Микроконтролери за фотоволтаични инвертори

Ралф Хикл, Rutronik, направление микроконтролери

Досега пазарът на фотоелектрически преобразуватели на енергия се отличаваше с висок, двуцифрен темп на растеж. Международната конкуренция обаче става все по-силна и принуждава производителите да реализират иновации и да коригират цените на системните компоненти. Като независим от производителя консултант, дистрибуторът осигурява поддръжка на разработчиците при избора и конструктивната реализация на най- подходящите от технологична и търговска гледна точка компоненти. Предпоставка за това са обширните познания не само за градивните елементи, но и за възможните приложения и пазарната ситуация. Rutronik обединява това "ноу-хау" в своя екип за вертикалния пазар на възобновяема енергия, в който съвместно работят инженери-конструктори и приложни инженери, специалисти по активни, пасивни и електромеханични компоненти, безжични комуникации и дисплеи. Те се занимават активно и с фотоволтаични инвертори. Един от ключовите компоненти, който може да повлияе върху ефективността на PV инверторите е микроконтролерът.

Схемни варианти и блокова структура
На фиг. 1 са показани функционалните блокове на типичен соларен инвертор с фотоволтаичен (PV) стрингов модул. DC/DC преобразувателят със следене на точката на максимална мощност (Maximum Power Point Tracking - MPPT) е свързан чрез DC/AC инвертор към променливотоковата електрозахранваща мрежа. В зависимост от консумираната мощност инверторът е еднофазен Н-мост или трифазна двуполупериодна схема с 6 диода. Относително нова технология са микроинверторите, представляващи малки PV инвертори, които се монтират директно на всеки фотоволтаичен модул. Микроинверторите са силно ценово чувствителен компонент заради големия брой такива модули, необходим при изграждане на PV системата. Размерите им също са от доста по-съществено значение, отколкото при конвенционалните стрингови соларни инвертори.

Микроконтролерът трябва да осигурява следните функции:

- Измерване и аналогово-цифрово преобразуване на параметрите на състоянието - температури, токове и напрежения.
- Следене на точката на максимална мощност (MPPT). Микроконтролерът умножава тока и напрежението, за да отчете електрическата мощност.
- Защитни функции при неизправности като прегряване, претоварване по ток и др. Тук са необходими бързи процедури за изключване, за да се осъществи надеждна защита на уреда и оператора.
- Прецизно синхронизиране с мрежата по отношение на фазовото изместване, като трябва да може да се определя моментният фазов ъгъл на мрежата.
- Различни регулиращи контури в зависимост от математическия модел. Използват се изчислителни процедури, аналогични на използваните при т.нар. полево-ориентирано управление на променливотокови задвижвания. Това са тригонометрични операции, чрез които векторите на напрежението и на тока се трансформират във и от ротационни координатни системи.
- Изработване на управляващи сигнали за силовите полупроводникови елементи, така че ефективността да бъде колкото е възможно по-висока и да се генерират колкото е възможно по-малко хармоници. За това са необходими съответни таймери с ШИМ (широчинно-импулсна модулация) или двупозиционни регулатори с хистерезис.
- Управляващ интерфейс и комуникация. Чрез използването на микроконтролери, като физическо ниво за обмен на информация могат да служат захранващите кабели и да се реализира комуникация по силовата мрежа (Powerline Communication).
Изискванията тук са много близки до тези при управление на електрозадвижвания. Може да се приеме, че двигателят който соларният инвертор "задвижва", всъщност е синхронният генератор в електроенергийната централа.

Понастоящем всички големи производители предлагат микроконтролери, които са подходящи за използване в инвертори. Понеже тези микроконтролери са базирани на различни технологии, те имат и различни предимства и слабости.

Сравнение на съвременни микроконтролери, подходящи за реализиране на PV инвертори
RX62T на Renesas е от семейството 32-битови микроконтролери за управление на двигатели RX Extreme, произведени по 90 nm технология. Важна ключова компетенция на Renesas е собствената флаштехнология MONOS на компанията, която позволява изпълнение на програмен код с тактова честота до 100 MHz без периоди на изчакване. Чрез нея при RX фамилията се постига на максимална изчислителна производителност 165 DMIPS. Една част от ROM е отделена като flash памет запис на данни с до 30 000 цикъла на изтриване. По този начин се пести външна EEPROM. Новоразработеното процесорно ядро е много ефективно при изпълнение на програмния код и достига изчислителна мощност 1,65 DMIPS/MHz. Вграденият модул за изчисления с плаваща запетая (FPU) осигурява стандартна точност съгласно IEEE-754. Освен това, за 32-битови операции с цели числа, използвани при цифрова обработка на сигнали, има две MAC команди и една многорегистрова схема за циклично преместване. Така изброените математични възможности правят микроконтролера подходящ за изпълнение на интензивни изчислителни алгоритми, каквито се прилагат в соларните инвертори.

Производителят осигурява ресурси за периферните устройства от общите ресурси на RX62T. Аналоговото входно стъпало с двата независими АЦП, всеки с 12-битова разделителна способност, също е изключително подходящо за използване в инвертори. Най-краткото време за преобразуване е само 1 ms. Всеки от шестте аналогови входа е снабден с операционен усилвател с програмируемо усилване (Program¬mable Gain Amplifier - PGA) и елемент за детектиране/задържане. За бързо изключване на ШИМ-сигналите, изходите на PGA са снабдени допълнително с шест двупрагови компаратора, така че защитните функции са активни без в този процес да се включва софтуера с присъщото му времезакъснение. При RX62T интеграцията е на високо ниво – микроконтролерът разполага с голям брой интегрирани аналогови компоненти, което значително намалява потребността от външни компоненти за обработка на сигналите в соларния инвертор. За управление на силовите полупроводникови елементи са на разположение MTU3 (таймерен модул за двигател) и GPT (таймер с общо предназначение). Таймерните модули са елементи от серията SH и работят също с входни тактови честоти до 100MHz.

Микроконтролерът STM32 на STMicroelectronics с пълно основание се радва на добра пазарна популярност, тъй като обединява популярното ARM Cortex-M3 изчислително ядро с най-съвременна периферия. Освен това се смята, че той предлага добро съотношение цена/производителност. От STMicroelectronics вече документираха пригодността на микроконтролера в соларни инвертори чрез еталонен проект (т.нар. reference design) на 3-киловатов прибор, при който един STM32 изчислява всички алгоритми и изработва всички управляващи сигнали както за двутактния ZVT преобразувател с модулирано чрез изместване на фазата синхронно изправяне, така също и за мрежовия инвертор. При dsPIC33 на Microchip става дума за 16-битов сигнален контролер, който може да бъде характеризиран двояко – като микроконтролер с DSP (Digital Signal Controller) възможности, или като DSP с отлични микроконтролерни характеристики.

За управления на инвертори Microchip представи на пазара подфамилия на тези контролери, специално предназначена за инверторни приложения, която е снабдена с подходящите таймери и по-бързи аналогово-цифрови преобразуватели (АЦП). За математически операции с фиксирана запетая са на разположение функции умножение и деление. Разбира се, dsPIC може да извършва също умножение и акумулиране (сумиране) в един цикъл. Смята се, че dsPIC33FJxxGS са оптимален избор за токозахранващи приложения от импулсен тип като DC/DC преобразуватели или мрежови инвертори към соларни инвертори, понеже микроконтролерите са снабдени със захранващ модул с ШИМ, способен да работи с честоти до 120 MHz.

Модулът предлага до девет канала и е подходящ за управление на цели и полумостове, като може да се прилага също за ШИМ с изместване на фазата с преход при нулево напрежение (ZVT – Zero Voltage Transition). Microchip предлага няколко еталонни проекта, базирани на фамилията GS, от които може да се направи избор на модули за соларни инвертори. За еднофазни мрежови инвертори може да се използва проекта “Digital Pure Sine Wave UPS Reference Design”, а за двутактен ZVT преобразувател с модулирано чрез изместване на фазата синхронно изправяне – “Digital Power AC/DC Reference Design”.

С 8-битовите си микроконтролери серия XC800 Infineon пое по друг път - обикновено 8051 процесорно ядро е обградено от мощни периферни устройства, които намаляват натоварването му. Така например XC878 са разработени специално за инверторни приложения. Тригонометричните функции за Park координатни трансформации се поемат от модула CORDIC (Coordinate Rotation Digital Computer). Паралелно на него в микроконтролера работи и още един модул за умножение и деление (MDU). Заедно с таймерната структура CAPCOM6 за изработване на ШИМ сигнали се оформя мощна структура, чрез която процесорът зарежда периферните устройства с данни и само след няколко цикъла събира резултатите.

В заключение
Всички представени микроконтролери се препоръчват за използване в соларни инвертори от гледна точка на интеграция, изчислителна мощност и съотношение цена/производителност. RX е нова разработка с най-висока интеграция на аналогови компоненти. STM32 предлага най-голям обем и пропускателна способност на паметта. Микроконтролерът с DSP функционалност dsPIC на Microchip е оптимизиран за бързи 16-битови аритметични операции. XC878 в крайна сметка извлича предимства от възможностите за управление на силовата електроника, които производителят е вградил в периферните му устройства.

Източник: сп. Енерджи ревю; снимки: Rutronik,Microchip,Renesas,STMicroelectronics,Infineon

Ключови думи: микроконтролери   инвертори   Rutronik   Microchip  

Област: Електроника