Solární zdroj RE50W.

Cílem tohoto projektu bylo prozkoumat vlastnosti solárního zařízení s mikroinvertory, kdy  rekuperace energie do sítě je realizována mikroměniči u každého jednotlivého PV panelu systému. Záměrně jsem volil vlastní vývoj, což mně umožnilo hluboko proniknout do problematiky a  prozkoumat různé varianty a slepé uličky. Jako jádro měniče jsem použil signálový procesor ADSP2181 Analog Devices (měl jsem v šuplíku zatoulaný kit), který se ukázal pro tento účel docela vyhovující.  

FV panel

Z důvodu vyšší účinnosti jsem volil FV panel 100Wp s monokrystalickými články Bosch. Panel s monokrystalickými články má větší účinnost při kolmém dopadu světla, ale s úhlem odlišným od normály účinnost klesá rychleji než u panelu s polykrystalickými články. To však v mojí konstrukci bylo kompenzováno polohovacím zařízením.

Elektrické vlastnosti

  • Jmenovitý výkon 100W
  • Hmotnost [kg] 7,8
  • Rozměry [mm] 670x945x35
  • Jmenovité napětí [V] 17,5
  • Jmenovitý proud [A] 5,71
  • Teplotní koef. napětí: -0,34%/°C
  • Teplotní koef. proudu: +0,017%/°C
  • Teplotní koef. výkonu: -0,48%/°C
  • Napětí naprázdno [V] 21,6
  • Proud nakrátko [A] 6,06
  • Účinnost [%] 18,43

V průběhu práce na vývoji měniče se ukázalo, že nelze měnič efektivně testovat přímo s FV panelem. Potřebu zdroje s VA charakteristikou FV panelu s možností simulace vlivu osvětlení, teploty a zastínění,  jsem tedy vyřešil vytvořením matematického modelu v EXCELU  (k výpočtu charakteristik jsou potřeba rekurentní výpočty a to EXCEL umí). S pomocí bazarové IO karty (Advantech), doplněné externím HW (vlastní výroby) a  makra napsaného ve Visual Basicu, jsem získal kýžený nástroj pro vývoj.

Měnič (mikroinvertor)

Inspiraci pro zapojení měniče jsem nalezl v [1]. Na následujícím obrázku je výsledný funkční model měniče. Jedná se o měnič bez DC meziobvodu s galvanickým oddělením od sítě dvěma paralelními v protifázi spínanými flyback konvertory s půlsinusově modulovaným výstupním napětím, za kterými následuje tyristorový můstek v invertorovém režimu, který zprostředkuje rekuperaci energie do sítě. Za předpokladu sinusového napětí v síti (to bohužel dnes není zcela samozřejmý předpoklad), je proud měniče do sítě sinusový a ve fázi s napětím (true power factor ->1). Veškeré řízení měniče je implementováno v sofwaru signálového procesoru ADSP-2181. 

DC-DC konvertor

Jádrem celého měniče je DC-DC konvertor, který transformuje napětí z FV panelu na napětí sítě a současně zajišťuje galvanické oddělení panelu od síťových obvodů. Jedná se o dva paralelně pracující flyback konvertory v prokládaném režimu, tj. spínače jsou buzeny tak, že pokud je jeden konvertor v nabíjecí fázi, druhý se vybíjí do výstupu. Tím se omezí impulsní zatížení panelu. Měniče pracují s frekvencí 38 kHz. Stěžejní je konstrukce transformátorů [6], která volbou materiálu jádra, ale i konstrukcí cívek ovlivňuje účinnost měniče i parametry ostatních prvků v obvodu. Transformátory musí zajistit izolační bariéru 4 kV a při tom co nejtěsnější magnetickou vazbu, aby rozptylová indukčnost byla co nejmenší. Energie z rozptylové indukčnosti způsobí spolu s kapacitou spínače napěťové zákmity při jeho rozepnutí, které vedou nejen ke zvýšenému namáhání spínače, ale i k zhoršení EMC. K omezení těchto zákmitů se používají ochranné obvody [2], které zákmity omezí, ale energii přemění na teplo a tím se snižuje účinnost. Proto je žádoucí docílit co nejmenší hodnoty rozptylové indukčnosti. 

DC- AC invertor

Převod modulovaného ss. napětí na střídavý sinusový průběh je realizován celořízeným tyristorovým můstkem v invertorovém chodu. Aby byl true power factor co nejblíže 1, pracuje můstek s řídícím úhlem blízko mezní hodnoty p, proto je zde výrazné nebezpečí tzv. prohoření invertoru. Není li totiž na tyristor přivedeno dostatečnou dobu závěrné napětí (tak tomu je  v okamžiku nulového napětí sítě), nepřejde do blokovacího stavu, následkem čehož vznikne při sepnutí druhé dvojice ventilů v obvodu trvalý zkrat. Aby se tomu zamezilo zajistí modulátor pro úhel   p-D < a < p+D, nulovou hodnotu napětí.  Tím se současně řeší i nezanedbatelný fázový jitter sítě způsobený HDO. Další problém je přídržný proud tyristorů, který limituje minimální výkon dodávaný do sítě. Pokud totiž měnič nedodá  dostatečnou energii, aby během série zapalovacích pulzů proud tyristorů vzrostl nad hodnotu přídržného proudu a udržel se tak ve vodivém stavu do konce půlperiody, potom DC-DC konvertor běží bez zátěže a jeho výstupní napětí může dosáhnout nebezpečných hodnot.

Regulátor

PI regulátor nastavuje výstupní výkon tak, aby se výstupní napětí panelu udrželo na konstantní hodnotě Uref, viz. dále.V případě že se výstup regulátoru dostane na minimální hodnotu zajišťující bezpečný provoz DC-AC invertoru, dojde k omezení výstupu na této hodnotě a potažmo vzhledem k VA charakteristice panelu, k poklesu výstupního napětí panelu pod hodnotu, kdy dojde k vypnutí DC-DC konvertoru. Po odlehčení napětí panelu opět stoupne nad zapínací hodnotu a měnič rekuperuje do sítě kvantum energie, které je uskladněno ve vstupní filtrační kapacitě. Měnič tak přechází v případě nízkého výkonu do nespojitého režimu. Protože rozhodovací kritérium je synchronní s počátkem periody dochází k sepnutí celé síťové vlny v nule a to eliminuje EMC rušení. Velmi se osvědčil algoritmus regulátoru popsaný v [3]. Kromě jednoduchosti implementace vyniká tento algoritmus jednoduchým a dobře fungujícím beznárazovým přechodem manuální řízení -> regulace. To je stěžejní ke správné funkci přechodu ze spojité do pulzní  regulace a vice versa .

MPPT

Vzhledem k nelineární charakteristice je pro optimální využití FVP nutné řídit měnič tak, aby zatížení panelu bylo v bodě, kde panel dodává maximální výkon. K tomuto cíli vedou různé metody MPPT (Maximum Power Point Tracking) viz. [4].

Protože původní ADSP-2181 EZ-Kit měl pouze střídavé analogové vstupy, na které jsem přivedl napětí sítě (potřebné pro synchronizaci) a výstupní proud (pro jištění), nabízelo se počítat výstupní výkon a pro řízení použít metodu Pertrub and Observe. To se však neosvědčilo. Měnič bez DC meziobvodu má velmi krátkou časovou konstantu a tento typ řízení nedokáže reagovat na rychlé změny v osvícení, které způsobuje např. oblačnost. Docházelo tak k fatálním poruchám měniče. Po výměně AD převodníku v kitu za AD73360, bylo možné připojit i ss analogové signály, tak jsem vyzkoušel řízení s přídavnou PV buňkou. To fungovalo bezvadně do té doby dokud nedošlo k částečnému zastínění panelu a tím výkon panelu přestal odpovídat signálu ze senzoru.

Poznámka: Protože buňky panelu jsou zapojeny v sérii, tak zastíněním části  panelu začnou být zastíněné buňky namáhané v závěrném směru začnou ve formě tepla vyzařovat energii z nezastíněných buněk a může dojít jejich zničení. Aby k tomu nedošlo, je panel rozdělen na dvě a více sekcí, které jsou překlenuty diodou. Proud nezastíněných buněk potom teče touto diodou ale napětí panelu a tím i výkon se adekvátně sníží (u dvou sekcí na polovinu i při zastínění jediné buňky!)

Nakonec se nejvíce osvědčila metoda konstantního napětí panelu (Uref nastavené na  hodnotu jmenovitého napětí panelu 17,5V). Tato metoda sice nedrží exaktně MPP, ale v rozsahu teplot 0 – 30 ̊C je chyba zanedbatelná viz násl. obrázek (vygenerovaný z modelu.)  Pro vyšší a nižší teploty při nízké hodnotě osvícení účinnost klesá.

Jištění, ochrany a EMC

Nedojde li při nízkém výkonu měniče k sepnutí ventilů DC-AC invertoru, nebo v případě přerušení výstupní pojistky, objeví se na výstupu DC-DC měniče nebezpečné přepětí. Proto je zařízení doplněno HW obvodem indikujícím přepětí na výstupu DC-DC konvertoru. V okamžiku výskytu přepětí je vyvoláno přerušení a chod měniče je zablokován.

Vstup i výstup měniče je chráněn tavnými pojistkami a toto jištění doplněno SW pojistkou, která v případě nadproudu okamžitě zablokuje měnič.

Tlumivka na výstupu, která slouží jako vazební impedance, spolu výstupním s EMC filtrem, účinně potlačuje rušení. Ke snížení rušení výrazně přispělo použití snubberu [2] nejen na straně spínače Flayback konvertoru, ale i na sekundární straně u usměrňovacích diod.

Polohovací zařízení

Byl zvolen systém s polární osou a rotací panelu kolem této osy. Pro pohon se používá AC motor ovládaný SW procesoru. Naklápění má 4 fixní polohy, které jsou nastavovány podle denního času tak, že v každé poloze panel setrvá 3 hodiny. Polohovací zařízení potřebuje ke své činnosti určitý minimální  výkon z panelu. Proto je systém doplněn senzorem, který systém aktivuje pouze tehdy, je li panel osvětlen takovou intenzitou, aby byly pomocné obvody schopné funkce. Jinak je měnič ve stand-by režimu. Konstrukce je zřejmá z přiložených obrázků.

Praktické výsledky

V SW měniče byla implementována funkce monitorování výkonu. RAW hodnoty výkonu byly přenášeny prostřednictvím sériové linky do PC a po zpracování výsledky uloženy do  tabulky v EXCELu. V následujícím obrázku je ukázka průběhu výkonu dodaného do sítě během dne:

- Červená čára:  Jasný den, bezvětří , teplota vzduchu 35°C, teplota panelu 55°C.

- Modrá čára:  Zpočátku jasno, později polojasno, typ mraků Altocumulus, mírný vítr, teplota vzduchu 20°C, teplota panelu 45°C

- Zelená čára: Polojasno, typ mraků Cumulus, Silný vítr, poryvy , teplota vzduchu 25°C, teplota panelu 45°C Vlivem větru velice rychlý pohyb mraků a potažmo velice rychlé změny výkonu mezi nulou a maximem.

- Hnědá čára: Jasný den, bezvětří , teplota vzduchu 26°C, teplota panelu 46°C

- Černá čára (referenční): Křivka byla vypočítána pomocí [8] a představuje teoretický výkon slunce dopadající na plochu panelu ve dnech měření, s respektováním polohy slunce a natočení panelu.

Poznámka: Aby byl měnič s panelem přístupný pro připojení PC a jiných měřicích přístrojů, nebylo možné zařízení při zkouškách optimálně  umístit, aby bylo zajištěno celodenní oslunění. V místě umístění bylo plné oslunění  jen od 8 do 15ti hod. Pokles výkonu v okolí 12té hodiny je způsoben zastíněním větví stromu. Nicméně na druhé straně to pomohlo odhalit některé problémy s částečným zastíněním, které by jinak zůstaly neodhaleny. Protože okolí (tráva, stromy) příliš neodráží světlo, použil jsem pro výpočet referenční křivky pouze přímou složku záření.

Obecně lze říci, že  při zatažené obloze FVP nedodá dostatek energie ani pro spínání motoru polohovacího zařízení. Zařízení je v tomto případě  deaktivováno. Za slunečného dne pokud byla vysoká teplota (35°C), dosáhla teplota panelu 55°C a to se přirozeně projevilo  na sníženém výkonu viz. červená křivka na obrázku výše. Při oblačné obloze se dodávaný výkon velice dynamicky mění, zvláště za větrného počasí (zelená a částečně modrá křivka). V mezerách mezi zastíněním oblaky je špička dodávaného výkonu vyšší než maximální výkon za jasného dne, protože nedochází k tak výraznému oteplení panelu a okolní oblaka působící jako odrazný reflektor zvyšují intenzitu záření. Při zastínění mrakem klesá výkon téměř k nule, někdy je intenzita světla tak malá, že  dojde k deaktivaci měniče.

Účinnost

Na obrázku výše byla zvolena měřítka tak, aby se maxima dodávaného výkonu co nejlépe kryla s teoretickou křivkou. Porovnáním těchto měřítek lze stanovit účinnost přeměny:

η = (78/600)*100 = 13%  

Vezmeme li v úvahu deklarovanou účinnost FV panelu 18,43% vychází účinnost vlastního měniče 70%. To také odpovídá přímému měření na měniči (72%).

Závěrem

Solární zdroj, prezentovaný zde, je alespoň v podmínkách ČR, slepá ulička. Nejenže přes poměrnou složitost dodá poměrně málo energie, ale i na připojení  tohoto mikrozdroje  k síti, by bylo třeba uzavřít smlouvu s provozovatelem distribuční soustavy. Bez řádně uzavřeného smluvního vztahu a doložení splnění veškerých podmínek se jedná o přestupek podle energetického zákona podle §90 odst. 1 písm. g.

Literatura

1. AN1338 Grid-Connected Solar Microinverter Ref. Design (Microchip)

2. Flyback Converter Snubber Design (Dr. Ray Ridley)

3. PID algorithms and their computer implementation (D.W.Clarke )

4. MPPT (Delft University of Technology)

5. Matematické odvození závislosti sirky pulsu buzeni menice (M. Balík)

6. Fayback měniče-výpočet-konstrukce (M.Balik)

8. SolarCalculator