ตอนที่ 3: การทำงานร่วมกับแผงโซล่าเซลล์ –การติดตามจุดกำลังไฟฟ้าสูงสุด (MPPT)

ในตอนที่ผ่านมา เราได้ศึกษาหลักการแปลงDCเป็นACและTopologyวงจรของอินเวอร์เตอร์อย่างละเอียดแล้ว ทว่าตัวอินเวอร์เตอร์เองไม่ได้เผชิญกับแหล่งจ่ายแรงดันคงที่เช่นแบตเตอรี่ แต่มันต้องรับพลังงานจากแผงโซล่าเซลล์ซึ่งมีพฤติกรรมทางไฟฟ้าที่ไม่เป็นเชิงเส้นสูง และแปรเปลี่ยนตลอดเวลาตามความเข้มของแสงอาทิตย์และอุณหภูมิแวดล้อม การจะดึงกำลังไฟฟ้าจากแผงให้ได้สูงสุดในทุกสภาวะจึงมิใช่เรื่องที่เกิดขึ้นเอง หากแต่อาศัยกลไกอัจฉริยะที่เรียกว่าการติดตามจุดกำลังไฟฟ้าสูงสุด (Maximum Power Point Tracking – MPPT)ซึ่งเป็นฟังก์ชันที่ขาดไม่ได้ในโซล่าอินเวอร์เตอร์ทุกตัวในปัจจุบัน

คุณลักษณะทางไฟฟ้าของแผงโซล่าเซลล์:I-V CurveและP-V Curve

เพื่อให้เข้าใจการทำงานของMPPTเราจำเป็นต้องทราบพฤติกรรมของแหล่งจ่ายพลังงานเสียก่อน แผงโซล่าเซลล์แต่ละแผงมีคุณลักษณะทางไฟฟ้าที่อธิบายได้ด้วยเส้นโค้งกระแส-แรงดัน (I-V Curve)และเส้นโค้งกำลัง-แรงดัน (P-V Curve)ซึ่งเป็นเอกลักษณ์เฉพาะ ขึ้นอยู่กับระดับความเข้มรังสีอาทิตย์ (Irradiance)และอุณหภูมิของเซลล์

ที่แรงดันต่ำ ๆ แผงโซล่าเซลล์มีพฤติกรรมคล้ายแหล่งจ่ายกระแสคงที่ (Constant Current Source)โดยกระแสเกือบคงที่จนกระทั่งถึงช่วงปลายของเส้นโค้ง จากนั้นกระแสจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อเข้าใกล้แรงดันวงจรเปิด (Open-Circuit Voltage, Voc)ในทางกลับกัน กำลังไฟฟ้าซึ่งเป็นผลคูณของกระแสและแรงดัน จะเพิ่มขึ้นจากศูนย์ ผ่านจุดสูงสุด ณ จุดหนึ่งที่เรียกว่าจุดกำลังไฟฟ้าสูงสุด (Maximum Power Point – MPP)แล้วจึงตกลงสู่ศูนย์อีกครั้งที่แรงดันVocตำแหน่งของMPPนี้จะเลื่อนไปตามสภาพแวดล้อม ความเข้มแสงที่สูงขึ้นจะเพิ่มกระแสลัดวงจร (Short-Circuit Current, Isc)ในอัตราเกือบเป็นสัดส่วนโดยตรง และเพิ่มVocเล็กน้อย ในขณะที่อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะลดVocลงอย่างมีนัยสำคัญ แต่เพิ่มIscขึ้นเพียงเล็กน้อย

ดังนั้น หากเราต่อแผงโซล่าเซลล์เข้ากับอินเวอร์เตอร์โดยตรงโดยปราศจากการควบคุม อินเวอร์เตอร์อาจทำงานที่แรงดันหรือกระแสจุดใดจุดหนึ่ง ซึ่งไม่ใช่MPPเลยจะส่งผลให้พลังงานไฟฟ้าที่ได้ต่ำกว่าศักยภาพสูงสุดของแผงอย่างมากMPPTจึงถูกคิดค้นขึ้นเพื่อแก้ปัญหานี้

นิยามของMPPTและโครงสร้างพื้นฐานในการควบคุม

MPPTคืออัลกอริทึมที่ทำงานบนตัวควบคุมของอินเวอร์เตอร์ (โดยทั่วไปคือตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัล หรือDSP)ซึ่งคอยปรับแรงดันขณะทำงาน(Operating Voltage)หรือกระแสขณะทำงานของแผงโซล่าเซลล์อย่างต่อเนื่อง เพื่อค้นหาและรักษาการทำงานให้คงอยู่ ณ จุดMPP

ในเชิงโครงสร้างMPPTไม่ใช่ฮาร์ดแวร์ แต่คือซอฟต์แวร์ที่สั่งการให้วงจรตัวแปลงDC-DCหรืออินเวอร์เตอร์เปลี่ยนแปลงค่าอัตราส่วนการทำงาน (Duty Cycle)ของสวิตช์กำลัง ซึ่งมีผลโดยตรงต่อการดึงกระแสจากแผง และแรงดันที่ปรากฏคร่อมแผง เมื่อแรงดันเปลี่ยนแปลง กำลังที่ได้จะเปลี่ยนตามไปตามเส้นโค้งP-VอัลกอริทึมMPPTจะอ่านค่าแรงดันและกระแสของแผงแบบเวลาจริง คำนวณกำลัง แล้วตัดสินใจทิศทางและขนาดของการปรับDuty Cycleในรอบถัดไป

ในทางปฏิบัติ อินเวอร์เตอร์อาจมีMPPTหนึ่งชุดสำหรับแผงทั้งระบบ (Single MPPT)สำหรับการต่อแผงแบบสตริงเดียว หรือมีหลายชุดอิสระ (Multiple MPPT)สำหรับสตริงหลาย ๆ สตริง เพื่อให้แต่ละสตริงทำงานที่MPPของตนเอง

อัลกอริทึมMPPTพื้นฐาน:Perturb and Observe (P&O)

หนึ่งในอัลกอริทึมMPPTที่เก่าแก่และยังถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางที่สุดเนื่องจากความเรียบง่าย คือPerturb and Observeหรือที่เรียกกันโดยย่อว่าP&Oหลักการของมันสามารถอธิบายได้ดังนี้ ตัวควบคุมจะก่อกวน (Perturb)แรงดันแผงด้วยการเพิ่มหรือลดค่าDuty Cycleลงเล็กน้อย จากนั้นจึงสังเกต (Observe)การเปลี่ยนแปลงของกำลังไฟฟ้าขาออก

หากการก่อกวนในทิศทางหนึ่ง (เช่น เพิ่มแรงดัน) ส่งผลให้กำลังเพิ่มขึ้น อัลกอริทึมจะตัดสินใจว่าเรากำลังเคลื่อนที่เข้าหาMPPจึงสั่งให้ก่อกวนในทิศทางเดิมต่อไปอีกในรอบถัดไป ในทางกลับกัน หากกำลังลดลง แสดงว่าเรากำลังเคลื่อนที่ออกห่างจากMPPทิศทางการก่อกวนจึงถูกกลับทาง กระบวนการนี้ทำซ้ำต่อเนื่องกันไปเรื่อย ๆ เป็นคาบเวลา ทำให้จุดทำงานของแผงเคลื่อนไหว (Oscillate)อยู่รอบ ๆ จุดMPPตลอดเวลา

ข้อดีของP&Oคือง่ายต่อการเขียนโปรแกรมและใช้ทรัพยากรในการคำนวณต่ำมาก ทำงานได้ดีในสภาวะที่ความเข้มแสงคงที่ อย่างไรก็ตาม ข้อเสียที่เห็นได้ชัดเจนคือการแกว่งของจุดทำงานรอบMPPซึ่งทำให้สูญเสียกำลังบางส่วนไปอย่างถาวร และภายใต้สภาวะที่ความเข้มแสงเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว (เช่น มีเมฆเคลื่อนผ่าน)P&Oอาจตัดสินใจผิดพลาดชั่วขณะ (drift)โดยเคลื่อนจุดทำงานออกไปในทิศทางที่ผิด กว่าจะกู้คืนได้ก็เกิดการสูญเสียพลังงานไปแล้ว การลดขนาดขั้นของการก่อกวนสามารถบรรเทาปัญหาการแกว่งได้ แต่ก็ทำให้ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงได้ช้าลง จึงมีการคิดค้นเทคนิคP&Oแบบปรับขั้นตามความชันของเส้นโค้ง (Adaptive Step-Size P&O)ขึ้นเพื่อหาจุดสมดุล

อัลกอริทึมIncremental Conductance (IncCond)

อัลกอริทึมที่แก้ไขจุดอ่อนพื้นฐานของP&Oได้อย่างตรงจุดคือIncremental Conductance(IncCond)ซึ่งใช้หลักการทางคณิตศาสตร์ที่ว่า ณ จุดMPPนั้น อนุพันธ์ของกำลังเทียบกับแรงดันมีค่าเป็นศูนย์ (dP/dV = 0)และเราสามารถขยายพจน์นี้ได้ดังนี้

dP/dV = d(IV)/dV = I + V·(dI/dV) = 0หรือเขียนใหม่ได้เป็นdI/dV = -I/V

ทางซ้ายของสมการคือค่าความนำเพิ่ม (Incremental Conductance)ส่วนทางขวาคือค่าความนำสถิต (Instantaneous Conductance)กลับเครื่องหมาย อัลกอริทึมIncCondจะวัดค่าdIและdVจากการเปลี่ยนแปลงระหว่างรอบการสุ่มสองรอบ แล้วเปรียบเทียบอัตราส่วนdI/dVกับ -I/Vณ ปัจจุบัน

หากdI/dV > -I/Vแสดงว่าเราอยู่ทางซ้ายของMPP (แรงดันต่ำเกินไป) ต้องเพิ่มแรงดัน

หากdI/dV < -I/Vแสดงว่าเราอยู่ทางขวาของMPP (แรงดันสูงเกินไป) ต้องลดแรงดัน

หากdI/dV = -I/Vแสดงว่าเราอยู่ที่MPPพอดี ไม่ต้องเปลี่ยนแปลงใด ๆ

ข้อได้เปรียบสำคัญของIncCondคือ เมื่อถึงMPPแล้ว มันจะหยุดการก่อกวน ทำให้แทบไม่มีการแกว่งเลยในสภาวะคงที่ ส่งผลให้มีประสิทธิภาพการติดตามสูงกว่าP&Oในสภาวะแสงคงที่ นอกจากนี้ ในกรณีที่ความเข้มแสงเปลี่ยนแปลงเร็วIncCondสามารถตรวจจับได้จากการเปลี่ยนของกระแสและแรงดันโดยไม่หลงทิศทางเหมือนP&Oอย่างไรก็ตาม อัลกอริทึมนี้ต้องการการคำนวณที่ซับซ้อนกว่าเล็กน้อย ต้องการเซ็นเซอร์ที่มีความแม่นยำสูง และอาจมีความไวต่อสัญญาณรบกวนมากกว่า

ปัญหาPartial Shadingและการค้นหาGlobal MPPT

ในระบบผลิตไฟฟ้าจากโซล่าเซลล์จริง การได้รับแสงของแผงแต่ละแผงในสตริงเดียวกันอาจไม่เท่ากัน เนื่องจากการบังเงาบางส่วน (Partial Shading)จากเมฆ ต้นไม้ ปล่องควัน หรือแม้แต่มูลนก ในกรณีนี้ แผงที่ถูกบังจะผลิตกระแสได้ต่ำกว่าแผงที่ได้รับแสงเต็มที่ หากแผงทั้งหมดต่ออนุกรมกันในสตริง กระแสรวมจะถูกจำกัดด้วยแผงที่กระแสต่ำที่สุด เว้นแต่จะมีไดโอดบายพาส(Bypass Diode)ทำหน้าที่เลี่ยงกระแสส่วนเกินให้ไหลผ่านแผงที่ถูกบัง

การทำงานของไดโอดบายพาสทำให้เกิดปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าที่สำคัญ กล่าวคือ เส้นโค้งP-Vของสตริงจะไม่เรียบเป็นยอดเดียวอีกต่อไป แต่จะปรากฏค่ากำลังไฟฟ้าสูงสุดหลายจุด (Multiple Power Peaks)ประกอบด้วยค่ากำลังไฟฟ้าสูงสุดย่อย(Local Maximum)และค่ากำลังไฟฟ้าสูงสุดจริง(Global Maximum)อัลกอริทึมแบบดั้งเดิมอย่างP&OและIncCondซึ่งอาศัยการไต่ตามความชัน มีความเสี่ยงที่จะไปติดค้างอยู่ที่Local Maximumทำให้พลาดการทำงานที่จุดMPPที่เป็นGlobal Maximumไปโดยไม่รู้ตัว

เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ฟังก์ชันGlobal MPPT (GMPPT)จึงถูกพัฒนาขึ้น อัลกอริทึมGMPPTจะทำการสแกนเส้นโค้งP-Vเป็นช่วง ๆ โดยการกวาดแรงดันจากค่าแรงดันเปิดวงจรVocลงมาจนถึงแรงดันต่ำสุดที่ยอมรับได้ หรือจากจุดที่กำลังเป็นศูนย์ขึ้นไป เพื่อสร้างแผนที่กำลังไฟฟ้าทั้งหมด และระบุตำแหน่งของGlobal MPPจากนั้นจึงค่อยเปลี่ยนไปใช้อัลกอริทึมแบบติดตามความชันเพื่อล็อกเข้าMPPนั้น การสแกนจะถูกกระตุ้นเป็นช่วง ๆ หรือเมื่อตรวจพบว่ากำลังลดลงอย่างผิดปกติจากแบบจำลอง

MPPTในสถาปัตยกรรมอินเวอร์เตอร์:String Inverter, OptimizerและMicro Inverter

ตำแหน่งและจำนวนของMPPTในระบบโซล่าเซลล์มีผลอย่างมากต่อความสามารถในการเก็บเกี่ยวพลังงานภายใต้สภาวะMismatch

String Inverter:ในระบบพื้นฐาน อินเวอร์เตอร์หนึ่งตัวจะต่อเข้ากับแผงจำนวนมากที่ต่ออนุกรมกันเป็นหนึ่งหรือหลายสตริง อินเวอร์เตอร์จะมีMPPTจำนวน1-3ชุด (ขึ้นกับรุ่น) โดยMPPTแต่ละชุดจะควบคุมสตริงทั้งเส้นให้ทำงานที่แรงดันMPPของสตริงนั้นโดยรวม หากมีแผงบางแผงในสตริงถูกบังหรือมีสมบัติไม่ตรงกัน อัลกอริทึมMPPTจะหาจุดที่ดีที่สุดสำหรับสตริงในภาพรวม ซึ่งอาจเป็นGlobal MPPท่ามกลางหลายพีค แต่ก็ยังไม่สามารถดึงกำลังจากแผงดีทุกแผงได้เต็มที่ เพราะแผงที่ถูกบังยังคงฉุดรั้งสตริงอยู่

Power Optimizer:ระบบนี้ติดตั้งอุปกรณ์Optimizerที่เป็นDC-DC Converterขนาดเล็กไว้ด้านหลังแผงแต่ละแผงOptimizerทุกตัวจะมีMPPTอิสระของตัวเอง คอยปรับแรงดันและกระแสให้แผงของมันทำงานที่MPPตลอดเวลา โดยแปลงเอาต์พุตให้เป็นกระแสคงที่หรือแรงดันคงที่ส่งไปยังอินเวอร์เตอร์ส่วนกลาง ซึ่งทำหน้าที่เพียงแปลงDCเป็นACโดยอินเวอร์เตอร์ส่วนกลางอาจมีMPPTของตัวเองอีกชั้นหนึ่งเพื่อควบคุมการไหลของกำลังโดยรวม สถาปัตยกรรมนี้ทำให้แผงทุกแผงเป็นอิสระจากกัน ไม่มีปัญหาMismatchและให้ผลผลิตพลังงานสูงสุดในระดับแผง

Micro Inverter:ในระบบนี้ การแปลงDCเป็นACเกิดขึ้นที่แผงโดยตรงMicro Inverterแต่ละตัวมีวงจรอินเวอร์เตอร์และMPPTเป็นของตนเองทั้งชุด แผงทุกแผงทำงานที่MPPของตนเองอย่างสมบูรณ์ และเอาต์พุตACของทุกแผงจะถูกขนานกันส่งเข้าแผงจ่ายไฟหลัก สถาปัตยกรรมนี้ยกระดับความเป็นอิสระต่อแผงสูงสุด กำจัดปัญหาแรงดันDCสูงจากการต่ออนุกรม และเพิ่มความน่าเชื่อถือเพราะความล้มเหลวที่จุดหนึ่งไม่กระทบทั้งระบบ อย่างไรก็ตาม มีต้นทุนต่อวัตต์สูงกว่าและมีจำนวนชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่มากกว่า

สรุปตอนที่3

อัลกอริทึมMPPTคือมันสมองที่ทำให้โซล่าอินเวอร์เตอร์สามารถ “มองเห็น” และ “ปรับตัว” เข้ากับบุคลิกทางไฟฟ้าที่ซับซ้อนของแผงโซล่าเซลล์ได้อย่างแนบเนียน จากหลักการP&Oที่เรียบง่าย ไปจนถึงIncCondที่แม่นยำ และGlobal MPPTที่แก้ปัญหาเงาบัง ทั้งหมดล้วนมีเป้าหมายเดียวกันคือการดึงพลังงานจากแสงอาทิตย์ออกมาให้ได้มากที่สุดในทุกวินาที ความเข้าใจในMPPTจะเป็นรากฐานสำคัญสำหรับตอนต่อไปของเรา ซึ่งจะขยายขอบเขตการทำงานของอินเวอร์เตอร์ให้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น นั่นคือการทำงานร่วมกับระบบกักเก็บพลังงาน (Battery)เราจะไปสำรวจว่าHybrid Inverterจัดการกับกระบวนการชาร์จและดิสชาร์จอย่างชาญฉลาดอย่างไร พร้อมกับการรักษาสมดุลระหว่างแผงโซล่า แบตเตอรี่ โหลด และโครงข่ายไฟฟ้า