Przetwornice ze zdolnością podwyższania i obniżania napięcia (cd.)
advertisement
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) ▶ Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 40 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 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 41 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 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 42 Działanie przetwornicy SEPIC − + Q1 of VCp = Vin Q1 on VL1a = −Vin VL1b = −Vin VCp = Vin − + Q1 of VL1b = Vout VL1a = Vout VCp = Vin Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 43 Działanie przetwornicy SEPIC (cd.) Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 44 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 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 45 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 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 46 Model komputerowy i wyniki symulacji dla zmiennego współczynnika wypełnienia Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 47 Praktyczna przetwornica MPPT podwyższająca napięcie do zasilania wentylatora obwody pomiarowe wyjściowe są nadmiarowe – przeznaczone do badań prototypu Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 48 Algorytm mikrokontrolera – metoda wspinania Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 49 Wynik działania układu MPPT Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 50 Prosty układ MPPT pracujący na zasadzie ułamka napięcia rozwarcia (z ręczną nastawą) Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 51 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) Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 52 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 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 53 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 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 54 Typowy układ aplikacyjny Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 55 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 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 56 Rozdzielny tryb obniżania i podwyższania ● Kolejna metoda zwiększenia sprawności zmniejszenie sumarycznej mocy strat w łącznikach straty statyczne ×3 zamiast ×4 tranzystory straty dynamiczne ×2 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 57 Interfejs I2C ● Umożliwia konfigurację i nadzór / sterowanie na wyższym poziomie 3 LSB adresu konfigurowalne przez I2C0, I2C1, I2C2 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 58 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 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 59 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 96…97 %, małe wymiary dzięki częstotliwości przełączania 200 kHz MPPT metodą zaburz-obserwuj Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 60 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 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 61 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 SM72442 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 62 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 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 63 Praktyczny układ na SPV1040 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 64 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 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 65 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 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 66 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 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 67 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 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 68 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 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 69 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 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 70 Model szeregowy – realizacja praktyczna ● Skomplikowanie układu jest znacząco większe niż w przypadku modeli bocznikowych Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 71
