Hybridní solární měnič s MPPT

Motivací pro takový měnič je možnost dodávat výkon panelů přímo do meziobvodu střídače pomocí jednoduchého boost měniče pracujícího při malých proudech a malém poměru vstupního a výstupního napětí. Je to výhodné v případě, kdy napětí panelů je už bližší napětí meziobvodu než napětí baterií. Při použití nízkonapěťové 48V baterie není výhodné přenášet plný výkon z panelů do střídače přes toto nízké napětí při velkých proudech.

Typické zapojení obsahuje boost měnič pro panely, střídač a obousměrný DC/DC měnič pro změnu napěťové hladiny meziobvodu na baterii. Toto zapojení se používá v různých obdobách, zde uvedu nejjednodušší variantu.

Boost měnič pro panely nemusí být synchronní, jednoduchý s diodou D1 se snáze řídí. (Synchronní by musel být s MOSFET tranzistorem, ne IGBT)

Střídač je dvoufázový se dvěma samostatnými tlumivkami a filtračními kondenzátory. To umožňuje využít tříúrovňové řízení a snížit tak spínací ztráty a ztráty v jádrech tlumivek na polovinu. Unipolární řízení není možné použít, protože mínus meziobvodu je vyveden na panely.

Při použití unipolární modulace pro jednofázový výstup (uzemnění druhého výstupu) v tomto zapojení dojde k tomu, že celý systém solárních panelů bude vůči zemi plavat na obdélníkovém průběhu s amplitudou 350V. To je bohužel případ levnějších hybridních měničů na trhu. Poznají se tak, že mají uvnitř pouze jednu tlumivku střídače. Strmé hrany způsobují kapacitní proud mezi rámem panelu a křemíkovými články, které mohou degradovat.

Zde s dvoufázovým výstupem je na panelech jen případný stejnosměrný offset. Navíc můžeme zapojení doplnit měřením napětí mezi zemí a mínusem meziobvodu, a zajistit tak jednoduchou kontrolu izolace. Když se libovolný z výstupů AC1, AC2, +Panelů nebo +Baterek spojí se zemí bude příslušné napětí měřitelné na děliči a měnič se okamžitě vypne. Měřící odporový dělič R1, R2 v klidu drží mínus panelů na potenciálu blízkému zemi.

Obousměrný DC/DC měnič s transformátorem se od jednosměrného liší pouze osazením můstku z IGBT místo diod. Mínus baterek nemusí být spojen s mínusem meziobvodu pokud je potřeba galvanická izolace, ale pokud baterie není uzemněná, není důvod ji izolovat od zbytku zapojení. Kvůli rozptylu trafa není vhodné řídit tranzistory primární a sekundární strany synchronně (opět případ levnějších měničů na trhu). Výhodnější z hlediska ztrát naprázdno je detekovat směr toku výkonu a spínat výstupní stranu s menší střídou než vstupní. Při použití IGBT to v režimu z baterie do meziobvodu postrádá smysl, ale obráceně se tak zajistí synchronní usměrnění, tedy zmizí úbytek na substrátových diodách MOSFET tranzistorů na straně baterie. Baterie mají obvykle nízký rozsah napětí mezi nabitým a vybitým stavem, není proto potřeba DC/DC měnič regulovat, stačí regulovat až hloubku modulace střídače.

Schema

Schema je vlastně 6 polomostů a jeden dolní spínač pro boost měnič. Řízení opět obstarává STM32F103CT, kde už tedy je konečně větší část pinů využitá ale na řízení takových měničů v pohodě stačí. Pomocné napájení je zapojeno z baterie pomocí třísvorkových spínaných DC/DC. Samotné řízení bere ve vypnutém stavu (v noci) z baterek 0,35W.

Spotřeba naprázdno celého měniče potom v režimu z baterek (ve dne) je 6,5W.

To je dosaženo zejména tříúrovňovým řízením střídače, a také řízením střídy DC/DC, který přestože nemůže řídit napětí, tak ale může snížit sycení jader tím, že při malém odběru sníží střídu na primární straně a sekundární IGBT nespíná vůbec.

Naopak v zátěži jede vstupní H-most se střídou 48% a výstupní usměrňovač 40% (podle směru toku výkonu) kvůli rezervě pro zpoždění proudu za napětím vlivem rozptylové indukčnosti trafa. Výhoda jinak zbytečného synchronního spínání IGBT je lepší dynamika při přecházení z vybíjení do nabíjení, kdy mírně vzroste napětí meziobvodu.

Napětí meziobvodu a baterie jsou hlídány HW ochranou, která zablokuje spínání boost tranzistoru měniče solárů (jediný zdroj, který může toto přepětí způsobit)

Všechny H-mosty jsou doplněny bočníky pro měření proudu a rychlou SW ochranu. U střídače je převod ADC spouštěn při sepnutí příslušného tranzistoru a v případě nadproudu MCU zajistí vypnutí do 5us od sepnutí, což je v případě robustní struktury IGBT tranzistorů dostatečně včas. Zapojení tak vydrží i současné sepnutí obou tranzistorů polomostu při plném napětí meziobvodu.

Už několikrát jsem si říkal, že je to naposledy, co dávám do takového měniče IR2110, ale protože v předchozí verzi HF měniče fungují už několik let, dal jsem i sem. Bohužel s rychlejšími IGBT SGH80N60 se objevily problémy se špičkami napětí na gate vlivem kapacity Gate-Kolektor. Uvažoval jsem osadit stejné jako v HF měniči, tedy staré pomalé STGW30NC120, kde tyto problémy nebyly, ale nakonec jsem zapojení doplnil diodami přes Rg a externími kondenzátory Gate-Emitor 1nF resp. 10nF, které naštěstí ještě nezpůsobují zvýšení ztrát naprázdno. Vhodnější do příští verze by bylo vypínat tranzistory záporným napětím.

RC článek na výstupu střídače jako i kondenzátory přes tranzistory DC/DC měniče zlepšují tvar průběhů při přepínání tranzistorů.

Klasickým velkým problémem střídačů je připojování spotřebičů se spínanými zdroji, NTB adaptér vezme špičku 32A (To odpovídá 10R softstartovacímu odporu), zapnutí zásuvky s PC sestavou 44A. Paradoxně rozběh motorů je menší problém. Výhodnější je větší indukčnost tlumivek střídače a větší kondenzátor na výstupu. Ten sice způsobuje tok jalového výkonu skrz můstek střídače i při chodu naprázdno, ale ztráty příliš nezvyšuje. Oproti schematu jsem na výstup přidal 6u8 PP X2 svitek.

Zamontování ve skříni

Vrchní strana desky, elektrolyty jsou zespodu

Dvě trafa DC/DC měniče jsou zapojeny sérioparalelně

Tlumivky střídače a boost měniče 

Průběh na gate tranzistoru střídače

Průběh denní spotřeby ze střídače a teplota desky měniče uzavřeného uvnitř hliníkové skříně.

 

Závěr:

Měnič je v provozu několik dnů, stále ladím SW. Spolupráce s ostatními měniči, což byla hlavní motivace, funguje. Ráno než se nabijí baterky na zvolené napětí 51,5V, tak má měnič plnou kontrolu nad panely. Potom nechá měnič vylézt napětí panelů nad 150V a řízení převezme měnič pro bojler. Baterka se dále nabíjí až do 52,5V jen z menšího systému s MPPT měničem z 60V. Večer naopak nejprve výkon spadne na 60V panelech a měnič opět převezme řízení nad svými panely a napájí z nich střídač. Postupně narůstající chybějící výkon odebírá DC/DC měnič z baterie.

Když se pozdě večer vypne poslední odběr ze střídače, všechny měniče se vypnou a FSM automat čeká na ráno na nárůst napětí na panelech, aby zase postupně nahodil DC/DC, střídač a boost z panelů.

Při vypnutí střídače odpadne relé umístěné na jeho výstupu a spotřebiče, které musí běžet i jindy než ve dne se přepnou na síť.

 

22.4.2022: Měnič je po dokončení ladění trvale v provozu už 3 měsíce bez poruchy. Napájí ledničku, počítač, elkový zesilovač a sušák na ručníky. Na výkonnější spotřebiče jsem nakonec pořídil z Německa starší Studer střídače, které za cenu nového Axpertu mají 14W klidovou spotřebu (tolik potřebuje Axpert jenom na displej) a v zátěži jsou studené a tiché, žádný horký vysavač. (Jak je možné, že měnič s plechovým trafem dosahuje menší klidové spotřeby a vyšší účinnosti v zátěži než "moderní" měnič s vysokofrekvenčními trafy?)

Ve stavbě je obdobný měnič ale už bez střídače jen boost a DC/DC.

Solární měnič pro bojler trochu jinak

Ukládání energie ze solárních panelů do tepelných spotřebičů je nejlevnější varianta solární elektrárny. Obvyklým typem měniče mezi panely a bojler je střídač, díky kterému můžeme použít běžné vypínače a termostaty na střídavý proud. Měnič zatěžuje panely tak, aby dávaly maximální výkon.

Často se bohužel používají střídače s obdélníkovým výstupem, které kvůli strmým spínacím hranám přenáší výstupním vodičem do spotřebiče rušení a není možné do takového obvodu zapojit elektronický elektroměr, ani žádný jiný malý instalační přístroj napájený typicky obvodem stylu kondenzátor zenerka. Čistě sinová modulace má zase nevýhodu ve snížení maximální efektivní hodnoty výstupního napětí vzhledem k napětí panelů a nutnost použití větších kondenzátorů na vstupu měniče a velkých filtračních tlumivek na výstupu dimenzovaných stejně jako tlumivky sinusových měničů.

Zvolil jsem tedy kompromis, křivku složenou z 1,3,5,7. a 11. harmonické, která má efektivní hodnotu 93% stejnosměrného napětí meziobvodu. Díky tomu stačí kapacita v meziobvodu podobná jako pro obdélníkový střídač. Výstupní tlumivky jsou zatížené především ohmickými ztrátami, protože jsou využity jen po krátkou dobu okolo průchodů napětí nulou. Regulace výstupního napětí není amplitudová, ale fázová, podobně jako u obdélíkového střídače. To umožňuje připojení běžných instalačních přístrojů, jako je zmíněný digitální elektroměr, který s tímto průběhem už umí správně měřit.

Silová část je potom dvoufázový střídač se dvěma tlumivkami řízený tříúrovňově. Tedy vždy je jeden dolní tranzistor sepnutý celou půlvlnu a druhý polomost spíná s příslušnou modulací, v opačné půlvlně se prohodí. Díky tomu jsou spínací ztráty na tranzistorech a hlavně ztráty v jádrech tlumivek poloviční.

 

Schema

Proud panelů je měřen bočníkem 1mR a úbytek zesílen invertujícím zesilovačem se zesílením 100x. tento jednoduchý způsob měření dává překvapivě přesné hodnoty, jen je třeba po osazení desky zkontrolovat a případně zkalibrovat kvůli případným přidaným odporům pájením bočníku nebo cest DPS. Bočník takto malé hodnoty je nutné připojit "čtyřsvorkově" a vyvést měřící cesty přímo z pod pouzdra SMD bočníku.

Tranzistory ve schematu jsou IGBT ale osazeny jsou ve finály výkonové mosfety 650V 38mR IXFH80N65, které se pro tohle zapojení, kde jsou především vodivostní ztráty hodí víc. Tlumivky jsou na několikátý pokus navinuty na jádrech KAH184-125A (nízkoztrátový železoprach, modré jádro). U tlumivek byly nakonec největším problémem vodivostní ztráty a špatné chlazení relativně malé cívky v uzavřené krabici měniče. Vstupní kondenzátor je zatížený 100Hz zvlněním tím víc, čím menší je výstupní modulace. Tedy při plném výkonu panelů je teoreticky zatížený nejméně, ale záleží to na odporu zátěže vzhledem k výkonu panelů. Vhodnější je kondenzátorů osadit více paralelně, zvětšit kapacitu.

Drivery tranzistorů jsou použity s desaturační ochranou. Ta je třeba nastavit i s ohledem na nárůst odporu tranzistorů při zvýšení teploty. Nicméně odporové spotřebiče nezatěžují měnič proudovými špičkami při zapínání, takže nemusí být nastavená tak kriticky.

Zajímavým řešením, které vyplynulo ze zapojení je jednoduchá kontrola izolace výstupních vodičů od země. Panely ani výstupní vodiče nejsou nikde přímo spojeny se zemí. Výstup je tedy "dvoufázový". Mínus panelů je připojen k zemi přes měřící dělič, na kterém je za běhu malé nebo žádné napětí. Při doteku výstupního vodiče se zemí se mezi mínusem panelů a zemí objeví střídavá složka s offsetem poloviny napětí panelů a procesor ihned vypne tranzistory.

Další výhodou dvoufázové topologie je minimální rušení, protože oba střídavé výstupy jsou filtrovány tlumivkou a kondenzátorem.

Osazování a zamontování do krabičky. Tlumivky jsem nakonec ještě několikrát měnil, chladič je nakonec také větší. Tranzistory jsou studené, ale tlumivky topí.

Záznam z průběhu dne, dodaná energie 10,7kWh, pohled na funkci MPPT. Pro výkony větší než 1200W měnič pracuje v režimu omezení max teploty a neumí využít celý výkon, topí tlumivky. Pokles napětí s výkonem je dán odporem přívodů k panelům i zvýšením jejich teploty.

 

Porovnání teoretické dodané energie se skutečnou naměřenou. V zimě jsou panely bohužel částečně zastíněné a v létě zatím není vše kam dávat.

 

 

Průběhy výstupního napětí při různém výkonu panelů

Závěr:

Měnič funguje téměř rok a až na ladění tlumivek a SW nebyly potřeba úpravy. Výkonnější verzi plánuju udělat jako třífázovou pro rozložení výkonu mezi více tlumivek a také možnost vytvoření priorit tepelných spotřebičů.

Výhodou takového měniče pro ukládání do tepelných spotřebičů jsou zanedbatelné náklady na stavbu v porovnání se systémem s ukládáním energie do baterek a měničem na síťové napětí.

MPPT pro 48V systém V2

Po čase jsem se rozhodl přestěhovat původní měnič a při té příležitosti jsem vyrobil novou verzi. Cílem bylo opravit drobné nedostatky, zejména doplnit zesilovač k bočníku měření proudu, komunikační sběrnici nahradit galvanicky izolovaným USB a měnič celkově zmenšit.

Topologie synchronního buckboost měniče se velmi osvědčila svojí vysokou účinností a možností regulovat napětí panelů na obě strany což je nutnost při použití panelů s 60V nominálním napětím, které zejména v létě jedou okolo 55V i méně. Pro větší napětí panelů už by stačil jen snižující měnič, jenže ten je třeba doplnit relé anebo tranzistorem pro odpojení panelů v noci, aby na nich nebylo napětí baterek přes substrátové diody mosfetů. Buckboost topologie tenhle problém nemá a při vypnutí řízení je obousměrně neprůchozí.

Schema je už trochu přehlednější než minule

Bočník měření proudu je tentokrát na panelech, doplněný invertujícím zesilovačem záporného úbytku, který šetří počet součástek. Měření proudu a napětí na panelech je pro MPP sledovač snazší než měřit až výstupní nabíjecí proud baterek, protože se do sledované veličiny nepromítá přebíjení kondenzátorů v měniči, které může sledovací algoritmus snadno mást.

Místo flybacku je pro vlastní napájení použit třísvorkový DC/DC měnič, použitý má maximální vstupní napětí 72V, pro zvýšení rozsahu vstupního napětí pro panely naprázdno je doplněn lineárním zdrojem se zenerkou a darlingtonem, který je za běžného provozu do 60V na panelech plně otevřený a neúčastní se. Výhodou je nižší spotřeba oproti řešení s flybackem. Obvod dále obsahuje HW ochranu proti přebíjení baterie, zde nastavenou na 54V, pomocí TL431 a T6, který ji po vybavení drží až do restartu napájení. Komunikace pro čtení naměřených dat je tentokrát galvanicky izolovaný UART s přechodkou na USB.

Výkonové tranzistory jsou použity dva typy, 150V ze strany panelů a 100V ze strany baterek. Tlumivka navinuta na jádru KAH130-125A (nízkoztrátový železoprach, modrý). Spínací frekvence je 40kHz, možná by šla snížit.

Řídící SW musí při zapnutí změřit napětí na obou stranách měniče a spočítat výchozí střídu, se kterou může začít spínat tranzistory, aby nedošlo k proudovému rázu při přebíjení kondenzátorů na jiné napětí.

Obecně buckboost topologii lze řídit různými způsoby, ale zde jsem volil ten, který drží maximální možnou střídu na jednom z polomostů a řídí vždy jen jeden podle toho, jestli je potřeba režim buck nebo boost. Výhodou je přenášení výkonu tlumivkou co nejdelší čas, tedy tlumivkou teče proud odpovídající vstupu resp. výstupu na rozdíl od stavu, kdy by buck měnič neustále napětí snižoval a boost opět zvyšoval. Nejvyšší střída horních tranzistorů musí být maximálně asi 96% kvůli použití nábojových pump v napájení driverů (bootstrapu).

 

Celé zařízení je zamontováno v uzavřené hliníkové krabičce s chladičem přišroubovaným zvenku za tranzistory. Protože jsou tranzistory nahoře, teplý vzduch z tlumivky odvádí její ztráty na chladič také.

Zamontování v krabičce

Data za celý den se ukládají v paměti MCU a večer je můžu uložit, když to stihnu, než je taková tma, že panely nedají vlastní spotřebu, která je přibližně 1W.

Závěr:

Původní měnič po odladění SW fungoval spolehlivě, u nového HW je třeba ještě zkontrolovat oteplení při maximálním proudu, jestli se měnič uchladí v menší krabičce. 

Příloha, řídící SW: https://drive.google.com/file/d/1gizqfk0lp13TYozKvAHodpLDwiIeTuOu/view?usp=sharing