Grid Tie Inverter: 10 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:54

Ini adalah proyek gemuk jadi kencangkan sabuk pengaman!

Inverter dasi kisi memungkinkan Anda untuk mendorong daya ke soket listrik yang merupakan kemampuan luar biasa. Saya menemukan elektronika daya dan sistem kontrol yang terlibat dalam desainnya menarik, jadi saya membuatnya sendiri. Laporan ini membagikan apa yang saya pelajari dan mendokumentasikan bagaimana saya melakukan sesuatu. Saya akan tertarik dengan komentar apa pun yang Anda miliki (terlepas dari komentar tentang tidak mengacaukan listrik utama).

Semua konsep dapat diskalakan tetapi pengaturan ini memiliki output maksimum 40 watt sebelum induktor filter mulai jenuh. Arus keluaran sinusoidal dengan THD < 5%.

Lihat perangkat lunak di GitHub saya

Perlengkapan

• Saya menggunakan papan pengembangan STM32F407. Ini berjalan pada 168MHz dan memiliki 3 ADC built-in yang mampu resolusi 12bit di lebih dari 2.4MSPS (Million Samples Per Second) masing-masing. Itu gila!
• Saya menggunakan papan pengembangan DRV8301. Ini menampung 60v H-Bridge bersama dengan driver gerbang yang diperlukan, shunt saat ini dan amplifier shunt saat ini. Sangat baik!
• Saya menggunakan trafo toroidal 230-25v dengan 2 keran keluaran. Ini berarti saya tidak harus langsung menghasilkan tegangan listrik tetapi dapat bekerja dengan tegangan puncak 40 volt sebagai gantinya. Jauh lebih aman!
• Saya menghubungkan beban induktor dan kapasitor bersama-sama untuk mendapatkan nilai L dan C yang saya inginkan untuk filter.
• Osiloskop dan probe diferensial adalah kunci untuk proyek seperti ini. Saya punya Picoscope

Langkah 1: Apa itu Daya Listrik?

Apa yang Anda dapatkan di stopkontak (di Inggris) adalah sinyal sinusoidal RMS 50Hz 230v dengan impedansi yang sangat rendah. Beberapa hal untuk dikatakan tentang itu:

50Hz - Frekuensi listrik dijaga dengan sangat tepat pada 50Hz. Itu sedikit berbeda tetapi 90% dari waktu itu antara 49.9-50.1Hz. Lihat disini. Anda dapat membayangkan semua generator besar di pembangkit listrik di atas dan di bawah negeri berputar serempak. Mereka berputar secara serempak menghasilkan bagi kita sinyal sinusoidal 50Hz. Inersia rotasi besar gabungan mereka membutuhkan waktu untuk memperlambat atau mempercepat.

Secara teori, jika beban BESAR terpasang ke jaringan, itu akan mulai memperlambat generator negara. Namun, sebagai tanggapan, orang-orang di kantor kontrol National Grid akan meminta pembangkit listrik untuk menyalakan boiler mereka, menaikkan panas dan memaksa generator itu lebih keras untuk memenuhi permintaan. Dengan demikian penawaran dan permintaan berada dalam tarian yang berkesinambungan satu sama lain.

Satu hal lagi untuk dikatakan tentang sinyal 50Hz. Meskipun sangat sedikit bervariasi sekitar 50Hz, orang-orang di atas memastikan bahwa frekuensi rata-rata sepanjang hari adalah tepat 50Hz. Jadi jika grid berada pada 49,95Hz selama 10 menit, mereka akan memastikannya berjalan pada 50.05Hz nanti untuk membawa jumlah siklus yang tepat menjadi 50Hz x 60detik x 60 menit x 24 jam = 4, 320,000/hari. Mereka melakukan ini dengan tepat menggunakan Waktu Atom Internasional. Oleh karena itu, peralatan rumah tangga, kantor dan industri dapat menggunakan frekuensi grid untuk menjaga waktu. Ini biasanya dilakukan dengan timer soket mekanis misalnya.

230v - Ini adalah tegangan RMS (Root Mean Square) dari sinyal 50Hz. Sinyal aktual berayun hingga puncak 325v. Ini penting untuk diketahui karena jika Anda membuat inverter, Anda perlu menghasilkan tegangan setinggi ini jika Anda ingin arus mengalir ke colokan.

Pada kenyataannya, tegangan yang terlihat pada steker di rumah Anda cukup bervariasi. Itu karena penurunan tegangan pada hambatan di kabel, konektor, sekering, transformator, dll. Ada hambatan di mana-mana. Jika Anda menyalakan pancuran listrik yang menarik 11 kilowatt (itu ~ 50Amps) maka bahkan hambatan 0,2ohm akan menjatuhkan Anda 10 volt. Anda mungkin melihat ini sebagai lampu yang sedikit meredup. Motor besar, seperti yang ada di hoovers menarik arus besar sementara motor melaju kencang. Jadi Anda sering melihat sedikit kedipan lampu saat Anda menyalakannya.

Maksud saya adalah, tegangan listrik jauh lebih bervariasi. Di sini di Inggris seharusnya 230v dengan toleransi +10%/-6%. Anda dapat mengharapkan untuk melihat perubahan dan fluktuasi yang tiba-tiba saat beban besar di sekitar dihidupkan/dimatikan. Pikirkan mesin pengering, ceret, oven, alat pengisap debu, dll.

Sinusoidal - Sinyal harus berupa gelombang sinus bersih yang bagus tetapi pada kenyataannya beberapa peralatan non-linear menyedot daya mereka dari titik-titik tertentu dalam siklus gelombang sinus. Ini menimbulkan distorsi dan itulah mengapa sinyalnya bukan gelombang sinus yang sempurna. Beban non linier biasanya mencakup catu daya komputer, lampu neon, pengisi daya, TV, dll.

Distorsi harmonik total (THD) mengkuantifikasi ini dalam bentuk gelombang. Ada peraturan tentang seberapa bersih output inverter. Jika tidak dapat menghasilkan sinyal yang cukup bersih maka tidak akan disetujui untuk dijual. Ini penting karena konten harmonik di grid mengurangi efisiensi beberapa perangkat yang terhubung (terutama harmonik ganjil). Saya percaya THD maksimum yang diizinkan adalah 8%

Impedansi rendah - Saat memikirkan inverter grid tie, ini penting untuk dipertimbangkan. Ada berbagai macam beban yang melekat pada listrik termasuk beban induktif, resistif dan kadang-kadang kapasitif. Jadi impedansi tidak diketahui dan berubah. Resistansinya sangat kecil artinya jika Anda menghubungkan beban arus tinggi, tegangan tidak akan turun sama sekali.

Langkah 2: Cara Mendorong Daya Ke Grid

Untuk mendorong daya ke jaringan, kita perlu mensintesis sinyal yang sama persis dengan frekuensi dan fase listrik tetapi dengan tegangan yang sedikit lebih tinggi.

Karena resistansi jaringan yang rendah, sulit untuk mengetahui secara pasti seberapa tinggi untuk membuat tegangan itu. Dan ketika tegangan RMS berfluktuasi, kita perlu memastikan bahwa kita berfluktuasi dengannya. Hanya menghasilkan sinyal tegangan 50Hz tetap yang sedikit lebih tinggi dari tegangan listrik tidak akan berhasil!

PI Kontrol arus keluaran

Yang kita butuhkan adalah loop kontrol di mana kita mengukur arus sesaat yang kita dorong ke grid dan secara otomatis menyesuaikan tegangan output kita untuk menggerakkan arus yang kita inginkan. Ini akan secara efektif mengubah output kita menjadi sumber arus (bukan sumber tegangan) yang lebih sesuai untuk menggerakkan impedansi rendah. Kita dapat mencapai ini dengan menggunakan loop kontrol PI (Proportional Integral):

Loop kontrol PI luar biasa! Ada 3 bagian dari mereka:

• Nilai terukur - Arus yang kami masukkan ke listrik
• Setpoint - Arus yang ingin kita dorong ke listrik
• Output - Tegangan sinyal yang dihasilkan

Setiap kali kita memanggil algoritma PID, kita melewati pengukuran arus terbaru dan setpoint yang kita inginkan. Ini akan mengembalikan nomor arbitrer (sebanding dengan tegangan output yang akan dihasilkan).

Algoritma kontrol PID kami memungkinkan kami untuk memilih arus keluaran yang kami inginkan pada saat tertentu. Untuk menghasilkan arus keluaran sinusoidal 50Hz, kita perlu terus-menerus mengubah arus yang diminta dalam mode sinusoidal.

Algoritma PID disebut setiap 100us (sama dengan 200 kali per siklus 50Hz). Setiap kali disebut ia mampu membuat penyesuaian langsung ke tegangan keluaran dan karenanya secara tidak langsung menyesuaikan arus keluaran. Sebagai hasilnya, kami menghasilkan keluaran arus bertahap yang serupa dengan yang ditunjukkan pada gambar dengan setiap langkah terjadi setiap 100us. Itu memberikan resolusi yang cukup.

Kontrol umpan maju

Kita dapat mengurangi beban kerja pengontrol PI secara besar-besaran dengan menambahkan pengontrol feedforward juga. Ini mudah! Kami mengetahui perkiraan tegangan keluaran yang perlu kami hasilkan (sama dengan tegangan jaringan sesaat). Pengontrol PI kemudian dapat dibiarkan menambahkan tegangan ekstra kecil yang diperlukan untuk menggerakkan arus keluaran.

Dengan sendirinya pengontrol feedforward mencocokkan tegangan keluaran inverter dengan tegangan jaringan. Tidak ada arus yang mengalir jika kita cocok dengan cukup baik. Kontrol umpan maju karena itu melakukan 99% dari kontrol output.

Karena resistansi grid yang rendah, perbedaan tegangan output FF dan tegangan grid akan menghasilkan arus yang besar. Oleh karena itu saya menambahkan resistansi buffer 1ohm antara inverter dan grid. Ini memang menimbulkan kerugian, tetapi mereka cukup kecil dalam skema besar.

Langkah 3: Menghasilkan Tegangan Output Menggunakan PWM

Meskipun kita secara tidak langsung mengendalikan arus keluaran, ini adalah tegangan keluaran yang kita hasilkan pada saat tertentu. Kami menggunakan PWM (Pulse Width Modulation) untuk menghasilkan tegangan output kami. Sinyal PWM dapat dengan mudah diproduksi oleh mikrokontroler dan dapat diperkuat menggunakan H-Bridge. Mereka adalah bentuk gelombang sederhana yang dicirikan oleh 2 parameter, frekuensi F, dan siklus kerja D.

Bentuk gelombang PWM beralih antara 2 tegangan, dalam kasus kami 0v dan Vsupply

• Dengan D = 1,0 bentuk gelombang PWM hanyalah DC di Vsupply
• Dengan D = 0,5, kita mendapatkan gelombang persegi dengan tegangan rata-rata 0,5 x Vsupply, (yaitu D x Vsupply)
• Dengan D = 0,1, kita mendapatkan bentuk gelombang berdenyut dengan periode rata-rata 0,1 x Vsupply
• Dengan D = 0,0, outputnya adalah garis datar (DC pada 0v)

Tegangan rata-rata adalah kuncinya. Dengan filter lolos rendah, kita dapat menghapus semuanya kecuali komponen rata-rata DC. Jadi dengan memvariasikan duty cycle PWM D, kita dapat membuat tegangan DC apa pun yang diinginkan. Manis!

Mempekerjakan H-Bridge

Sebuah H-Bridge terdiri dari 4 elemen switching. Ini bisa berupa BJT, MOSFET, atau IGBT. Untuk menghasilkan paruh pertama (0 - 180 derajat) gelombang sinus, kami mengatur fase B rendah dengan mematikan Q3 dan mengaktifkan Q4 (yaitu menerapkan PWM dengan D = 0). Kami kemudian melakukan PWMing kami pada fase A. Untuk babak kedua, di mana VAB negatif, kami menetapkan Fase A rendah dan menerapkan PWM kami ke fase B. Ini dikenal sebagai switching bipolar.

MOSFET di jembatan-H harus digerakkan oleh driver gerbang. Ini adalah topik tersendiri tetapi chip sederhana dapat mengatasinya. Papan dev DRV8301 dengan nyaman menampung H-Bridge, driver gerbang dan shunt saat ini bagi kami membuat proyek ini jauh lebih mudah.

Langkah 4: Mengukur Arus

Setiap kaki H-Bridge memiliki resistor shunt dan penguat diferensial. Shunt kami adalah 0,01ohm dan amplifier kami ditetapkan untuk penguatan 40. Oleh karena itu 1 Amp mengembangkan 10mV melintasi shunt yang kemudian diperkuat menjadi 400mV.

Output dari amplifier shunt dibaca oleh ADC 12bit pada STM32F407 yang berjalan dalam mode konversi berkelanjutan. ADC diatur untuk mengambil sampel setiap shunt pada 110KSPS dan pengontrol DMA secara otomatis menulis konversi ke buffer melingkar 11 kata dalam RAM. Ketika pengukuran saat ini diinginkan, kami memanggil fungsi yang mengembalikan nilai median buffer 11 kata ini.

Karena kami meminta pengukuran saat ini setiap iterasi PID (pada 10KHz) tetapi mengisi buffer ADC 11 kata kami pada kecepatan 110KHz, kami harus mendapatkan data yang benar-benar baru setiap iterasi PID. Alasan menggunakan filter median, karena switching PWM dapat memasukkan spike ke dalam campuran dan filter median menghilangkan sampel ADC palsu dengan sangat efektif.

Poin penting untuk dibuat di sini: Kaki H-Bridge mana yang kita gunakan untuk pengukuran saat ini? Yah itu tergantung pada kaki mana kita saat ini PWMing dan mana yang rendah. Kaki yang ditahan rendah adalah kaki yang ingin kita ukur arusnya karena arus selalu mengalir melalui resistor shunt di sisi itu. Sebagai perbandingan, pada sisi yang PWMed, ketika MOSFET sisi tinggi aktif dan sisi rendah mati, tidak ada arus yang mengalir melalui shunt sisi rendah. Jadi, kami mengubah kaki mana yang kami ukur arus berdasarkan polaritas keluaran inverter. Anda dapat melihat ini dengan jelas pada gambar, menunjukkan output dari salah satu amplifier shunt selama satu periode. Jelas kami ingin mengambil bacaan selama sedikit halus.

Untuk membantu men-debug bacaan kami saat ini. Saya mengatur konverter Digital-ke-analog pada STM32F407. Saya menulis bacaan saat ini yang saya dapatkan dan melihat hasilnya. Anda dapat melihat ini pada gambar akhir, warna biru adalah tegangan melintasi resistor buffer keluaran (yaitu arus keluaran/1.1ohm) dan sinyal merah adalah keluaran DAC kami.

Langkah 5: Memfilter Output

Filter keluaran adalah bagian penting dari desain. Kami membutuhkan karakteristik ini darinya:

1. Blokir semua peralihan frekuensi tinggi tetapi lewati sinyal 50Hz
2. Kerugian rendah
3. Tidak beresonansi!
4. Untuk mengatasi arus dan tegangan yang terlibat

Transformasi fourier dari sinyal PWM frekuensi F, Duty cycle D, antara 0 - Vsupply volts adalah: (D x Vsupply) + Gelombang sinus pada frekuensi fundamental F, dan harmonik setelahnya

Ini brilian! Artinya jika kita memasukkan sinyal PWM kita melalui filter low pass yang memblokir fundamental PWM dan semua yang ada di atas. Kami hanya pergi dengan istilah tegangan DC. Dengan memvariasikan siklus kerja, kita dapat dengan mudah menghasilkan tegangan apa pun yang kita inginkan antara 0 - Vsupply seperti yang dijelaskan.

Berdasarkan karakteristik yang diinginkan yang disebutkan di atas, kita dapat merancang filter keluaran. Kami membutuhkan filter lolos rendah yang dibuat dengan resistensi minimal untuk menghindari kerugian. Oleh karena itu kita hanya menggunakan induktor dan kapasitor. Jika kita memilih frekuensi resonansi antara 1 - 2KHz, kita akan menghindari resonansi karena kita tidak menyuntikkan sinyal apa pun di dekat frekuensi itu. Inilah desain filter kami. Kami mengambil output kami sebagai tegangan di C1.

Dengan memilih L1 = L2 = 440uH, C1 = 8.4uF kami menghitung frekuensi resonansi 1,85KHz. Ini adalah nilai komponen yang realistis juga.

Sangat penting untuk memastikan induktor kami tidak mulai jenuh pada arus yang kami harapkan. Induktor yang saya gunakan memiliki arus saturasi 3A. Ini akan menjadi faktor pembatas pada daya keluaran rangkaian kita. Peringkat tegangan kapasitor juga penting untuk dipertimbangkan. Saya menggunakan beberapa keramik 450v yang sangat berlebihan dalam kasus ini!

Plot pertanda (untuk nilai L/C yang sedikit berbeda) telah dibuat menggunakan LTspice. Ini menunjukkan kepada kita redaman yang ditimbulkan pada frekuensi input yang berbeda. Kita dapat dengan jelas melihat frekuensi resonansi pada 1.8KHz. Ini menunjukkan bahwa sinyal 50Hz hampir seluruhnya tidak tercemar sedangkan saya dapat memberi tahu Anda bahwa sinyal 45 KHz dilemahkan oleh 54dB!

Jadi mari kita pilih frekuensi pembawa PWM kita menjadi ~45KHz. Dengan memilih frekuensi pembawa PWM yang lebih tinggi, frekuensi filter dapat dibuat lebih tinggi. Itu bagus karena membuat nilai L dan C lebih kecil. Itu berarti komponen yang lebih kecil dan lebih murah. Kelemahannya adalah, frekuensi switching PWM yang lebih tinggi menyebabkan kerugian yang lebih besar pada switch transistor.

Langkah 6: Sinkronisasi Fase dan Frekuensi

Sinkronisasi ke fase dan frekuensi listrik adalah apa yang membuat inverter dasi jaringan. Kami menggunakan implementasi digital dari PLL (Phase Locked Loop) untuk mencapai pelacakan fase yang akurat dari sinyal listrik. Kami melakukan ini dengan:

1. Pengambilan sampel tegangan listrik
2. Memproduksi sinyal sinusoidal 50Hz lokal kita sendiri
3. Membandingkan fase antara sinyal lokal kami dan sinyal listrik
4. Menyesuaikan frekuensi sinyal lokal hingga perbedaan fasa antara 2 sinyal adalah nol

1) Pengambilan sampel tegangan listrik

Kami mengkonfigurasi saluran ADC ke-3 untuk membaca tegangan saluran. Ini kita dapatkan dengan membagi tegangan keran transformator seperti yang ditunjukkan. Ini memberikan tegangan skala bervariasi sekitar 1,65v yang persis mewakili tegangan jaringan.

2) Memproduksi sinyal sinusoidal 50Hz lokalMemproduksi gelombang sinus lokal 50Hz itu mudah. Kami menyimpan tabel pencarian 256 nilai sinus. Nilai sinus simulasi kami mudah diperoleh dengan menggunakan indeks pencarian yang berputar secara bertahap melalui tabel.

Kita harus menaikkan indeks kita pada tingkat yang tepat untuk mendapatkan sinyal 50Hz. Yaitu 256 x 50Hz = 12.800/s. Kami melakukan ini dengan menggunakan timer9 clock pada 168MHz. Dengan menunggu 168MHz/12800 = 13125 clock ticks, kami akan menaikkan indeks kami pada tingkat yang tepat.

3) Membandingkan fase antara sinyal lokal kami dan sinyal listrik Ini adalah bagian yang keren! Jika Anda mengintegrasikan produk cos(wt) x sin(wt) selama 1 periode, hasilnya adalah nol. Jika perbedaan fase adalah apa pun selain 90 derajat Anda mendapatkan angka bukan nol. Secara matematis:

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

Ini bagus! Hal ini memungkinkan kita untuk membandingkan sinyal listrik, sin(ωt) dengan sinyal lokal kita, sin(⍵t +) dan mendapatkan nilai.

Namun ada masalah yang perlu ditangani: Jika kita ingin sinyal kita tetap dalam fase, kita perlu menyesuaikan frekuensi lokal kita untuk menjaga agar suku Ccos(φ) tetap maksimal. Ini tidak akan bekerja dengan baik dan kami akan mendapatkan pelacakan fase yang buruk. Hal ini karena d/dφ dari cos(φ) adalah 0 pada = 0. Artinya, suku Ccos(φ) tidak akan berbeda jauh dengan perubahan fasa. Apakah itu masuk akal?

Akan jauh lebih baik untuk menggeser fasa sinyal listrik sampel sebesar 90 derajat sehingga menjadi cos(ωt +). Kemudian kita memiliki ini:

Integral[Asin(t) Bcos(t +)] = Csin(φ)

Memperkenalkan pergeseran fasa 90 derajat itu mudah, kami hanya memasukkan sampel tegangan ADC listrik kami ke salah satu ujung buffer dan mengeluarkannya sejumlah sampel nanti, sesuai dengan pergeseran fasa 90 derajat. Karena frekuensi grid hampir tidak bervariasi dari 50Hz, teknik tunda waktu sederhana bekerja dengan sangat baik.

Kami sekarang mengalikan sinyal listrik bergeser fase 90 derajat kami dengan sinyal lokal kami dan menjaga integral berjalan dari produk selama periode terakhir (yaitu selama 256 nilai terakhir).

Hasil yang kita tahu akan menjadi nol jika 2 sinyal secara tepat dipertahankan terpisah 90 derajat. Ini fantastis karena membatalkan pergeseran fasa yang baru saja kita terapkan pada sinyal listrik. Hanya untuk memperjelas, alih-alih memaksimalkan istilah integral, kami mencoba untuk menjaganya tetap nol dan kami menggeser sinyal listrik kami secara bertahap. Pergeseran fase 90 derajat yang diperkenalkan oleh 2 perubahan ini saling membatalkan.

Jadi Jika Integral_Result < 0 kita tahu kita harus meningkatkan frekuensi osilator lokal kita untuk membawanya kembali sefase dengan listrik, dan sebaliknya.

4) Menyesuaikan frekuensi sinyal lokal Bit ini mudah. Kami hanya menyesuaikan periode antara kenaikan melalui indeks kami. Kami membatasi seberapa cepat kami dapat memperbaiki perbedaan fase yang pada dasarnya menyaring apa pun yang palsu. Kami melakukan ini menggunakan pengontrol PI dengan istilah I yang sangat kecil.

Dan itu saja. Kami telah mengunci osilator gelombang sinus lokal kami (yang mengatur setpoint arus keluaran) agar sefase dengan tegangan listrik. Kami telah menerapkan algoritma PLL dan itu bekerja seperti mimpi!

Meningkatkan frekuensi osilator lokal kami juga mengurangi pergeseran fasa pada sinyal listrik. Karena kami membatasi penyesuaian frekuensi ke +/-131 tick (+/- ~1%), kami akan paling banyak mempengaruhi pergeseran fasa sebesar +/- 1°. Ini tidak akan menjadi masalah sama sekali saat fase disinkronkan.

Secara teoritis jika frekuensi listrik menyimpang lebih dari 0,5Hz, kita akan kehilangan kunci fase. Ini karena batasan kami di atas tentang seberapa banyak kami dapat menyesuaikan frekuensi osilator lokal kami. Namun itu tidak akan terjadi kecuali jaringan akan gagal. Perlindungan anti-pulau kami akan tetap berlaku pada titik ini.

Kami melakukan deteksi zero crossing saat start up untuk mencoba yang terbaik dalam memulai sinyal inphase dari offset.

Langkah 7: Anti-pulau

Wikipedia memiliki artikel yang luar biasa tentang teknik islanding dan anti-islanding. Ini juga menyiratkan bahwa orang mendesis dan mengepak lebih dari yang diperlukan ketika membahas topik ini. “Oh, Anda tidak dapat membuat inverter dasi sendiri, Anda akan membunuh seseorang, dll.”

Seperti yang dijelaskan lebih baik oleh artikel wikipedia, kami menerapkan beberapa tindakan pencegahan keamanan yang bersama-sama memberikan perlindungan yang memadai (menurut saya):

1. Di bawah / Lebih dari tegangan
2. Di bawah/di atas frekuensi

Kami dapat mendeteksi situasi ini hanya dengan menganalisis tegangan listrik berskala sampel kami. Jika ada yang rusak, nonaktifkan H-bridge dan tunggu hingga semuanya kembali normal.