Grid Tie Inverter: 10 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:20

Jedná se o masový projekt, takže se připoutejte!

Střídače s mřížkou vám umožňují zapojit napájení do elektrické zásuvky, což je úžasná schopnost. Považuji výkonovou elektroniku a řídicí systémy zapojené do jejich designu za zajímavé, proto jsem si postavil vlastní. Tato zpráva sdílí, co jsem se naučil, a dokumentuje, jak jsem věci dělal. Zajímaly by mě vaše komentáře (kromě těch, které se netýkají síťové elektřiny).

Všechny koncepty jsou škálovatelné, ale toto nastavení mělo maximální výkon 40 wattů, než se induktory filtrů začaly saturovat. Výstupní proud byl sinusový s THD <5%.

Podívejte se na software na mém GitHubu

Zásoby

• Použil jsem vývojovou desku STM32F407. Běží na 168 MHz a má 3 vestavěné ADC s rozlišením 12 bitů při více než 2,4 MSPS (milion vzorků za sekundu). To je šílené!
• Použil jsem vývojovou desku DRV8301. Je zde umístěn 60v H-můstek spolu s potřebnými budiči hradel, proudovými zkraty a proudovými bočníkovými zesilovači. Super pěkné!
• Použil jsem toroidní transformátor 230-25V se 2 výstupními odbočkami. To znamenalo, že jsem nemusel přímo vyrábět síťové napětí, ale místo toho jsem mohl pracovat se špičkovým napětím 40 voltů. Mnohem bezpečnější!
• Připojil jsem k sobě spoustu induktorů a kondenzátorů, abych získal hodnoty L a C, které jsem chtěl pro filtr.
• Osciloskop a diferenciální sonda jsou pro takový projekt klíčové. Mám pikoskop

Krok 1: Co je hlavní napájení?

To, co získáte v elektrické zásuvce (ve Velké Británii), je 50Hz 230V RMS sinusový signál s velmi nízkou impedancí. K tomu je třeba říci několik věcí:

50 Hz - Síťová frekvence je velmi přesně udržována na 50 Hz. Mírně se liší, ale 90% času je mezi 49,9–50,1 Hz. Viz zde. Dokážete si představit všechny obrovské generátory v elektrárnách, jak se země souběžně točí. Rotují synchronně a produkují pro nás 50Hz sinusový signál. Jejich kombinovaná masivní rotační setrvačnost potřebuje čas na zpomalení nebo zrychlení.

Teoreticky, pokud by bylo k síti připojeno OBROVSKÉ zatížení, začalo by to zpomalovat generátory země. V reakci na to však chlapi v řídící kanceláři National Grid požadovali, aby elektrárny připojily své kotle, zvýšily teplo a donutily tyto generátory usilovněji držet krok s poptávkou. Nabídka a poptávka jsou tedy v neustálém tanci.

K signálu 50 Hz je třeba říci ještě jednu věc. Přestože se velmi mírně mění o 50 Hz, kluci nahoře dbají na to, aby průměrná frekvence přes den byla přesně 50 Hz. Pokud je tedy mřížka na 49,95 Hz po dobu 10 minut, zajistí, aby běžela o 50,05 Hz později, aby se přesný počet cyklů zvýšil na 50 Hz x 60 sekund x 60 minut x 24 hodin = 4 320 000/den. Dělají to přesně pomocí mezinárodního atomového času. Domácí, kancelářské a průmyslové spotřebiče proto mohou k udržení času využívat síťovou frekvenci. To se běžně provádí například pomocí mechanických časovačů soketů.

230 V - Toto je napětí RMS (Root Mean Square) signálu 50 Hz. Skutečný signál se houpe až na vrchol 325 V. To je důležité vědět, protože pokud stavíte střídač, musíte produkovat tak vysoké napětí, pokud chcete, aby proud proudil do zástrček.

Ve skutečnosti jsou napětí viditelná na zástrčce ve vašem domě poměrně proměnlivá. Je to kvůli poklesu napětí přes odpor v vodičích, konektorech, pojistkách, transformátorech atd. Odpor je všude. Pokud zapnete elektrickou sprchu s tažením 11 kilowattů (to je ~ 50 ampérů), pak vám i 0,2 ohmový odpor sníží napětí 10 voltů. Můžete to vidět tak, že světla tak trochu ztlumí. Velké motory, jako jsou vysavače, odebírají obrovské proudy, zatímco motor zrychluje. Když tedy světla zapnete, často uvidíte mírné blikání.

Jde mi o to, že síťové napětí je mnohem variabilnější. Tady ve Velké Británii by to mělo být 230 V s tolerancí +10%/-6%. Můžete očekávat náhlé změny a výkyvy, jak se velké zátěže poblíž zapínají/vypínají. Myslete na bubnové sušičky, konvice, trouby, kopyta atd.

Sinusový - signál by měl být pěknou čistou sinusovou vlnou, ale ve skutečnosti některé nelineární spotřebiče vysávají svou energii z určitých bodů cyklu sinusových vln. To přináší zkreslení, a proto signál není dokonalá sinusová vlna. Nelineární zátěže obvykle zahrnují napájecí zdroje počítače, zářivky, nabíječky, televizory atd.

Celkové harmonické zkreslení (THD) to kvantifikuje ve tvaru vlny. Existují předpisy, jak čistý musí být výkon střídače. Pokud není schopen produkovat dostatečně čistý signál, nebude schválen k prodeji. To je důležité, protože obsah harmonických v síti snižuje účinnost některých zařízení, která jsou k ní připojena (zejména liché harmonické). Věřím, že maximální povolené THD je 8%

Nízká impedance - Při uvažování o invertoru grid tie bude důležité vzít v úvahu. K síti jsou připojeny všechny druhy zátěží, včetně indukčních, odporových a příležitostně kapacitních zátěží. Impedance je tedy neznámá a měnitelná. Odpor je velmi malý, což znamená, že pokud připojíte vysokou proudovou zátěž, napětí vůbec neklesne.

Krok 2: Jak vtlačit energii do sítě

Abychom dodali energii do sítě, musíme syntetizovat signál, který přesně odpovídá frekvenci a fázi sítě, ale s napětím o něco vyšším.

Kvůli nízkému odporu sítě je obtížné přesně určit, o kolik vyšší je toto napětí vytvořit. A protože napětí RMS kolísá, musíme zajistit, abychom s ním kolísali i my. Pouhé produkování pevného napěťového signálu 50 Hz o něco vyššího než síťové napětí nebude fungovat!

PI Řízení výstupního proudu

Potřebujeme řídicí smyčku, ve které měříme okamžitý proud, který tlačíme do sítě, a automaticky upravujeme naše výstupní napětí tak, aby řídilo požadovaný proud. To účinně transformuje náš výstup na zdroj proudu (spíše než zdroj napětí), který je vhodnější pro řízení nízkých impedancí. Toho můžeme dosáhnout pomocí řídicí smyčky PI (Proportional Integral):

Ovládací smyčky PI jsou fantastické! Mají 3 části:

• Naměřená hodnota - proud, který zapojujeme do sítě
• Žádaná hodnota - proud, který chceme tlačit do sítě
• Výstup - Napětí signálu, které se má generovat

Pokaždé, když zavoláme algoritmus PID, předáme nejnovější měření proudu a požadovanou hodnotu. Vrátí libovolné číslo (úměrné generovanému výstupnímu napětí).

Náš řídící algoritmus PID nám umožňuje zvolit požadovaný výstupní proud v daném okamžiku. Abychom vytvořili sinusový výstupní proud 50 Hz, musíme průběžně měnit požadovaný proud sinusovým způsobem.

Algoritmus PID se nazývá každých 100us (odpovídá 200krát za 50Hz cyklus). Pokaždé, když se nazývá, je schopen provádět přímé úpravy výstupního napětí, a tedy nepřímo upravovat výstupní proud. V důsledku toho produkujeme stupňovitý proudový výstup podobný tomu, který je zobrazen na obrázku, přičemž každý krok se vyskytuje každých 100us. To poskytuje dostatečné rozlišení.

Dopředné ovládání

Přidáním dopředného ovladače můžeme také výrazně snížit pracovní zátěž řadiče PI. To je snadné! Známe přibližné výstupní napětí, které budeme muset generovat (stejné jako okamžité síťové napětí). PI regulátor pak může být ponechán pro přidání malého dodatečného napětí potřebného pro řízení výstupního proudu.

Dopředný ovladač sám o sobě přizpůsobuje výstupní napětí měniče napětí sítě. Pokud dostatečně dobře odpovídáme, neměl by protékat žádný proud. Dopředná kontrola tedy dělá 99% výstupní kontroly.

Vzhledem k nízkému odporu sítě by jakýkoli rozdíl ve výstupním napětí FF a napětí v síti vedl k velkému proudu. Mezi střídač a síť jsem proto přidal odpor 1ohm vyrovnávací paměti. To sice přináší ztráty, ale ve velkém schématu jsou docela malé.

Krok 3: Vytvoření výstupního napětí pomocí PWM

Přestože nepřímo kontrolujeme výstupní proud, je to výstupní napětí, které generujeme v daném okamžiku. K výrobě výstupního napětí používáme PWM (Pulse Width Modulation). Signály PWM lze snadno vytvářet pomocí mikrokontrolérů a lze je zesilovat pomocí H-můstku. Jsou to jednoduché průběhy charakterizované 2 parametry, frekvencí F a pracovním cyklem D.

Průběh PWM přepíná mezi 2 napětími, v našem případě 0v a Vsupply

• Při D = 1,0 je průběh PWM jednoduše DC při Vsupply
• Při D = 0,5 dostaneme čtvercovou vlnu s průměrným napětím 0,5 x Vsupply, (tj. D x Vsupply)
• Při D = 0,1 dostaneme pulzní průběh s periodou v průměru 0,1 x V
• Při D = 0,0 je výstup rovná čára (DC při 0v)

Klíčové je průměrné napětí. Pomocí nízkoprůchodového filtru můžeme odstranit vše kromě průměrné složky DC. Změnou pracovního cyklu D PWM jsme tedy schopni vytvořit jakékoli požadované stejnosměrné napětí. Bonbón!

Zaměstnává H-Bridge

H-Bridge se skládá ze 4 spínacích prvků. Mohou to být BJT, MOSFET nebo IGBT. Abychom vytvořili první polovinu (0 - 180 stupňů) sinusové vlny, nastavíme fázi B na nízkou hodnotu vypnutím Q3 a zapnutím Q4 (tj. Použitím PWM s D = 0). Poté provádíme PWMing ve fázi A. Pro druhou polovinu, kde je VAB záporná, nastavíme fázi A na nízkou a aplikujeme náš PWM na fázi B. Toto je známé jako bipolární přepínání.

MOSFETy v H-můstku musí být řízeny ovladačem brány. Toto je vlastní téma, ale jednoduchý čip to zvládne. Deska pro vývoj DRV8301 pro nás pohodlně obsahuje H-Bridge, ovladače brány a proudové zkraty, což nám tento projekt sakra hodně usnadňuje.

Krok 4: Měření proudu

Každá noha H-Bridge má bočníkový odpor a diferenciální zesilovač. Naše zkraty jsou 0,01 ohmů a naše zesilovače jsou nastaveny na zisk 40. Proto 1 Amp vyvíjí 10mV přes bočník, který je následně zesílen na 400mV.

Výstupy z bočníkových zesilovačů jsou čteny 12bitovými ADC na STM32F407 běžícím v režimu kontinuální konverze. ADC jsou nastaveny tak, aby vzorkovaly každý zkrat při 110 KSPS a řadič DMA automaticky zapisuje převody do 11 slov kruhové vyrovnávací paměti v paměti RAM. Když je požadováno aktuální měření, voláme funkci, která vrací střední hodnotu tohoto 11slovového bufferu.

Protože požadujeme měření proudu při každé iteraci PID (na 10KHz), ale plníme naše 11slové ADC buffery rychlostí 110KHz, měli bychom získat úplně nová data při každé iteraci PID. Důvodem pro použití mediánu filtru je to, že přepínání PWM může do mixu zavádět hroty a filtry mediánu velmi účinně eradikují falešné vzorky ADC.

Důležitý bod zde: Kterou nohu mostu H používáme pro měření proudu? Záleží na tom, ve které noze jsme v současné době PWMing a která je právě držena nízko. Nízká noha je ta, od které chceme měřit náš proud, protože proud vždy protéká bočníkovým odporem na této straně. Ve srovnání s tím, že na straně PWMed, když je MOSFET na vysoké straně zapnutý a dolní strana je vypnutá, neteče proudem bočníkový spínač. Měníme tedy, na které noze měříme proud, na základě výstupní polarity měniče. Můžete to jasně vidět na obrázku, který ukazuje výstup z jednoho z bočníkových zesilovačů za období. Očividně chceme provádět čtení během hladkého bitu.

Pomáhá ladit naše aktuální hodnoty. Na STM32F407 jsem nastavil převodník digitálního signálu na analogový. Napsal jsem aktuální hodnoty, které jsem dostal, a omezil výstup. Můžete to vidět na konečném obrázku, modrý je napětí na výstupním vyrovnávacím odporu (tj. Výstupní proud/1,1 ohmů) a červený signál je náš výstup DAC.

Krok 5: Filtrování výstupu

Výstupní filtr je klíčovou součástí návrhu. Potřebujeme od něj tyto vlastnosti:

1. Blokujte všechna vysokofrekvenční přepínání, ale předávejte signál 50 Hz
2. Nízké ztráty
3. Ne rezonovat!
4. Vyrovnat se s příslušnými proudy a napětími

Fourierova transformace signálu PWM frekvence F, pracovní cyklus D, mezi 0 - V napájecí napětí je: (D x V napájecí) + sinusové vlny na základní frekvenci F a harmonické poté

To je skvělé! To znamená, že pokud dáme náš PWM signál přes dolní propust, která blokuje PWM fundamentální a vše výše. Zůstal nám jen termín stejnosměrného napětí. Změnou pracovního cyklu můžeme snadno vyrobit jakékoli požadované napětí mezi 0 - V, jak je vysvětleno.

Na základě výše uvedených požadovaných charakteristik můžeme navrhnout výstupní filtr. Abychom předešli ztrátám, potřebujeme nízkoprůchodový filtr vyrobený s minimálním odporem. Proto používáme pouze induktory a kondenzátory. Pokud zvolíme rezonanční frekvenci mezi 1 - 2KHz, vyhneme se rezonanci, protože do této frekvence nevkládáme žádné signály. Zde je náš design filtru. Náš výstup bereme jako napětí na C1.

Volbou L1 = L2 = 440uH, C1 = 8,4uF vypočítáme rezonanční frekvenci 1,85KHz. To jsou také realistické hodnoty komponent.

Je důležité zajistit, aby naše induktory nezačaly nasycovat proudy, které očekáváme. Induktory, které jsem použil, mají saturační proud 3A. To bude limitujícím faktorem výstupního výkonu našeho obvodu. Je také důležité vzít v úvahu jmenovité napětí kondenzátoru. Používám keramiku 450 V, což je v tomto případě velmi přehnané!

Bodový diagram (pro mírně odlišné hodnoty L/C) byl generován pomocí LTspice. Ukazuje nám útlum způsobený na různých vstupních frekvencích. Zřetelně vidíme rezonanční frekvenci na 1,8 kHz. Ukazuje, že signál 50 Hz je téměř zcela nefalšovaný, zatímco vám mohu říci, že signál 45 KHz je zeslaben o 54 dB!

Volme tedy nosnou frekvenci PWM ~ 45 KHz. Volbou vyšších nosných frekvencí PWM lze zvýšit frekvenci filtru. To je dobré, protože hodnoty L a C jsou menší. To znamená menší a levnější komponenty. Nevýhodou je, že vyšší spínací frekvence PWM přináší větší ztráty v tranzistorových spínačích.

Krok 6: Synchronizace fáze a frekvence

Synchronizace na síťovou fázi a frekvenci je to, co dělá grid tie měnič. K dosažení přesného fázového sledování signálu ze sítě používáme digitální implementaci PLL (Phase Locked Loop). Děláme to takto:

1. Odběr vzorků síťového napětí
2. Vytváříme místní vlastní 50Hz sinusový signál
3. Porovnání fáze mezi naším lokálním signálem a signálem ze sítě
4. Nastavení frekvence místního signálu, dokud není fázový rozdíl mezi 2 signály nulový

1) Odběr vzorků síťového napětí

Konfigurujeme 3. kanál ADC pro čtení síťového napětí. To získáme rozdělením napětí transformátorového kohoutku, jak je znázorněno. To poskytuje škálované napětí kolísající přibližně 1,65 V, které přesně představuje napětí v síti.

2) Vytváření místního 50Hz sinusového signálu Výroba vlastních místních 50Hz sinusových vln je snadná. Uložíme vyhledávací tabulku s 256 hodnotami sinus. Naše simulovaná hodnota sinus se snadno získá pomocí vyhledávacího indexu, který se v tabulce postupně otáčí.

Abychom získali signál 50 Hz, musíme náš index zvýšit přesně o správnou rychlost. Totiž 256 x 50Hz = 12, 800/s. Děláme to pomocí časovače 9 s frekvencí 168 MHz. Čekáním 168 MHz/12800 = 13125 hodin tikotujeme náš index správnou rychlostí.

3) Porovnání fáze mezi místním signálem a signálem ze sítě Toto je skvělá část! Pokud integrujete součin cos (hm.) X sin (hm.) Za 1 období, výsledek je nula. Pokud je fázový rozdíl jiný než 90 stupňů, získáte nenulové číslo. Matematicky:

Integrální [Asin (t) x Bsin (t + φ)] = Ccos (φ)

To je skvělé! Umožňuje nám porovnat síťový signál, sin (ωt) s naším lokálním signálem, sin (⍵t + φ) a získat hodnotu.

Existuje však problém, který je třeba řešit: Pokud chceme, aby naše signály zůstaly ve fázi, musíme upravit naši místní frekvenci, aby byl termín Ccos (φ) maximální. To nebude fungovat dobře a budeme mít špatné sledování fází. Je to proto, že d/dφ ɑcos (φ) je 0 při φ = 0. To znamená, že se termín Ccos (φ) nebude příliš měnit se změnami fáze. Dává to smysl?

Daleko lepší by bylo fázový posun vzorkovaného síťového signálu o 90 stupňů, aby se stal cos (ωt + φ). Pak máme toto:

Integrální [Asin (t) Bcos (t + φ)] = Csin (φ)

Zavedení fázového posunu o 90 stupňů je snadné, jednoduše vložíme vzorky napájecího napětí ADC na jeden konec vyrovnávací paměti a později je odebereme o několik vzorků, což odpovídá fázovému posunu o 90 stupňů. Protože frekvence sítě se téměř neliší od 50 Hz, jednoduchá technika časového zpoždění funguje skvěle.

Nyní znásobíme náš 90stupňový fázově posunutý síťový signál místním signálem a ponecháme běžící integrál produktu za poslední období (tj. Za posledních 256 hodnot).

Výsledek, který víme, bude nulový, pokud jsou 2 signály přesně udržovány v 90 stupňovém odstupu. To je fantastické, protože to ruší fázový posun, který jsme právě aplikovali na síťový signál. Jen pro upřesnění, místo maximalizace integrálního výrazu se pokoušíme udržet ho na nule a fázově přesouváme náš síťový signál. Fázové posuny o 90 stupňů zavedené těmito dvěma změnami se navzájem ruší.

Pokud tedy Integral_Result <0 víme, musíme zvýšit frekvenci místního oscilátoru, abychom ji dostali zpět do fáze se sítí, a naopak.

4) Nastavení frekvence místního signálu Tento bit je snadný. Jednoduše upravíme období mezi přírůstky prostřednictvím našeho indexu. Omezujeme, jak rychle můžeme opravit fázový rozdíl v podstatě odfiltrováním falešných věcí. Děláme to pomocí PI regulátoru s velmi malým I termínem.

A to je vše. Zamkli jsme náš místní oscilátor sinusových vln (který nastavuje požadovanou hodnotu výstupního proudu), aby byl ve fázi se síťovým napětím. Implementovali jsme algoritmus PLL a funguje jako sen!

Zvýšení frekvence našeho místního oscilátoru také sníží fázový posun na síťový signál. Protože omezujeme úpravu frekvence na +/- 131 ticků (+/- ~ 1%), ovlivníme fázový posun maximálně o +/- 1 °. Na tom nebude vůbec záležet, zatímco se fáze synchronizují.

Teoreticky, pokud by se síťová frekvence odchýlila o více než 0,5 Hz, ztratili bychom fázový zámek. Je to kvůli našemu výše uvedenému omezení, jak moc můžeme upravit naši místní frekvenci oscilátoru. To se však nestane, pokud se mřížka nechystá selhat. Naše ochrana proti ostrůvkům se v tomto okamžiku stejně spustí.

Provádíme detekci křížení nuly při spuštění, abychom se co nejlépe pokusili spustit signály inphase z offsetu.

Krok 7: Proti ostrovům

Wikipedie má úžasný článek o technikách ostrovů a ostrovů. Z toho také vyplývá, že lidé na toto téma syčí a klapají více, než je nutné. "Ach, nemůžeš si postavit vlastní střídač mřížky, někoho zabiješ atd."

Jak je lépe vysvětleno článkem wikipedie, používáme několik bezpečnostních opatření, která společně poskytují adekvátní ochranu (podle mého názoru):

1. Pod/Přepětí
2. Pod/nad frekvencí

Tyto situace můžeme detekovat jednoduchou analýzou vzorkovaného měřítka síťového napětí. Pokud se něco pokazí, deaktivujte H-můstek a počkejte, až se věci vrátí do normálu.