Inwertery MAX – maksymalnie inteligentny i wydajny

W artykule przybliżymy inwertery fotowoltaiczne marki Growatt należące do serii MAX. Falowniki te przeznaczone są przede wszystkim dla instalacji przemysłowych oraz na duże farmy fotowoltaiczne.

Inwertery MAX – wprowadzenie

Postęp w dziedzinie falowników, zasilaczy awaryjnych UPS, ładowarek elektrycznych i napędów VFD opiera się na rozwoju urządzeń zasilających i układu sterowania. Pomimo tego, że od 2008 do 2018 r. cena falowników spadła o ponad 80%, ich wydajność zwiększyła się o przeszło 10%. Wszystko to wynika z rozwoju urządzeń zasilających i układów sterowania.

Pod względem układów scalonych sterowania do falowników, Texas Instruments nie ma sobie równych. W celu zapewnienia najwyższej wydajności układów scalonych w przemyśle energetycznym TI zainwestowało nie lada wysiłek w udoskonalenie swoich projektów. Sterownik DSP TMS320C200 posiada wbudowaną pamięć flash rom, czyli szybki przetwornik analogowo-cyfrowy. Dodatkowo posiada szybki interfejs typu MMIO, niezawodną szeregowa magistralę komunikacyjną CAN, regulator szerokości impulsu PWM. Prawie wszystkie niezbędne funkcje zostały uwzględnione w projektach Texas Instruments. W kwestii oprogramowania, producent wykorzystał SVPWM (modulacje wektorową z symetrycznymi wektorami zerowymi), regulator PID, układy pętli synchronizacji fazy (PLL), czujniki MPPT i układ detekcji pracy wyspowej. TI zapewnia również możliwość ustalenia projektu zgodnie ze swoimi najlepszymi praktykami oraz dostarcza próbki, nawet w przypadku topologii i układów peryferyjnych. Dzięki oferowanemu oprogramowaniu i wsparciu sprzętowemu producent może szybko wprowadzać na rynek nowe produkty. Od dłuższego czasu falowniki wyposażone są w jednordzeniowy układ scalony, którym jest procesor DSP.

Rozwój inwerterów stringowych

Rozwój inwerterów stringowych nie był w 100% zgodny ze ścieżką, którą objęło TI w doskonaleniu swoich produktów, co stwarza możliwości rynkowe dla innych producentów układów scalonych, które przeznaczone są do falowników instalacji solarnych. Po pierwsze, zakres mocy falowników rośnie, a dla niskonapięciowych falowników 400 V podpiętych do sieci, maksymalna pojemność może sięgać nawet 100kW. Ponadto, falowniki muszą zarządzać coraz większą liczbą urządzeń, takich jak panele, kable DC, a nawet sieć i szafy rozdzielcze prądu zmiennego. Co więcej, funkcje komunikacyjne stają się coraz bardziej wydajne. Falowniki wymagają wielu portów USB, RS485, RS232 do połączenia z komputerem, pamięci flash, rejestratorów danych, mierników i przekładników prądowych (CT). W tym przypadku nie wystarczy już jeden procesor DSP. Niezbędne są CPLD – średnio złożone układy, przeznaczone do obsługi skomplikowanych obliczeń i komunikacji z procesorami z architekturą ARM.

Podczas gdy moc falowników wzrosła ośmiokrotnie, z 10 kW do 80 kW, ich objętość zaledwie o 3,4 razy, z 43 dm3 do 146 dm3. Oznacza to, że gęstość mocy wzrosła o około 1,86 razy. Większa moc przekłada się nie tylko na większe ilości prądu, ale również na złożoność algorytmu sterowania. Weźmy na przykład falownik Growatt 80 kW. Przy 6 MPPT musi on sprostać sześciu różnym obwodom, a zatem wymaga sześciokrotnie sprawniejszych sterowników.

Inwertery MAX – funkcje

• monitorowanie ciągów PV,
• diagnoza charakterystyki prądowo – napięciowej I/V,
• wyłączniki obwodów w przypadkach zwarć łukowych (AFCI),
• redukcja PID (degradacji indukowanym napięciem),
• rejestracja błędów sieciowych, regulacja współczynnika mocy,
• ograniczanie wpływu wyższych harmonicznych.

Warunki do instalacji paneli PV stają się coraz trudniejsze. Wynika to ze wzrostu odkształceń harmonicznych, jak i z niższego współczynnika mocy. To od falownika, jako jedynego inteligentnego urządzenia w systemie solarnym, wymaga się zapewnienia jak najlepszej wydajności. Wszystko po to, aby uczynić przemysł fotowoltaiczny bardziej konkurencyjnym, a instalacje – zarówno te prywatne jak i przemysłowe – opłacalne dla ich właścicieli.

DSP, CPLD i ARM są procesorami wbudowanymi. Posiadają podstawowe funkcje obliczeniowe, przechowywania i przetwarzania danych. Jednakowoż, ze względu na ich możliwości, każdy z nich ma swoje własne specjalne przeznaczenie.

DSP najlepiej nadaje się do cyfrowego przetwarzania sygnału. Potrafi wydawać liczne i skomplikowane polecenia do oprogramowania. Jego mocną stroną jest moc obliczeniowa. Falownik Growatt 100kW posiada dwa procesory DSP, z których jeden jest odpowiedzialny za sterowanie regulatorami ładowania MPPT po stronie instalacji fotowoltaicznej oraz działa jako przekształtnik podwyższający napięcie. Drugi natomiast odpowiada za przekształcanie sygnału DC/AC. Procesory te są niezależne, lecz współpracują ze sobą w celu podwyższenia niezawodności systemu.

CPLD (ang. Complex Programmable Logic Device) – złożony programowalny układ elektroniczny, ponieważ oferuje najszybszy z możliwych proces implementacji algorytmów sprzętowych. CPLD zajmuje się wieloma zadaniami jednocześnie. Na przykład, na dachu fabryki, w której znajduje się suwnica pomostowa, zainstalowany jest system solarny. Uruchamianie i zatrzymywanie suwnicy prowadzi do krótkotrwałych odkształceń harmonicznych. Zwykły falownik nie potrafi ochronić tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką (IGBT) w tak krótkim czasie. W związku z tym ostatecznie doprowadzi do trwałej awarii tranzystora IGBT. W przypadku falowników serii Growatt Max, dzięki połączeniu DSP i CPLD oraz innymi funkcjom zabezpieczającym, szybkość reakcji na niebezpieczeństwa wzrasta dziesięciokrotnie. Innymi słowy, Growatt Max, na powyższym przykładzie, byłby w stanie wyłączyć tranzystor IGBT przed wystąpieniem przepięcia elektrycznego.

Inwertery Max: Maksymalnie inteligentny i wydajny.

• Moc aż do 250 kW
• Osiąga 98,67% wydajności
• Brak bezpieczników
• do 12 czujników MPPT dla lepszej kontroli
• Inteligentna diagnoza charakterystyki prądowo – napięciowej I/V
• Funkcja inteligentnego monitoringu
• System operacyjny Growatt do podglądu online i serwisowania.

Procesor z architekturą ARM służy przede wszystkim do przetwarzania i zarządzania zadaniami. 90% nowoczesnych telefonów komórkowych wykorzystuje architekturę ARM jako główny układ scalony. Szyna danych ARM i szyna adresowa są od siebie oddzielone. W związku z tym zapewniają szybszą wymianę informacji na potrzeby monitorowania, przechowywania danych, komunikacji zewnętrznej i zdalnej aktualizacji.

Seria falowników Growatt Max wykorzystuje czterokwadrantową architekturę z dwoma procesorami DSP, CPLD oraz ARM. Dzięki temu czyni to je bardziej funkcjonalnymi i niezawodnymi.

• Modele MAX zostały użyte w wielu znaczących instalacjach fotowoltaicznych, takich jak:
• lotnisko Chengdu Shuangliu (gdzie spełniły wysokie wymagania kompatybilności elektromagnetycznej EMC),
• fabryka maszyn Jiangsu Changzhou (gdzie okazały się rozwiązaniem dla wysokich odkształceń harmonicznych),
• fabryka Changchun Auto (tam z kolei sprawdziły się pomimo ekstremalnie niskich temperatur),
• zakład oczyszczania wody Zhuhai (w której nie zaszkodziła im wysoka wilgotność).

We wszystkich tych przypadkach, pomimo trudnych warunków klimatycznych i elektrycznych, falowniki Growatt spełniają swoje zadania. Pracują stabilnie i przekształcają ogromne ilości mocy elektrycznej, generowane przez instalacje solarne, którym służą.