MPPT měnič se SiC polovodičovými spínači pro fotovoltaickou elektrárnu Technologického centra Ostrava

MPPT měnič se SiC polovodičovými spínači pro fotovoltaickou elektrárnu Technologického centra Ostrava

Článek je zaměřen na energetický systém a roli fotovoltaických elektráren (FVE) v Technologickém centru Ostrava (TCO). Úvodní část porovnává skutečné hodnoty vyrobené energie z FVE s předpokládanou hodnotou predikovanou v softwaru PVGIS. Další část článku je zaměřena na popis FVE v TCO a na současné DC/AC měniče, které dodávají energii do distribuční sítě. Jsou popsány nové DC/DC měniče pro dobíjení LiFePO baterií v TCO. Poslední část objasňuje design, realizaci a experimentální výsledky modulárního systému DC/DC měničů pro fotovoltaické systémy.

  1. Úvod

Technologické centrum Ostrava se nezaměřuje pouze na přeměnu energie a dodávku do distribuční sítě. Jedním ze směrů TCO je také vývoj moderních polovodičových měničů s vysokou účinností, například pro fotovoltaické systémy.

Hlavním cílem výzkumného centra je zvyšovat kvalitu a spolehlivost dodávek elektrické energie z obnovitelných zdrojů, vyvíjet výkonové polovodičové měniče pro obnovitelné zdroje, zkoumat vodíkové technologie, Smart Grids a akumulaci tepelné a elektrické energie. Jedním ze zdrojů elektrické energie v TCO je FVE o výkonu 22 kWp, která je v současné době připojena přes „běžné” komerčně dostupné DC/AC měniče. Ty jsou připojeny k 3fázovému rozvodu centra. FVE je navržena tak, aby snížila spotřebu elektrické energie budovy. Případné přebytky energie jsou dodávány přes 4kvadrantový elektroměr do distribuční sítě. Výpočetní modely předpokládají roční výrobu FVE na hodnotě 19,5 MWh elektrické energie (pro predikci množství vyrobené energie byl použit program PVGIS). V roce 2015 jsme prováděli měření na FVE v TCO, celá FVE byla schopna vyrobit 18,3 MWh. Nevýhodou použití FVE je nerovnoměrná výroba elektrické energie během celého roku. FVE sama o sobě není schopná pokrýt ani základní spotřebu budovy (v létě 2015 vyrobila mezi 52–86 kWh elektrické energie za den), budova bez použití technologií spotřebuje cca 120 kWh. Jelikož FVE není jediným zdrojem elektrické energie v TCO, nepředstavuje to zásadní problém. Kombinací zdrojů elektrické energie s různými principy přeměny energie (kogenerační jednotky, palivové články) je vytvořen hybridní energetický systém, jímž je zvýšena stabilita dodávky energie pro celoroční provoz ostrovního systému. [2, 3, 4, 5] 

  1. Fotovoltaický systém v současnosti

FVE je rozdělen do tří sekcí a je umístěn na střeše TCO (obr. 1). Tyto sekce jsou dále rozděleny do stringů připojených v hlavním rozvaděči. Každá ze sekcí je připojena k vnitřní střídavé síti v TCO přes vlastní 3fázový výkonový polovodičový měnič (sekce statický panelů je rozdělena do dvou střídačů v důsledku vysokého výkonu).

Obr. 1 Tři typy fotovoltaických panelů na střeše Technologického centra Ostrava

 

První sekce FVE je instalována na střeše TCO o sklonu 35° s azimutem 155° a skládá se z 60 monokrystalických panelů rozdělených celkem do 6 stringů. Druhou sekci tvoří šest samostatných polohovatelných trackerů, na každém z trackerů jsou umístěny 3 monokrystalické panely, celá sekce je rozdělena do 2 stringů. Trackery se samy natáčejí a zvyšují účinnost FVE, protože jsou vždy natočeny ke slunci v ideálním úhlu. V poslední sekci jsou umístěny FV panely na střeše haly TCO. Jelikož střecha není vhodně orientována ke slunci, byly vybrány amorfní FV panely, které jsou pro toto umístění vhodnější. Tuto sekci tvoří 15 kusů panelů rozdělených na 5 stringů (obr. 2).

Obr. 2 Blokový diagram fotovoltaického systému v TCO

 

  1. Fotovoltaický systém s novým DC/DC měničem

Pro připojení FVE do vnitřní stejnosměrné sítě TCO byl vyvinut nový výkonový polovodičový DC/DC měnič, který slouží jako vazební měnič mezi FVE a LiFePO4 akumulátory, popřípadě je přes DC/AC výkonový měnič přiveden na střídavou (AC) sběrnici 3 × 400 V/50 Hz.

Obr. 3 Nový koncept fotovoltaického systému v TCO

Konstrukce nového DC/DC měniče byla řešena jako čtyři malé kompaktní moduly. Každá sekce má instalovaný jeden DC/DC měnič (1. sekce FVE má 2 měniče). 

  1. Výsledky simulace DC/DC měniče pro FVE s Si / SiC polovodiči

4.1. Simulační model se SiC polovodičovými spínači

Simulační SPICE model SiC (Silicon Carbide) MOSFET tranzistoru a SiC SBD diody byl na požádání získán od výrobce, firmy Cree, Inc. Simulační schéma zvyšujícího měniče bylo vytvořeno v programu LTSpice (obr. 4). [1]

Obr. 4 Simulační schéma měniče se SiC polovodiči

 

Simulační schéma (obr. 4) obsahuje tranzistor MOSFET (Cree, typ CMF20120) a diodu (Cree, typ CSD10120). FVE představuje zdroj s napětím 350 V DC a sériovou impedancí 10,4 Ω (stanoveno z experimentálního měření na jednom stringu ze sekce II). Tato nejvýkonnější sekce byla vybrána jako nejhorší případ pro simulaci měniče. LiFePo4 akumulátorová baterie se skládá ze 100 článků s celkovým jmenovitým napětím 360 V DC a vnitřním odporem 4,4 Ω. Grafy (obr. 5 a 6) jsou výsledkem simulací znázorňující účinnosti a ztráty měniče.

Obr. 5 Graf účinnosti měniče se SiC polovodiči při parametru pracovní indukčnosti

 

Obr. 6 Graf výkonové ztráty měniče se SiC při parametru pracovní indukčnosti

 

4.2. Simulační model se Si

Simulační schéma (obr. 7) obsahuje běžné typy Si polovodičových spínačů. Jako spínací tranzistor byl zvolen MOSFET (Fairchild Semiconductor, type FGL40N120AND) s podobnými klíčovými parametry jako SiC tranzistor v předchozí simulační úloze (1200 V, 40 A).

Obr. 7 Simulační schéma měniče se SiC polovodiči

 

Následující grafy, uváděné jako obr. 8 a 9, reprezentují simulační výsledky pro účinnost a výkonovou ztrátu měniče s Si polovodiči.

Obr. 8 Graf účinnosti měniče s Si polovodiči při parametru pracovní indukčnosti
Obr. 9 Graf výkonové ztráty měniče se SiC polovodiči při parametru pracovní indukčnosti

 

4.3. Korelace simulačních výsledků

Srovnáním simulačních výsledků měniče se Si a SiC polovodiči závisí účinnost obou měničů na zvoleném spínacím kmitočtu a na hodnotě pracovní indukčnosti. Následující graf (obr. 10) ukazuje, že při nízkých spínacích frekvencí 35 kHz je účinnost obou měničů téměř totožná. U vyšší spínacích frekvencí již SiC měnič vykazuje lepší hodnoty než Si (1% @ 50 kHz, 4% @ 150 kHz, 5% @ 200 kHz, 7% @ 300 kHz, 10% @ 400 kHz, 13% @ 500 kHz). 

Obr. 10 Graf účinnosti měničů pro Si and SiC polovodiče s pracovní indukčnosti 100 μH
  1. Realizace měniče pro fotovoltaické systém

Pro napojení energie z FVE do stejnosměrné výkonové sběrnice TCO bylo nutné vyvinout speciální DC/DC měnič (obr. 11).

Obr. 11 Realizované moduly DC/DC měničů

 

Unikátní design a technické řešení modulu měniče spočívá v mechanické (modulové) konstrukci a lepší EMC odolnosti. Dále je s modulovým řešením snadná manipulace při montáži měniče a jeho servisu, který může být řešen výměnou celých modulů. Modul má nízkou stavební výšku a konektory pro připojení výkonového obvodu a nízkonapěťový datový konektor. Čtyři polovodičové moduly jsou umístěny v jedné měničové skříni na společném chladiči.

 

Obr. 12 CAD návrh měniče a jeho reálná podoba

 

Na následujících osciloskopických průbězích (obr. 13 a 14) je demonstrována základní funkce měniče. Byly provedeny testy z hlediska dovoleného oteplení měniče a indukčnosti, napěťové odolnosti a funkce budicích obvodů MOSFET.

Obr. 13 Experimentální měření na modulu měniče při spojitém proudu pracovní cívky (modrá: proud pomocného napájecího zdroje 15 V, zelená: řídicí signál, růžová: výstupní napětí, oranžová: výstupní proud)
Obr. 14 Experimentální měření na modulu měniče při nespojitém proudu pracovní cívky (modrá: proud pomocného napájecího zdroje 15 V, zelená: řídicí signál, růžová: výstupní napětí, oranžová: výstupní proud)

Závěr

Článek si kladl za cíl seznámit čtenáře s problematikou FVE v TCO a s vyvíjenými výkonovými měniči. Prvním krokem ve vývoji DC/DC měničů pro fotovoltaické systémy byl výzkum současného stavu systému, na což poté navazovalo vytvoření popisu energetického systému pomocí počítačové simulace. Ze simulace je zřejmé, že pro měniče s vysokým spínacím kmitočtem je výhodné použití SiC polovodičů z důvodu jejich nižších ztrát. Byly vyvinuty čtyři DC/DC měniče pro vazbu FVE na DC výkonovou sběrnici. 

Poděkování

Tento článek vznikl za podpory projektu LO1404: Udržitelný rozvoj Centra ENET, Studentského grantového projektu SP2016/128, projektu LE13011 a projektu TACR: TH01020426. 

Literatura

[1] Kazimierczuk, M. Pulse-width modulated DC-DC power converters. Chichester, U.K.: Wiley, 2008, XXVI, 782 p.

[2] Misak, S., Prokop, L., Bilik, P. and P. Krejci. Evaluation of power quality in off-grid power system. Komunikacie 2015;17(1A):71-6.

[3] Kubalik, P., Misak, S., Stuchly, J., Vramba, J. and M. Uher (2014, May). Suitable energy storage in Off-Grid systems. In Environment and Electrical Engineering (EEEIC), 2014 14th International Conference on (pp. 345-349). IEEE.

[4] Bartoli, B., et al. The design of photovoltaic plants: an optimization procedure. Applied Energy, 1984, 18.1: 37-47.

[5] Mišák, S. et al. "A heuristic approach to Active Demand Side Management in Off-Grid systems operated in a Smart-Grid environment." Energy and Buildings 96 (2015): 272-28.

[6] Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS). European Commission: Institute for energy and transport [online]. Ispra, Italy: European Commission, 2012 [cit. 2016-06-05]. at: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/

Recenzent: doc. Ing. Stanislav Mišák, Ph.D., VŠB-TU Ostrava, FEI, certifikovaná osoba na funkci Technik diagnostik elektrických zařízení – kategorie II 

Řízení a údržba průmyslového podniku

Časopis Řízení a údržba průmyslového podniku již přes 10 let patří mezi neodmyslitelný zdroj informací v oblasti průmyslové údržby a diagnostiky. Část obsahu je z pera licenčních autorů Plant Engineering z USA.

www.udrzbapodniku.cz