนกระแสทตวเหนยวนาตอวฏจกรงานคอ

( )1

2 1 1

( )( )

iVL CRL

CR LC

si sd s s s

+=

+ + (ข-3)

ทาการแปลงสมการท (ข-3) ใหอยในดสครตโดเมน (Discrete Domain) โดยวธ Pole-zero Matching Method ดงน

( )( )( )

1( )( )

iVL CRL

si ss sd s α β

+=

− − (ข-4)

( )21 1 4

2CR CR LCα

− + −= (ข-5)

( )21 1 4

2CR CR LCβ

− − −= (ข-6)

1

1( ) 1 1( ) 1

TCRT T

iLT T T

Vi q e e q eLd q q e q e eα β

−− − −

− −− − −

= × × ×− − −

(ข-7)

( ) ( )( )

( ) ( )

1 11 21

1 1 2

1( )( ) 1

Ti i CR CRTV VTL LL

TT T

e q e e qi qd q e e q e qα βα β

−− +− − −−

− +− −

− + −=

− + + (ข-8)

จากผลคณระหวางสมการท (ข-8) และอตราขยายสญญาณ PWM จะไดฟงกชนถายโอนของพลานตคอ

1 1 21 * 1

1 21 1 1 2

0 1 2

( )( ) 1( ) ( )

L

PWM

i q b q b qq B qGA q d q a a q a q

− − −− −

− − − −+

= =+ +

(ข-9)

โดยท 0 0b = ; 1 (1 )i

PWM

V TG Lb e−= − ; ( ) ( )1 1

2

Ti CR CR

PWM

TVG Lb e e− + −⎡ ⎤= −⎢ ⎥⎣ ⎦

0 1a = ; 1 ( )T Ta e eα β= − + ; ( )2

Ta e α β+=

47

C

L

Riv ovLi oi

Ci

L LDi dI+

i iDv dV+

Small Signal Model

L

ovLi

L LDi dI+

i iDv dV+1o

RZsCR

=+

Superposition, is been short.iv ภาพท ข-1 PWM Average Switch Modeling ของวงจรทอนแรงดน

ภาคผนวก ค

แผนภาพวงจรทเกยวของ

49

ภาพท

ค-1

แผนภ

าพวงจรทอ

นแรงดน

50

ภาพท

ค-2

แผนภ

าพวงจรขยายผล

ตาง

51

ภาพท

ค-3

แผนภ

าพวงจรขบ

สญญา

ณ

ภาคผนวก ง

บทความวชาการทไดรบการตพมพ

ภาคผนวก จ

ระบบควบคมและฮารดแวร

62

4 by

te(s

)/pkt

TX

TO

G: N

one

Ts:

0.1

sec

D1:

uint

16

D2:

uint

160:12

Tar

get H

ID S

end

InO

ut

T

0:40

[FiO

Std

]S

YS

CLK

Sou

rce:

PLL

OS

C: 8

MH

zS

YS

CLK

: 24M

Hz

HC

LK: 2

4MH

zP

CLK

1: 1

2MH

zP

CLK

2: 2

4MH

zT

s: 0

.000

1 se

c

0:0

Set

up S

yste

mC

lock

s &

Sys

Tic

k

0:78

Sat

urat

ion

InO

ut

R

PW

M: C

usto

mT

IM3

Per

iod:

1/(4

0e3)

Ts:

0.0

001

sec

CH

1 (A

6)

0:10

PW

M

4095

0:8

Vba

se0:

72

Vpv

Ipv

Arra

y2

0:71

1

0:31

Inpu

t: R

aw12

bits

R-A

ligne

dV

ref 3

.3V

Ts:

0.0

001

sec

DA

C1

(A4)

0:9

DA

C C

onfig

urat

ion

40950:

30

Com

pile

r: R

VM

DK

Aut

o C

ompi

le: O

NE

xecu

tabl

e ty

pe: b

inO

ptim

izat

ion:

O3

Use

Mic

roLI

B: O

NA

uto

Dow

nloa

d: U

SB0:

94

Com

pile

and

Dow

nloa

d C

ontro

l

InO

ut

Bm

/Am

AD

C1

Out

: Raw

(uin

t16)

Res

: 12

bits

DM

A1

CH

1V

ref+

: 3.3

VTs

: 0.0

001

sec

AN

11 (C

1)

AN

13 (C

3)0:11

AD

C C

onfig

urat

ion

InO

ut

1/S

ufix

12

doub

lesf

ix16

_En1

4

uint

16

uint

16

doub

lesf

ix16

_En1

4sfix

16_E

n14

sfix

16_E

n14

sfix

16_E

n14

sfix

16_E

n14

sfix

16_E

n14

uint

16

ภาพท

จ-1 แผ

นภาพ

ระบบ

ควบค

ม

63

ภาพท

จ-2 รป

ถายฮารดแ

วร

64

ประวตผวจย

ชอ : นายปกครอง วงศคณ ชอวทยานพนธ : การวเคราะหและออกแบบเครองจาลองเซลลแสงอาทตย สาขาวชา : วศวกรรมไฟฟา ประวต ประวตสวนตว

เกดวนท 20 เมษายน 2531 ทโรงพยาบาลพบลมงสาหาร 20/6 เทศบาล 2 อาเภอพบลมงสาหาร จงหวดอบลราชธาน บดาชอ นายสมปอง วงศคณ มารดาชอ นางไพรวลย วงศคณ ครอบครวม พนอง 3 คน ตนเปนบตรคนท 1 ปจจบนอยบานเลขท 235 หม 3 บานกานเหลอง ตาบลขามใหญ อาเภอเมอง จงหวดอบลราชธาน ประวตการศกษา

สาเรจการศกษาระดบมธยมศกษาตอนปลาย สาขาคณตศาสตร-วทยาศาสตร จากโรงเรยนเบญจะมะมหาราช ในปการศกษา 2548 อกทงสอบไดวชาทหารชนปท 3 ในปการศกษา 2548 จากโรงเรยนเบญจะมะมหาราช และสาเรจการศกษาระดบปรญญาตร หลกสตรวศวกรรมศาสตรบณฑต แขนงวชาวศวกรรมไฟฟาควบคมอตโนมต สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาพระนครเหนอ ในปการศกษา 2552 จากนนไดเขาศกษาตอระดบปรญญาโท หลกสตรวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต แขนงวชาวศวกรรมไฟฟาควบคมอตโนมต สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาพระนครเหนอ ในปการศกษา 2553 ประวตการอบรม

ผานการเขาคายอบรมพทธธรรม นกเรยนดเปนศรแกเบญ ณ ศนยพฒนาคณธรรมปาดงใหญวงออ อาเภอเของใน จงหวดอบลราชธาน ในป พ.ศ. 2547 และผานการอบรมศกษาการทางานและออกแบบวงจรฟลายแบกคอนเวอรเตอร จากบรษท เดลตา อเลคโทรนคส (ประเทศไทย) จากด (มหาชน) ในป พ.ศ. 2552

analysis and design of a photovoltaic simulator

Documents