Двенадцать индивидуально управляемых каналов ШИМ (EPWM) обеспечивают различные импульсные последовательности для высокоскоростного переключения мостов преобразователя и цепей зарядки аккумулятора. Каждый из модулей EPWM имеет свой собственный регистр таймера и фазы, что позволяет программно управлять фазовой задержкой; кроме того, все каналы EPWM могут быть синхронизованы для обеспечения работы всех стадий процесса на одной и той же частоте. Каналы EPWM программируются на любую частоту, выходы могут корректироваться в пределах двух тактов DSP для защиты преобразователя от аварий, таких как сверхток, перенапряжение, понижение напряжения и пр. Несколько таймеров предоставляют значительный диапазон доступных частот, имеется также быстрая обработка прерываний, что позволяет реализовать дополнительные задачи управления. Стандартные коммуникационные порты, включая шину CANbus, предоставляют простые интерфейсы к другим компонентам и системам.
Контроллеры пригодны также для использования гибких управляющих блоков, поддерживающих широкий диапазон топологий систем. Встроенные функции помогают уменьшить системные затраты. Встроенный блок прямого доступа в память (DMA) и 32-разрядный интерфейс расширенной памяти (EMIF) значительно ускоряют обмен данными. Ультрабыстрые 12-разрядные АЦП предоставляют до 16 каналов для обработки тока и напряжения, необходимой для получения регулярного синусоидального сигнала, а также для обнаружения ошибок, синхронизации с электросетями и отслеживания остаточного тока.
Практика показала, что DSP-контроллеры с поддержкой операций с фиксированной запятой, будучи применёнными в преобразователях солнечной энергии, позволяют добиться значительного снижения стоимости, одновременно увеличивая КПД почти вдвое. Новые контроллеры с поддержкой операций с плавающей запятой приведут к дальнейшему повышению эффективности. Наглядным примером такого контроллера является цифровой сигнальный контроллер фирмы Texas Instruments TMS320F2833x 32-разрядное устройство, работающее на тактовой частоте до 150 МГц и обеспечивающее быстродействие в 300 мегафлопс (миллионов операций с плавающей запятой в секунду). Благодаря такому быстродействию один контроллер F2833x может управлять несколькими процессами в инверторе и, кроме того, предоставлять дополнительный ресурс для выполнения таких функций, как отслеживание точки максимальной мощности, мониторинг процесса зарядки аккумулятора, защита от скачков в сети, сбор и хранение данных, поддержка сетевой коммуникации.
Цифровые сигнальные контроллеры представляют собой хорошее решение для задач управления в режиме реального времени инверторами, аккумуляторами и модулями защиты. Эти основанные на DSP устройства обеспечивают высокую скорость математических вычислений, необходимую для реализации управления в реальном времени, кроме того, новая архитектура поддерживает операции с плавающей запятой, что также повышает производительность и облегчает программирование и отладку приложений. Большие границы чисел, предоставляемые операциями с плавающей запятой, снижают вероятность переполнения и позволяют применять динамические алгоритмы во всём диапазоне нагрузок. Программы, использующие операции с плавающей запятой, более компактны и выполняются за меньшее количество тактов, чем программы, использующие фиксированную запятую. Интегрированные периферийные устройства, такие как аналогово-цифровые преобразователи (АЦП, ADC) или модули широтно-импульсной модуляции (ШИМ, PWM), дают возможность непосредственно отслеживать входное напряжение и управлять тиристорными преобразователями, что позволяет экономить стоимость и занимаемое системой место. Наличие встроенной flash-памяти обеспечивает хранение программ и данных, коммуникационные порты облегчают построение сетей, которые могут включать измерительные датчики и другие подобные приборы.
Контроллер для инвертора должен соответствовать ряду требований, касающихся работы в реальном времени, чтобы эффективно исполнять высокоточные алгоритмы для преобразования постоянного тока в переменный и обеспечивать защиту цепи. Для неавтономных устройств требуется также точное измерение напряжения и тока для определения потока мощности и быстрого размыкания цепи при необходимости. Если выходное напряжение инвертора должно синхронизоваться с силовой линией, то программное обеспечение контроллера может быть снабжено функцией, реализующей механизм фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ, PLL). Отслеживание точки максимальной мощности и управление зарядом аккумулятора также включают в себя алгоритмы, требующие высокого уровня производительности. В некоторых случаях, несмотря на то, что стабильное напряжение постоянного тока обычно получается на участке пребразования DC/DC, конструкция установки может потребовать коррекции пульсаций постоянного тока на участке DC/AC. Все эти задачи решаются с помощью единственного устройства, способного контролировать оба участка преобразования и обладающего производительностью, достаточной для реализации нескольких алгоритмов.
Алгоритм отслеживает достаточно широкий диапазон, чтобы избежать неверной интерпретации локальных пиков на кривой мощности, вызванных, например, изменениями в облачности или короткими порывами ветра. Такой подход не очень выгоден, поскольку заставляет далеко удаляться от точки максимальной мощности в каждом цикле. Альтернативный алгоритм дифференциальной индуктивности ищет точку, где производная кривой мощности равна 0, что по определению является максимумом, а потом устанавливает найденную величину напряжения. Этот алгоритм более эффективен, чем первый, но содержит в себе опасность попасть в локальный экстремум, который не является точкой максимальной мощности. Комбинированный подход, когда напряжение вычисляется по производной, но при этом происходит сканирование достаточно большого участка для предотвращения попадания в локальный максимум, представляется наиболее выгодным, но одновременно он требует максимальной производительности контроллера.
Модуль слежения за точкой максимальной мощности (MPPT) сконструирован специально для определения этого пика и адаптации напряжения преобразования DC/DC таким образом, чтобы максимизировать зарядную мощность. Модуль MPPT способен увеличить общий КПД солнечной панели на треть и более во время зимних месяцев, когда потребность в электроэнергии наиболее высока, эффект его применения в ветровых установках также значителен. Одним из способов определения точки максимальной мощности является такой, когда контроллер возмущает рабочее напряжение солнечной панели в каждом цикле MPPT и следит за выходной мощностью.
Рис. 2. Точка максимальной мощности (ТММ) для различных условий
Безопасность системы делает обязательным использование реле для защиты цепей преобразования и зарядки от скачков напряжения в сети. Кроме того, если силовая линия повреждена или выключена, то инвертор должен перестать подавать ток в энергосистему. Интегрированный инвертор «чувствует», что линия обесточена, что напряжение выше/ниже заданного или что возникла какая-нибудь другая серьёзная помеха. Если такое происходит, то инвертор автоматически закрывает поставку мощности в энергосистему или направляет её по другому каналу, препятствуя тем самым возникновению «одиноко стоящего» источника энергии. Эффективность преобразования прямого тока в переменный зависит от входного напряжения так же, как и эффективность зарядки аккумуляторов. Но входное напряжение плавает для ветровых установок в зависимости от силы ветра, для фотоэлектрических панелей от времени года, облачности или времени дня, условия на аккумуляторе меняются в зависимости от величины заряда на нём. В некоторых случаях понижение напряжения с одновременным повышением аккумуляторного тока может увеличить подаваемую мощность и ускорить зарядку, в других зарядка может осуществиться только при уменьшении величины тока и увеличении напряжения. Наибольшая подаваемая мощность реализуется, когда произведение напряжения на ток достигает пика, как показано на рис. 2.
В некоторых регионах использование трансформаторов обязательно, хотя трансформаторы приводят к увеличению веса, размеров и стоимости, кроме того, они уменьшают КПД примерно на 2%. С другой стороны, трансформаторы улучшают защиту сети и безопасность персонала благодаря электрической изоляции двух участков цепи, препятствуя тем самым сбою на участке DC перейти на участок AC, а току утечки участка AC создать потенциальные проблемы между фотоэлектрической панелью и землей. Конструкция может содержать устройство защиты от остаточного тока (RCD), которое отслеживает токи всех фаз и размыкает реле, если ток превышает определённую величину. Из-за риска появления тока утечки устройство RCD особенно важно для обеспечения безопасности бестрансформаторных систем.
Напряжение постоянного тока должно превышать выходное напряжение переменного, однако обычно источники это не обеспечивают. Поэтому система может повысить напряжение либо с помощью трансформатора на участке переменного тока, либо на участке преобразования DC/DC. Трансформатор переменного тока по самой своей природе обеспечивает электрическую изоляцию, то же самое можно сказать о полномостовом DC/DC преобразователе с нулевым напряжением переключения, что делает его эквивалентным трансформатору.
Сначала преобразование DC/DC (постоянного тока) увеличивает или уменьшает входное напряжение, регулируя его величину так, чтобы достичь наибольшего КПД. Затем, после некоторого дополнительного накопления энергии, тиристоры, работающие на частоте 18 20 кГц, преобразуют напряжение постоянного тока (DC) в напряжение переменного (AC). Стандартной конфигурацией для участка DC/AC является однофазный H-мост, однако возможны трёхфазные либо другие конфигурации. Наконец, фильтр низких частот переводит полученный переменный ток в гладкий синусоидальный сигнал для использования в стандартных электрических сетях. На рисунке не показано преобразование DC/DC и схема стабилизации, требуемая для зарядки аккумулятора.
Рис. 1. Схема преобразования постоянного тока в переменный без участия трансформатора
Принципиальная инверторная схема показана на рис. 1.
Инвертор регулирует поток энергии между коллектором, аккумулятором и нагрузками. Его основной функцией является преобразование пульсирующего напряжения постоянного тока, поступающего от источника, в регулярное напряжение переменного тока частотой 50 или 60 Гц (в зависимости от региона), которое используется для питания электроаппаратуры или подаётся в сеть. В зависимости от приложения может потребоваться одно или многофазный ток. Кроме преобразования постоянного тока в переменный, инверторы выполняют также такие функции, как размыкание цепи для защиты от скачков мощности, зарядка аккумуляторов, запоминание рабочих данных и отслеживание максимумов электропотребления с целью повышения эффективности производства энергии. Диапазон номинальных мощностей лежит между одной и несколькими сотнями киловатт в пике, что предполагает использование инверторов в системах со сложной топологией источников, с трансформаторами или без них, а также со многими управляющими процессорами.
Солнечная и ветровая энергетика представляются наиболее естественными приложениями, однако интеллектуальные преобразователи могут оказаться выгодными и для других источников нерегулярно изменяющегося напряжения, например, для топливных элементов. Во всех таких системах высокоэффективное управление преобразователями обеспечивается за счёт цифровых сигнальных контроллеров, благодаря которым удаётся вполовину уменьшить потери на преобразование энергии при одновременном снижении стоимости. Цифровые сигнальные контроллеры соединяют в себе высокую производительность цифровых сигнальных процессоров (DSP) с функциональностью микроконтроллеров. Кроме того, современные контроллеры поддерживают операции с плавающей запятой, что ещё больше увеличивает производительность и облегчает их программирование.
Цифровые сигнальные контроллеры находят всё большее применение в электрических преобразователях и помогают увеличить эффективность источников экологически чистой энергии, снижая её себестоимость. В настоящее время рынок систем, производящих экологически чистую электроэнергию, быстро растёт. Однако, несмотря на постоянно развивающиеся технологии, проблемы, сдерживающие распространение возобновляемых источников энергии, остаются прежними: как увеличить количество вырабатываемой энергии и уменьшить стоимость на киловатт. Решение этих проблем затрагивает многие технические аспекты, один из которых увеличение интеллектуальности преобразователей. Преобразователь-инвертор превращает флуктуирующее напряжение на выходе солнечной батареи или ветровой установки в стабильное напряжение, которое может быть использовано для питания оборудования или зарядки аккумуляторов. Помимо эффективного выполнения этой основной задачи, интеллектуальные преобразователи максимизируют подаваемую на аккумуляторы мощность, регулируют выработку в зависимости от потребности в электроэнергии, а также защищают локальную систему от потенциально опасных скачков в сети.
Интеллектуальные контроллеры увеличивают эффективность и доступность источников экологически чистой энергии
процессоры и микроконтроллеры
> Цифровые сигнальные
Комментариев нет:
Отправить комментарий