Systemy autonomiczne (Stand-Alone / Autonomous) Napięcia stałego np. przyczepa kempingowa DC 12/24 V ograniczona grupa odbiorników niskie napięcie mała moc (przy dużym prądzie duże spadki napięć) nieoptymalny odbiór energii z modułów nieoptymalna eksploatacja akumulatora Napięcia przemiennego np.domek letniskowy DC 24 96 V AC 120/230 V dowolne odbiorniki sieciowe większe moce większy uzysk energii z modułów dłuższy czas życia akumulatora 35
Systemy połączone z siecią topologie (Grid-Connected / Utility-Interactive) Scentralizowana np. dom miejski DC 200/400 V AC 120/230 V stałe połączenie z siecią eliminuje akumulatory umożliwia sprzedaż energii awaria falownika wyłącza system PV z użytkowania nieoptymalny odbiór mocy z ogniw tym bardziej przy częściowym zacienieniu Wielołańcuchowa centralny falownik właściwy + odrębne przetwornice wydajniejszy odbiór mocy sieć DC wysokiego napięcia niekorzystna (m.in. proble matyczne zabezpieczanie) 36
Systemy współpracujące z siecią topologie (cd.) Łańcuchowa ograniczenie skutków awarii falownika falownik może zawierać przetwornicę optymalizującą odbiór energii z modułów (MPPT) Modularna indywidualny falownik (+ przetwornica) dla każdego modułu PV = mikrofalownik łatwa budowa systemów generacji rozproszonej 37
Falownik centralny General Electric 600 kw, wejście (PV) 300 600 V, wyjście 480 V (3 fazy), ηpk = 97% wymiary 3,5 m 3,5 m 1,3 m, waga 3175 kg 38
Powody stosowania mikrofalowników Śledzenie punktu maksymalnej mocy indywidualne dla każdego modułu maksymalna optymalizacja odbioru energii z modułów PV Mniej połączeń, brak urządzeń pośrednich koszty instalacji (obwód) koszty instalowania (nakład pracy) Mniejsza moc przetwarzana w każdym falowniku prądy temperatura niezawod ność, koszt chłodzenia pojemności kondensatorów eliminacja elektrolitycznych czas życia Instalacja na wolnym powietrzu eliminacja wentylatorów Z takich samych modułów można stworzyć generator o małej i dużej P standaryzacja sprzętu i oprogramowania, procedur instalacji i eksploatacji niezawodność, koszt Do przetworzenia określonej mocy konieczna większa liczba falowników produkcja koszt Zwykle łączone bezpośrednio z siecią eliminacja akumulatora koszt, prostsza eksploatacja 39
Porównanie uzysku energetycznego z użyciem falownika centralnego i mikrofalowników mikrofalowniki falownik centralny wzorzec National Renewable Energy Laboratory (USA) 40
Główne grupy rozwiązań falowników Jednostopniowe duże elementy bierne w tym transformator kiepska regulacja wyjścia przy szerokim zakresie zmienności Ui Dwustopniowe więcej elementów niższa 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
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
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
Idea praktycznej realizacji obwodu mocy falownika jednostopniowego 44
Mikrofalowniki dwustopniowe Realizacja funkcji Wykorzystywane topologie zaporowa z przeplotem przeciwsobna zasilana prądowo lub napięciowo mostkowa zasilana napięciowo lub prądowo, lub rezonansowa Zalety podwyższenie napięcia przetwornica z wyjściem stałonapięciowym kształtowanie przebiegu przemiennego sinusoidalnego falownik właściwy 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
Idea praktycznej realizacji obwodu mocy falownika dwustopniowego 46
Przykładowy system współpracujący z siecią oparty na mikrofalownikach Zasilanie pomocnicze także z modułu fotowoltaicznego Sterowanie cyfrowe zaawansowany mikrokontroler sygnałowy dspic33fj16gs504 47
Rozwiązanie mikrofalownika Topologia jednostopniowa 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
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 korzystne przy dużych mocach przetwarzanych 49
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
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
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
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
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
Przepływ energii i sygnałów 55
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
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
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
Rozmiary bloków układu 59
Testy działania Napięcie i prąd sieci podczas normalnej pracy Wyłączenie po wykryciu stanu wyspowego zanik sieci w maksimum zanik sieci w zerze 60
Testy działania (cd.) Wyłączenie wieczorem przy zbyt niskim napięciu wejściowym i ponowne załączenie rano Tętnienie napięcia i prądu modułu PV 61
Falownik dwustopniowy VPV or 62
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
Falownik dwustopniowy mostek 64
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
Sterowanie tranzystorami mostka W każdym półokresie przełączanie tylko w jednej gałęzi mniejsze straty dynamiczne i zaburzenia 66