Przetwornice ze zdolnością podwyższania i obniżania napięcia (cd.)

Transkrypt

1 Przetwornice ze zdolnością podwyższania i obniżania napięcia (cd.) Nieodwracająca obniżającopodwyższająca (non-inverting buck-boost) 2 pary tranzystor-dioda wyższy koszt niższa sprawność większy efektywny spadek napięcia (Uo Ui przy danym Io) komplikacja sterowania (oś czasu) impulsowy prąd wejściowy impulsowy prąd wyjściowy (kondensatora) 40

2 Przetwornica SEPIC Single-Ended Primary Inductance Converter z przełączanym jednym końcem cewki pierwotnej Zalety Wady 2 C, 2 L niższa sprawność przerywane dostarczanie prądu na wyjście duże vo, icout podwyższa i obniża napięcie nie zmienia polaryzacji izolacja wyjścia od wejścia brak przepływu energii, gdy tranzystor stale wyłączony mimo braku transformatora ciągły prąd wejściowy jedna para łączników sterowanie względem masy kondensator sprzęgający tłumi przepięcia od indukcyjności rozproszenia cewek sprzężonych mniejsze zaburzenia 41

3 Struktura przetwornicy SEPIC Może być rozpatrywana jako połączenie boost-buck Sprzężenie pojemnościowe przenosi tylko składową przemienną dowolna masa po stronie wyjścia wymagany Cs na duży prąd Iout duża składowa przemienna icout nie nadaje się do dużych obciążeń Sprzężenie cewek wymagane L1 = L2 = L Lef = 2L mniejsze il lub L mniejsza powierzchnia i koszt istotna kierunkowość uzwojeń nie jest konieczne (wówczas możliwe L1 L2 ), i tak ul1 = ul2 42

4 Działanie przetwornicy SEPIC + Q1 of VCp = Vin Q1 on VL1a = Vin VL1b = Vin VCp = Vin + Q1 of VL1b = Vout VL1a = Vout VCp = Vin 43

5 Działanie przetwornicy SEPIC (cd.) 44

6 Tętnienie napięcia wyjściowego przetwornic Składowa wynikająca z ładowania/rozładowania kondensatora czynniki wyrażenia zależą od charakteru wyjścia z ciągłym czy nieciągłym prądem Składowa wynikająca z szeregowej rezystancji pasożytniczej (ESR) SEPIC 45

7 Porównanie przetwornic z funkcją obniżania i podwyższania Parametry istotne dla zastosowań w fotowoltaice: koszt koszt instalacji (inwestycji) sprawność efektywność instalacji, zwrot kosztów inwestycji topologia liczba i wymagane parametry elementów koszt i złożoność układu punkt odniesienia dla sterowania tranzystorem koszt i złożoność układu, łatwość pomiaru prądu polaryzacja wyjścia wygoda stosowania, wymagania aplikacji ciągłość prądu wejściowego wykorzystanie modułu PV w czasie 46

8 Model komputerowy i wyniki symulacji dla zmiennego współczynnika wypełnienia 47

9 Praktyczna przetwornica MPPT podwyższająca napięcie do zasilania wentylatora obwody pomiarowe wyjściowe są nadmiarowe przeznaczone do badań prototypu 48

10 Algorytm mikrokontrolera metoda wspinania 49

11 Wynik działania układu MPPT 50

12 Prosty układ MPPT pracujący na zasadzie ułamka napięcia rozwarcia (z ręczną nastawą) 51

13 SM72441 scalony sterownik MPPT Soft-Start łagodny start: stopniowe zwiększanie D przez 250 ms w celu eliminacji przetężenia MPPT śledzenie punktu maksymalnej mocy (P&O) Buck-Boost normalna praca przetwornicy: stabilizacja napięcia wyjściowego na zadanym poziomie (Vout = Vin) 52

14 Rozwiązania sprzętowe Wejścia analogowe przetwornika A/C AVIN, AIIN napięcie i prąd wejściowy maksymalizowana moc modułu 12-bitowa rozdzielczość przetwornika daje odpowiednią dokładność AVOUT, AIOUT napięcie i prąd wyjściowy ograniczenie zabezpieczające A0/2/4/6 wejścia konfiguracyjne Wyjście PWM rozdzielczość zwiększona przez zmienne wypełnienie czas reakcji (zbieżności do MPP) ~ 0,01 s 53

15 Topologia przetwornicy Podwyższająco-obniżająca nieodwracająca uniwersalna dla różnych przypadków modułów i odbiorników / zasobników możliwe działanie przy blisko dopasowanych napięciach modułu i np. akumulatora możliwe przejście między obniżaniem a podwyższaniem Synchroniczna w wersji podstawowej zamiast Q2 i Q4 diody jednak przy odpowiednim doborze, spadek napięcia na tranzystorze MOSFET może być niższy niż na diodzie, gdyż brak napięcia progowego wymagane odpowiednie sterowanie Q2 i Q4 w przeciwfazie do Q1 i Q3 dioda bocznikowa na wypadek zacienienia modułu 54

16 Typowy układ aplikacyjny 55

17 Tryb bezpośredniego podłączenia modułu (panel mode) SM72442 aktywowany, gdy współczynnik przetwarzania napięcia jest bliski 1:1 ( buck-boost, z dokładnością 2%) przez określony czas przetwarzanie jest wówczas zbyteczne, a wprowadza straty mocy przetwornica zostaje wyłączona, a załączane są tranzystory obejściowe (wymagają zewnętrznego sterownika) poprawa sprawności straty statyczne 2 zamiast 4 brak strat dynamicznych co 60 s załączany jest na krótko tryb MPPT w celu sprawdzenia, czy moduł nadal pracuje w pobliżu MPP powrót do trybu MPPT następuje po wykryciu określonej zmiany mocy 56

18 Rozdzielny tryb obniżania i podwyższania Kolejna metoda zwiększenia sprawności zmniejszenie sumarycznej mocy strat w łącznikach straty statyczne 3 zamiast 4 tranzystory straty dynamiczne 2 57

19 Interfejs I2C Umożliwia konfigurację i nadzór / sterowanie na wyższym poziomie 3 LSB adresu konfigurowalne przez I2C0, I2C1, I2C2 58

20 Sterownik mostka dla fotowoltaiki SM72295 Sterownik 4 tranzystorów 4 niezależne wejścia sterujące sygnały muszą być generowane zewnętrznie 2 wzmacniacze pomiarowe prądu z konfigurowalnym wzmocnieniem Sygnalizacja nadnapięciowa Zabezpieczenie podnapięciowe 59

21 System ze sterowaniem z mikrokontrolera Moduł i akumulatory 12 lub 24 V, 20 A możliwa adaptacja na 48 V lub 40 A przez wymianę tranzystorów Sprawność %, małe wymiary dzięki częstotliwości przełączania 200 khz MPPT metodą zaburz-obserwuj 60

22 System ze sterowaniem z mikrokontrolera (cd.) Przetwornica obniżająca z przeplotem gałęzie mostka są sterowane z tym samym D, ale z przesunięciem Ts/2 mniejsze tętnienie uo mniejsze zaburzenia tylko 2 tranzystory przełączane jednocześnie mniejsze obciążenie tranzystorów w stanach przejściowych 61

23 System ze zmultiplikowanym blokiem MPPT Stopień następny (np. falownik) narzuca wymaganie na Vdc_link Z drugiej strony napięcie każdego modułu musi być utrzymane na Vmpp Dzięki indywidualnym blokom MPPT, każdy moduł dostarcza maksymalną możliwą moc SM

24 Sterownik MPPT SPV1040 Dedykowany do ładowania zasobników urządzeń mobilnych małej mocy Topologia podwyższająca synchroniczna MPPT metodą zaburz-obserwuj szybkie ładowanie akumulatorów z zapewnieniem optymalnego profilu scalone tranzystory o niskiej rezystancji, sprawność 95% Uo < Ui D = 0, prąd przewodzi stale PMOS (górny) Zabezpieczenie prądowe, temperaturowe, przed odwrotną polaryzacją 63

25 Praktyczny układ na SPV

26 Łączenie równoległe Każdy moduł wnosi swoją moc dostarczając odpowiadający jej prąd Do zasilenia wyjścia wystarczy, że jeden moduł jest nasłoneczniony Napięcie wyjściowe jest ograniczone do maksymalnego napięcia układu MPPT 65

27 Łączenie szeregowe Pozwala zwiększyć napięcie wyjściowe do sumy napięć na wyjściach MPPT Dla takiego samego nasłonecznienia Jeżeli G2 = 75% G1,3 napięcie modułu 2 ulega zmniejszeniu różnicę uzupełnią pozostałe moduły chyba że zostanie osiągnięte ich maksymalne napięcie wyjściowe 66

28 Fizyczne modele (symulatory) modułów PV Przydatne w testowaniu prototypów przetwornic eliminacja konieczności precyzyjnego naświetlania modułu (równomierność, pomiar, wpływ otoczenia, stałość i standaryzacja warunków) standardowy zasilacz DC nie nadaje się odmienna charakterystyka U-I, brak współpracy z układami impulsowymi w trybie prądowym Podstawowa idea stałego Iph może dostarczyć zasilacz DC w trybie prądowym charakterystykę złącza PN może odwzorować szereg diod Mniejsze wymiary Łatwa realizacja różnego nasłonecznienia sąsiadujących modułów 67

29 Model bocznikowy (shunt-mode) Najprostsze działanie i konstrukcja Nasłonecznienie Isc = prąd graniczny zasilacza Liczba diod Voc Aby zasilacz pracował w trybie prądowym: Vlim > Voc Konieczne diody silnoprądowe na pełny Isc Konieczne dobre chłodzenie najgorsze warunki pracy: I=0, V=Voc cała moc Isc Voc wydziela się w diodach i Rp grzanie zmienia VF więc Voc Diody wysokonapięciowe duża rezystancja eliminacja dodatkowego Rs 68

30 Model bocznikowy ze wzmocnionym prądem diod Prąd diod mniejszy β-krotnie Wadą są takie same straty mocy, ale występują wyłącznie w 1 tranzystorze łatwiejszy montaż do radiatora temperatura tranzystora ma mały wpływ mniejszy radiator małe samonagrzewanie diod duża stabilność Voc 500 Ω korekta charakterystyk 69

31 Model szeregowy (series-mode) Prąd źródła Isc (ki = np. 1000) niepotrzebny zasilacz mocy o precyzyjnym ograniczeniu prądowym bardzo mała moc diod Straty mocy występują tylko w kv zerowe w stanie rozwarcia 70

32 Model szeregowy realizacja praktyczna Skomplikowanie układu jest znacząco większe niż w przypadku modeli bocznikowych 71