Porównanie uzysku energetycznego z użyciem falownika centralnego i mikrofalowników

Transkrypt

1 Porównanie uzysku energetycznego z użyciem falownika centralnego i mikrofalowników mikrofalowniki falownik centralny wzorzec National Renewable Energy Laboratory (USA) 40

2 Główne grupy rozwiązań falowników Jednostopniowe z transformatorem n.cz. duże elementy bierne w tym transformator słaba regulacja względem Ui Dwustopniowe z transformatorem w.cz. więcej elementów sprawność skomplikowane sterowanie Wymagania dla mikrofalowników funkcja MPPT wysoka sprawność ( 95%) współpraca z różnymi modułami w różnych warunkach (G, T) szeroki zakres Vin koszt < 0,50 $/W (seryjnie) detekcja stanów awaryjnych niski poziom zaburzeń (EMC) czas życia modułu (~25 lat) 41

3 Zadania układu sterowania falownika współpracującego z siecią energetyczną Odłączenie od sieci w razie zbyt dużego/małego napięcia sieci Odłączenie od sieci w razie zbyt wysokiej/niskiej częstotliwości sieci część generatorów i odbiorników pracuje zostaje odizolowana od reszty zasilanie z systemu PV wydaje się pożyteczne, ale stanowi zagrożenie duże prawdopodobieństwo desynchronizacji awaria przy powrocie sieci łatwa detekcja i reakcja przy jednym generatorze PV przeciążenie przy wielu generatorach wzajemna interpretacja jako sieci podstawowej Ponowne uruchomienie po powrocie sieci Eliminacja składowej stałej kilka okresów, bardzo mała tolerancja ~0,5 Hz Zabezpieczenie przed stanem wyspowym sieci kilka kilkaset okresów, duża tolerancja transformatory wyjściowe nie zawsze stosowane (koszt) Kompatybilność elektromagnetyczna współczynnik mocy, zaburzenia wysokiej częstotliwości 42

4 Mikrofalowniki jednostopniowe Jednostopniowe oznacza: Zalety podwyższenie napięcia i formo wanie kształtu w jednym stopniu do wytworzenia przebiegu dwu biegunowego bez składowej sta łej konieczny dodatkowy blok Topologie przetwornicy Stopień rozkładający mało elementów małe straty, łatwa konstrukcja i sterowanie niska częstotliwość pracy bloku wyjściowego małe straty zaporowa z przeplotem rezonansowa lub zwykła przepustowa z przeplotem mostek lub półmostek pracuje z częstotliwością sieci Wady silne obciążenie napięciowe tranzystorów i diod duże tętnienie ii z częstotliwo ścią 2fo konieczny duży Cin, elektrolityczny czas życia 43

5 Idea praktycznej realizacji obwodu mocy falownika jednostopniowego 44

6 Mikrofalowniki dwustopniowe Realizacja funkcji Wykorzystywane topologie zaporowa z przeplotem przeciwsobna zasilana prądowo lub napięciowo mostkowa zasilana napięciowo lub prądowo, lub rezonansowa Zalety podwyższenie napięcia DC/DC kształtowanie przebiegu przemiennego sinusoidalnego DC/AC poszukiwanie punktu mocy maksymalnej DC/AC poprzez amplitudę prądu małe tętnienie prądu mniejsze straty i Cin możliwy foliowy możliwe dostarczanie mocy biernej (io nie w fazie z vgrid) niekiedy wymagane przy większej mocy Wady sprawność, złożoność, koszt 45

7 Idea praktycznej realizacji obwodu mocy falownika dwustopniowego 46

8 Przykładowy system współpracujący z siecią oparty na mikrofalownikach Zasilanie pomocnicze także z modułu fotowoltaicznego Sterowanie cyfrowe zaawansowany mikrokontroler sygnałowy dspic33fj16gs504 47

9 Rozwiązanie mikrofalownika Topologia jednostopniowa z transformatorem wysokiej częstotliwości przetwornica zaporowa z przeplotem mostek tyrystorowy filtr EMC blokuje zaburzenia wynikające z przełączania łączników oraz zapewnia niezbędną impedancję między wyjściem falownika a siecią Zalety mała liczba elementów niski koszt i straty mocy mały transformator i elementy bierne 48

10 Kształtowanie napięcia wyjściowego Sterowanie wartością średnią prądu wyjściowego możliwa praca w trybie CCM małe tętnienie prądu małe straty mocy w transformatorze i tranzystorach (mały prąd skuteczny) małe wymagania co do filtracji wyjścia mniejsze elementy i moc strat MPPT przez zmianę amplitudy (skalowanie przebiegu odniesienia) 49

11 Działanie przekształtnika zaporowego Tranzystor załączony układ sterowania ogranicza ipri(pk) do wartości proporcjonalnej do napięcia odniesienia poprzez ton dioda po stronie wtórnej nie przewodzi obciążenie zasila C Tranzystor wyłączony vpri = Vin ipri narasta liniowo prąd przewodzony po stronie wtórnej poprzez diodę energia dostarczana do kondensatora i obciążenia Prąd wtórny doładowuje C wytwarza się zmienne napięcie częstotliwość przełączania jest filtrowana 50

12 Topologia z przeplotem Energia pobierana jest z wejścia i dostarczana na wyjście dwukrotnie w okresie po połowie przez 2 przetwornice Mniejsze tętnienie prądu wejściowego i wyjściowego małe zniekształcenia prądu wyjściowego Każdy z tranzystorów przełącza połowę prądu mniejszy Cin mniejsza moc strat mniejsze zaburzenia Mniejszy transformator 51

13 Rozkładanie napięcia jednobiegunowego do dwubiegunowego Mostek tyrystorowy przyrząd o najniższym spadku napięcia b. małe straty statyczne przy niskiej częstotliwości mała moc strat dynamicznych Łatwe sterowanie impulsy prądu tylko załączanie wyłączanie samoczynne niska częstotliwość bezproblemowe dla górnych łączników transformatory transoptory główny problem: synchronizacja załączania z przetwornicą 52

14 Obwody pomiarowe Napięcie sieci Napięcie wyjściowe synchronizacja fazy Napięcie modułu dopasowanie amplitudy do sieci detekcja stanu wyspowego Prąd wyjściowy pętla fazowa synchroni zacja częstotliwości z siecią synchronizacja fazy prądu detekcja stanu wyspowego MPPT Prądy tranzystorów MPPT równy podział prądu między dwie przetwornice 53

15 Dostarczanie mocy do sieci energetycznej Wymagany współczynnik mocy = 1 (zazwyczaj) Prąd wyjściowy falownika Iac musi być w fazie z napięciem sieci Vgrid w przeciwnym razie wystąpi moc bierna zwiększenie prądów bez zwiększenia przekazu energii (mocy czynnej) do sieci przekształtnik musi być falownikiem prądu Napięcie wyjściowe falownika Vac napięcia sieci Vgrid aby wystąpił transfer energii z falownika do sieci, konieczne Vac > Vgrid i α > 0 różnica napięć (wskazów) odkłada się na dławiku filtru wyjściowego Poprzez amplitudę i fazę Vac steruje się prądem Iac zwrotem kierunkiem przekazu mocy fazą współczynnikiem mocy amplitudą ilością przekazywanej mocy 54

16 Przepływ energii i sygnałów 55

17 Struktura programu i maszyna stanowa Power Conversion Algorithm: pętla fazowa generuje prąd odniesienia (kształt i częstotliwość) MPPT ustala jego amplitudę System Startup rozruch Day Mode zwykły tryb pracy Night Mode zbyt niskie napięcie lub moc z modułu PV System Error zbyt niskie/wysokie napięcie/częstotliwość sieci, zbyt duży prąd tranzystora lub wyjściowy 56

18 Sterowanie cyfrowe Pętla fazowa poprzez zliczanie przerwań mierzony jest czas między przejściami vgrid przez zero półokres wyznacza t dla tablicy sinusa (512 próbek / 90 ) Śledzenie punktu mocy maksymalnej metoda zaburz-obserwuj określa amplitudę sinusoidalnego przebiegu odniesienia iacref 57

19 Sterowanie cyfrowe (cd.) Sterownik prądowy człon sprzężenia w przód określa D zgrubnie człon całkujący regulacja dokładna Równoważenie obciążenia przetwornic na podstawie różnicy prądów tranzystorów określana jest D odejmowana w jednej a dodawana w drugiej przetwornicy, tak by sprowadzić i do zera Iload* IACref Iload IAC Vi Vpv Vo VACgrid G KP 58

20 Rozmiary bloków układu 59

21 Testy działania Napięcie i prąd sieci podczas normalnej pracy Wyłączenie po wykryciu stanu wyspowego zanik sieci w maksimum zanik sieci w zerze 60

22 Testy działania (cd.) Wyłączenie wieczorem przy zbyt niskim napięciu wejściowym i ponowne załączenie rano Tętnienie napięcia i prądu modułu PV 61

23 Falownik dwustopniowy VPV or 62

24 Falownik dwustopniowy przetwornica przeciwsobna UPV or Sterowanie cyfrowy sterownik PID Funkcja MPPT możliwa poprzez zmianę VREF (Heat Sink) Zapewnienie rozmagnesowania: poprzez pomiar prądu pierwotnego (IP) 63

25 Falownik dwustopniowy mostek 64

26 Falownik jednostopniowy z transformatorem wysokiej częstotliwości Mostek przełączany jest z częstotliwością 5 15 khz z wykorzystaniem PWM mały transformator Kondensator po stronie wtórnej zapewnia filtrację DP dla uzyskania częstotliwości sieciowej 50 Hz Modulacja jednobiegunowa mniejsze zniekształcenia mniejszy filtr 65

27 Sterowanie tranzystorami mostka W każdym półokresie przełączanie tylko w jednej gałęzi mniejsze straty dynamiczne i zaburzenia 66