Развитая логика управления повышает эффективность возобновляемых источников энергии


PDF версия

Цифровые сигнальные контроллеры с плавающей точкой, основанные на архитектуре с фиксированной точкой, позволяют реализовать более сложные алгоритмы управления в инвертирующих усилителях мощности для систем, использующих солнечную энергию и энергию ветра. Статья представляет собой авторизованный перевод [1].

В настоящее время в силовой электронике и, в частности, в приложениях с возобновляемыми источниками энергии необходимо повысить общее количество получаемой мощности при снижении ее удельной стоимости. Одним из способов достижения этой цели является добавление развитых логических функций в управление инвертором, преобразующим изменяющееся выходное напряжение источника энергии в стабильное напряжение, которое используется для работы различных устройств. Одно из решений этой проблемы — применение интеллектуальных инверторов, повышающих энергоэффективность, синхронизирующихся с электросетью общего пользования и защищающих локальные системы от возможных повреждений в сети.
Хотя системы с солнечными батареями и ветросиловые установки являются наиболее очевидными применениями, интеллектуальные инверторы также могут применяться в других приложениях для максимального увеличения выходной мощности. Для подобных применений высокоэффективное управление инвертором обеспечивается цифровыми сигнальными контроллерами (ЦСК), уменьшающими потери преобразования вполовину при значительном снижении стоимости. Цифровые сигнальные контроллеры сочетают в себе высокую производительность цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) с простотой программирования и интеграции микроконтроллеров. Помимо этого, в настоящее время доступны ЦСК, поддерживающие операции с плавающей точкой, что повышает производительность и облегчает программирование сложных алгоритмов.

Назначение инверторов

Основная функция инвертора состоит в преобразовании изменяющегося напряжения постоянного тока, поступающего от источника, в стабильное синусоидальное напряжение с частотой 50 или 60 Гц для питания различных устройств и его подачи в электрическую сеть. В зависимости от приложения, может требоваться однофазное или многофазное напряжение. Помимо преобразования постоянного тока в переменный, интеллектуальные инверторы также защищают нагрузку, в источниках бесперебойного питания заряжают аккумуляторные батареи, регистрируют данные о потребляемой мощности, эксплуатационные показатели, отслеживают режимы оптимальной мощности источника энергии (Maximum Power Point — MPP; Maximum Power Point Tracking — MPPT) для поддержания максимальной эффективности выработки электроэнергии. Номинальные диапазоны от одного до нескольких сотен киловатт пиковой мощности позволяют проектировать инверторы в сложных топологиях источников, с трансформаторами или без таковых, а также с интеграцией нескольких управляющих процессоров.
Упрощенная структурная схема инвертора показана на рисунке 1. Сначала преобразователь постоянного напряжения повышает или понижает входное напряжение, регулируя выходные параметры для достижения наибольшей эффективности. После некоторой дополнительной буферизации напряжения полевые МОП-транзисторы моста используют частоту коммутации в диапазоне 18…20 кГц для преобразования постоянного напряжения в переменное. В заключение низкочастотный фильтр сглаживает коммутируемый переменный ток до синусоидальной формы сигнала для использования при генерации выходного переменного тока с частотой электросети. (На рисунке 2 не показаны преобразование и регулирование величины постоянного напряжения, необходимые для зарядки аккумуляторной батареи).

Рис. 1. Упрощенная структурная схема инвертора
Рис. 2. Схема преобразования
Трансформаторы и защита

Поскольку входное напряжение источника обычно недостаточно высоко, то система может либо повышать напряжение с помощью трансформатора на стороне переменного напряжения, либо увеличивать напряжение на каскаде преобразования величины постоянного напряжения. Трансформатор переменного тока обеспечивает гальваническую развязку благодаря своей конструкции; то же самое происходит в случае полномостового преобразователя постоянного тока со сдвигом по фазе и отключением при нулевом напряжении, и этот преобразователь, таким образом, представляет собой эквивалент трансформатора. На рисунке 2 показана широко используемая схема преобразования постоянного тока в переменный с трансформатором для однофазного инвертирования, управляемая четырьмя сигналами широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
С одной стороны, трансформаторы увеличивают вес, объем и стоимость решения, а также приводят к снижению КПД приблизительно на 2%. С другой стороны, они улучшают защиту цепи и повышают безопасность пользователя, изолируя цепи и предотвращая распространение короткого замыкания постоянного тока на сторону переменного тока. Конструкция может включать в себя устройство защиты от остаточного тока (residual current protection device, RCD), отслеживающее токи всех фаз, а затем размыкающее реле, если ток превышает определенную величину. Из-за опасности утечки тока устройства RCD имеют особое значение для безопасности бестрансформаторных систем.
Необходимость включения в конструкцию реле диктуется требованиями защиты системы, чтобы предохранить цепи преобразования и зарядки от перегрузки и скачков напряжения в электросети. Инвертор определяет случаи, когда линия обесточена, находится под пониженным или повышенным напряжением либо имеет существенные нарушения по какой-либо другой причине. Когда происходит что-то подобное, инвертор автоматически отключается от сети электроснабжения, не становясь отдельной электрогенерирующей секцией.

Увеличение мощности зарядки до максимума

Эффективность заряда аккумуляторной батареи зависит от входного напряжения, которое может сильно меняться, особенно в системах с возобновляемыми источниками энергии. Параметры аккумуляторной батареи также изменяются в зависимости от состояния зарядки, так что время от времени для того, чтобы повысить полную отдаваемую мощность и скорость зарядки, возникает необходимость в коррекции режима заряда.
Батарея имеет максимальную мощность заряда при оптимальной мощности MPP. Отслеживание точки оптимальной мощности MPP необходимо для ее определения и коррекции преобразования напряжения постоянного тока с целью получения максимальной выходной мощности для зарядки. MPPT может повышать общий КПД солнечных энергосистем на одну треть или больше в зимний период, а также оказывать значительное влияние на системы другого типа. На рисунке 3 показано, как определение MPP изменяется в зависимости от погодных условий.

Рис. 3. Определение MPP в зависимости от погодных условий

Наиболее распространенный алгоритм определения MPP состоит в регулировании рабочего напряжения на каждом цикле MPPT. Этот алгоритм поддерживает осцилляции в окрестности точки MPP в достаточно широком диапазоне, чтобы исключить небольшие искажающие общую картину пиковые значения на графике мощности. Мера неэффективности алгоритма возмущение-наблюдение определяется пределами, в которых происходит осцилляция от точки MPP на каждом цикле. Применяемый в качестве альтернативы алгоритм дифференциальной индуктивности находит точки экстремума, в которых производная графика мощности равна нулю, а затем переходит на установленный уровень мощности.
Хотя такой подход лишен связанных с осцилляцией недостатков, он может оказаться несостоятельным по другим причинам, поскольку вероятен переход на локальный максимум вместо точки MPP. Комбинированный подход поддерживает уровень, определенный алгоритмом дифференциальной индуктивности, но производит сканирование в более широком диапазоне, чтобы исключить выбор локальных максимумов. Являясь более эффективным, этот подход также требует большей производительности контроллера.

Требования к проектированию системы управления

Чтобы эффективно исполнять точные алгоритмы преобразования постоянного тока в переменный и защитить цепь, управляющий процессор для инвертора должен удовлетворять ряду требований к обработке данных в реальном времени. Для исключения секционирования необходимо точное измерение напряжений и токов для определения потока мощности, при котором разрешено быстрое отключение.
Если выход инвертора должен синхронизироваться с линией электропитания, то система управления может включать в себя цифровой контур фазовой автоподстройки частоты, реализованный на уровне программного обеспечения наряду с другими алгоритмами. Хотя MPPT и управление зарядкой аккумуляторной батареи требуют реагирования лишь в близком к реальному времени режиме, они также предусматривают алгоритмы с высоким уровнем требований к обработке. Управление требуется для установления стабильного напряжения постоянного тока в каскаде преобразования величины постоянного тока, а также в некоторых случаях может быть необходимо для компенсации изменений постоянного тока в каскаде его преобразования в переменный ток. Решить эти проблемы разработчику позволит единственное устройство, способное управлять всеми этими каскадами и обладающее достаточной производительностью для выполнения нескольких алгоритмов.
ЦСК представляют собой хорошее решение для управления в реальном времени инверторами, аккумуляторными батареями и защитными механизмами в системах с возобновляемыми источниками энергии. Эти устройства наследуют от ЦСП возможность поддержки быстрых математических вычислений в алгоритмах управления в реальном времени. Один контроллер на базе ЦСП может управлять несколькими каскадами преобразования на одном и том же инверторе, а также имеет запас производительности для выполнения дополнительных функций, например MPPT, мониторинга зарядки батарей, защиты от бросков напряжения, протоколирования данных и обеспечения связи.
В новых контроллерах с плавающей точкой эти преимущества расширены, что облегчает программирование и отладку, а также делает их менее подверженными ошибкам. Более широкий диапазон, характерный для операций с плавающей точкой, уменьшает вероятность насыщения и позволяет производить динамическую коррекцию алгоритмов при любых режимах нагрузки. Помимо этого, программный код на основе команд с плавающей точкой более компактен в математических операциях и требует меньше тактов для исполнения, чем в случае фиксированной точки.

Проектирование системы управления инвертора

На рисунке 4 показан цифровой сигнальный контроллер F2833x, применяемый для управления инвертором силового каскада в работающей от солнечной энергии системе. (Система с ветросиловой установкой выглядит аналогично, хотя имеет коллектор энергии с ветродвигателем). Входные сигналы от датчиков на батарее солнечных элементов подаются на АЦП контроллера, обеспечивая мгновенную передачу данных о напряжении и токе, которые подаются для преобразования от солнечной батареи. Кроме того, входные сигналы могут, например, предоставлять информацию о температуре солнечных элементов и окружающей среды, применяемую для защиты фотоэлектрических панелей, а также обеспечивать обратную связь путем измерения выходной мощности солнечных элементов, используемую для отслеживания точки MPP.

Рис. 4. Цифровой сигнальный контроллер F2833x

Все измерительные входы должны быть масштабированы таким образом, чтобы максимумы и выбросы не превосходили 3-В уровень напряжения АЦП. Данные сначала подаются на контур управления электропитанием. В зависимости от конструкции, возможно наличие нескольких контуров. Другие выполняемые в реальном времени задачи также предусматривают входные сигналы на контур управления электропитанием. В число таких задач входит измерение мощности, возвращаемой в сеть, мониторинг уровней мощности в сети для обеспечения защиты, регулирование зарядки батарей, отслеживание точки MPP и взаимодействие с параллельными контроллерами, управляющими другими системами.
На рисунке 1 показано, как в инверторе используются ШИМ-контроллеры для каскадов преобразования величины постоянного тока и преобразования постоянного тока в переменный. В зависимости от уровня мощности системы, можно реализовать однофазную или многофазную конфигурацию преобразования постоянного тока. Мониторинг и управление для входного и выходного напряжений каскада преобразования постоянного тока можно осуществлять с помощью АЦП контроллера. Управление каскадом преобразования постоянного тока в переменный с использованием полумостовой схемы, как показано на рисунке 2, можно осуществлять с использованием четырех выходных сигналов ШИМ. Поддерживается разрешение ШИМ более 12 разрядов при частоте коммутации ШИМ 20 кГц — это достаточно высокие показатели для обеспечения переходной характеристики и контроля над выходным напряжением переменного тока.
Это напряжение синхронизируется с линией переменного тока путем измерения напряжения в линии и точке пересечения нуля; последняя величина определяется с помощью любой из линий ввода–вывода контроллера. Малое время задержки обработки прерывания, характерное для контроллеров F2833x, обеспечивает быстрый отклик и синхронизацию выхода инвертора с напряжением линии переменного тока.
В качестве альтернативы вместо полумостового преобразователя на выходе системы может применяться трехфазный инвертор. В этом случае для управления каскадом преобразования постоянного тока в переменный потребуются шесть сигналов ШИМ.
Важным аспектом конструкции является управление обработкой отказов в реальном времени. Отказы, возникающие сравнительно медленно (например, перегрев инвертора), могут быть обнаружены и обработаны с использованием выделенного входа АЦП, осуществляющего текущий контроль температуры и инициирующего соответствующую реакцию системы. Напротив, такие критические отказы как повышенное и пониженное напряжение или перегрузка по току, требуют немедленной реакции во избежание серьезного повреждения системы. В контроллерах F2833x предусмотрены специальные линии для обработки таких критических отказов, называемые зонами отключения. Выводы зон отключения переводят в неактивное состояние отображаемые выходные сигналы ШИМ в течение двух тактов ЦСП после получения сигнала об отказе, обеспечивая своевременное отключение системы для предотвращения ее серьезного повреждения.

Литература
1. Arefeen Mohammed, Control Intelligence Improves Renewable Energy Efficiency.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *