Martin Murnane, Analog Devices Ltd.
מהפכים סולריים
פוטו-וולטאיים
חלק ניכר מהאנרגיה החשמלית המופקת ישירות מקרינת השמש
נוצרת על-ידי תאי שמש פוטו-וולטאיים (photovoltaic-PV), אשר ממירים פוטונים בעלי אנרגיה נמוכה לזרם אלקטרונים המרכיב את זרם החשמל. איור 1 מראה תמונה אווירית של מתקן PV סולרי גדול.
מהפך (inverter) פוטו-וולטאי (PV) סולרי ממיר הספק חשמלי מפנל סולרי ופורס אותו בצורה יעילה על סריג השירות. הספק DC מפנלים השמש, הפועל בתור מקור זרם dc, מומר ל-ac ומוזן אל סריג השירות בהקשר המופע הנכון – עם יעילות של עד 98%. תהליך ההמרה של המהפך יכול להתרחש בשלב אחד או יותר.
שלב 1 הוא לרוב המרה dc ל-dc מהתאים הסולריים בעלי מתח נמוך וזרם גבוה המרכיבים את הפנלים, לרמות בעלות מתח גבוה וזרם נמוך התואמות את מתח ה-ac של הסריג. שלב זה עשוי להיות לא חיוני, תלוי בטופולוגיה ובכמות התאים סולריים מחוברים בטור, בצד ה-dc, כדי להבטיח מתח גבוה יציב בכל תנאי העומס.
בשלב 2, dc מומר ל-ac, לרוב תוך שימוש בטופולוגיית גשר H-. תכנוני מהפך PV עשויים להשתמש בגרסאות שונות של גשר H, דוגמת neutral-point clamping
(), לשם שיפור היעילות וצמצום ההספק הריאקטיבי במערכת.
מהפכים סולריים PV מוקדמים היו פשוט מודולים אשר הזרימו הספק לתוך סריג השירות. תכנונים חדשים יותר שמים דגש על בטיחות, שילוב סריג חכם וצמצום העלות. המתכננים מחפשים טכנולוגיה חדשה, שלא הייתה בשימוש במודולי המהפך הסולרי הקיימים, כדי לשפר את הביצועים ולהקטין את העלות.
מרכיב קובע הוא מכשור ובקרה מבוססי-מחשב, אולם מחסום בידוד צריך להגן על מעגלי המדידה והמחשוב בפני מעגלי טיפול ההספק – כמו גם מאותות מעבר הנובעים ממיתוג. מאמר זה יציע כיצד טכנולוגיית בידוד ®iCoupler יכולה להקטין את העלות, להגדיל את שילוב הסריג החכם ולשפר את הבטיחות של מהפכי PV סולריים על-ידי שימוש בממירי אנלוגי-לדיגיטלי
(analog-to-digital converters ADCs) מבודדים ומזיני שער (gate drivers) של Analog Devices.
סריג חכם
מהו סריג חכם? IMS Research מגדיר סריג חכם כ”תשתית הספקת שירות בעלת היכולת המובנית לתאם ולנהל הפקה וצריכה ביעילות, תוך השגת יתרונות מרביים מהמשאבים הזמינים”. כלומר הדור החדש של מהפכי PV סולריים דורש יותר חוכמה כדי להתחבר לסריג החכם, במיוחד כדי לטפל בחוסר האיזון במקרים כאשר יותר הספק זמין ממקורות מרובים מאשר נדרש על-ידי הסריג. מסיבה זו, המוקד של חוכמת המערכת PV צריך להיות בשילוב הסריג, כאשר כל תורם להספק המערכת צריך לשתף פעולה כדי לייצב את הסריג, ולא רק לספק פשוט הספק בלולאה פתוחה. שילוב הסריג דורש מדידה, בקרה וניתוח יותר טובים של איכות האנרגיה המסופקת לסריג. בנוסף, הנחיות חדשות ודרישות טכניות גבוהות יותר מחייבות טכנולוגיה חדשה.
תכונה מקומית חשובה של שילוב הסריג החכם עשויה להיות, אפוא, אחסון האנרגיה כדי לצמצם את הערבול (turbulence) על הסריג על-ידי אחסון אנרגיה חשמלית לא-נחוצה עד שהיא דרושה במהלך שימוש השיא.
יתר מאמר זה יתמקד בתפקיד הבידוד החשמלי בהגנה על מעגלי המכשור המשמשים למדידה ובקרה של המקורות, החיבורים ההדדיים ומרכיבי האכסון – עם הדגשה ראשונית על תפקיד-המפתח של טכנולוגיית iCoupler. ה-ADC המבודד AD7401A ומזין-שער המבודד ADuM4223, במיוחד, מציעים ביצועים אשר יענו לדרישות תכנוני המהפכים PV הסולריים החדשים.
טכנולוגיית הבידוד
בטכנולוגיית iCoupler, שנאים מקשרים נתונים בין שני מעגלים המוזנים בנפרד תוך הימנעות של כל חיבור גלווני ביניהם. השנאים מיוצרים ישירות על השבב תוך שימוש התהליך רמת-הפרוסה (wafer-level). שכבת פוליאמיד בעלת כושר כשל גבוה מתחת לשכבת הזהב מבודדת את הסליל העליון מהתחתון. מעברי לוגיקה במבוא, המקודדים תוך שימוש בפולסי 1 ננו-שניות, מופנים אל הצד הראשוני של השנאי. הפולסים, המחוברים מסליל שנאי אחד לשני, מגולים על-ידי המעגלים בצד המשני של השנאי.
ADC מבודד
איור 2 מראה זוג מהפכי PV סולריים דוגמת אלה המתוארים במבוא. קשורים לאפיק הספק המחובר לסריג, הם נמדדים וממותגים בצורה בלתי-תלויה. כל תא סולרי מחובר למעגל המעלה-מתח dc ל-dc שלו, ואז למהפך dc ל-ac (כאשר בשימוש, סוללת אחסון תהיה מחוברת וממותגת תחת בקרה. כל דיון על האחסון מושמט כדי לפשט הסבר זה).
מעבד אותות דיגיטלי (digital signal processor – DSP) מבקר את התהליך. ה-ADC המבודד AD7401A מודד את זרם המוצא בסדר גודל של 25 אמפר. מערכות מהפך PV סולריות יכולות להיות או לא להיות בעלות שנאי בידוד במוצא. אם מדלגים על השנאי כדי לחסוך בהוצאות, מהפך ה-PV הסולרי צריך למדוד גם כל מרכיב dc של זרם המוצא. הקיום והגודל של “הזרקת dc” זו הם נושא קריטי, מאחר שיותר מידי זרם dc המוזרק לתוך הסריג עשוי להרוות כל שנאי בנתיב שלו. ערך זה צריך להיות מוגבל לתחום המילי-אמפרים הנמוכים, כך שה-AD7401A צריך למדוד הן את זרם ה-ac בתחום של 25 אמפר והן את ה-dc בעל המילי-אמפרים הנמוכים.
המאפנן – ADC i-Coupler-מבודד- AD7401A דוגם ברציפות את המתח על-פני צדד (shunt) הזרם, כמתואר באיור 3. המוצא שלו הוא תזרים נתוני
1ביט המבודד ומוזן ישירות אל DSP. צפיפות ה”אחד”ים בתזרים המוצא מייצגת את אמפליטודת המבוא, אותה ניתן לשחזר בעזרת מסנן דיגיטלי המותקן בתוך ה-DSP.
הבידוד דרוש בתוך מערכות מהפכי PV סולריים, ראשית בגלל המתחים הגבוהים המופיעים על סריג ac. מתח ה-ac, אפילו במערכות חד-מופעיות, עשוי להגיע עד כדי 380 וולט. הבידוד של ה-AD7401A יכול לטפל במתחים דו-קוטביים של עד 561 וולט, דבר העושה אותו מתאים במיוחד עבור יישום זה. יתרון-מפתח לשימוש ב-AD7401A הוא בכך שהמארז הקטן שלו מאפשר ל-ADC להיות ממוקם קרוב מאוד לצדד הזרם ac האמיתי, בשעה שה-DSP עשוי להימצא במרחק מסוים – או אף על כרטיס אחר במערכת. דבר זה משפר את הדיוק והאמינות של הנתונים במערכת המדידה והבקרה. נתוני המוצא של ה-ADC נשלחים בצורה טורית ל-DSP דרך תזרים חד-ביט בקצב שעון של 16 מגה-הרץ, המסופק על-ידי ה-DSP.
מערכת זו יכולה למדוד זרמי ac עד 25 אמפר והזרקת dc בתחום המילי-אמפרים הנמוכים. איור 4 מראה שגיאות היסט וליניאריות של המודול הסולרי SMS AD7401A. הוא מציג את זרם הצדד
ב-20± מילי-אמפר בתלות בטמפרטורה. אם כן, המודול יכול למדוד הזרקת dc עד 20 מילי-אמפר, כמו גם זרמי מערכת של 25 אמפר (או יותר) תוך שימוש בפיתרון יחיד. שנאי זרם וסוגים אחרים של מערכות מדידה עשויים לדרוש שני התקנים, אחד עבור זרמי ac גבוהים (בתחום 25 אמפר) ואחד עבור זרמי dc נמוכים (בתחום 300 מילי-אמפר). זוהי דוגמה אחת על כיצד טכנולוגיית iCoupler יכולה לספק שילוב סריג חכם תוך חיסכון בעלויות.
כדי למזער את הפסד ההספק (ושגיאות תרמיות בגין חימום-עצמי) בצדד, יש לשמור על ההתנגדות שלו בערך הנמוך ביותר האפשרי, לרוב 1 מילי-אוהם. הרזולוציה הגבוהה מאוד של ממירי מאפשרת לשמור על הפסדי צדד דומים לפתרונות המסורתיים של מתמר מגנטי תוך שמירה על דיוק טוב יותר והיסט נמוך יותר, כמתואר באיור 4.
אם כי הדיוק בסקלה-מלאה (full-scale accuracy) הוא טוב ביותר, הבדיקה האמיתית של ליניאריות התקן היא השגיאה המוחלטת, במיוחד בתחומים נמוכים. שגיאה מוחלטת היא השגיאה הכרוכה במדידה בתחום הערכים שלה, בניגוד לשגיאה פשוטה בסקלה מלאה.
שנאי זרם אחדים מציינים את ההתקנים שלהם כ-0.1% בתחום הסקלה המלאה. אם כי דבר זה אכן נראה טוב, הוא עשוי לא לספר את כל הסיפור.
מהנתונים המוצגים באיור 4, השגיאה המוחלטת של מדידת זרם תוך שימוש ב-AD7401A היא די נמוכה לאורך כל התחום, ומצביעה על אי-ליניאריות נמוכה ועיוות הרמוני מוקטן של צורת-הגל מהמוצא של המהפך הסולרי PV. דבר זה, בתורו, מסייע להקטין את העיוות ההרמוני כאשר הוא משולב עם הסריג, ומספק דוגמה נוספת של כיצד טכנולוגיה זו משפרת את הביצועים.
מזין (דרייבר) של שער מבודד
ככל שיעילות המהפך הסולרי PV היא יותר גבוהה, כך ניתן להפיק יותר אנרגיה מידי שנה ממבוא סולרי נתון, דבר המוביל להחזר השקעות טוב יותר מחווה סולרית. בשל העלות הנמוכה שלהן, המגמה השוטפת היא לכיוון מערכות חשמליות ללא שנאים המוזנות לתוך סריג השירות הציבורי. הרמות הגבוהות יותר של יעילות התואמות במהפך גורמות לצורך ביתר תשומת לב לבידוד הפנימי של המדידה ואלקטרוניקת הבקרה שלו, כלומר, הבידוד הנדרש בין חלק ההספק של MOSFET המהפך ו/או המזינים של השער והמעגלים במתח נמוך יותר.
איור 5 מראה מימוש אפשרי של תצורת גשר-H עבור הממיר dc ל-ac של מהפך סולרי PV טיפוסי. מתח חיבור ה-dc במעגל יכול להשתנות בין 300 וולט עד 1000 וולט עבור ה-JFETs החדשים מסוג SiC הנמצאים כיום בשוק. צורת-הגל של זרם המוצא של גשר ה-H מסוננת על-ידי סלילים וקבלים. ממסרי מוצא מחברים את המוצא המסונן לסריג בצורה מבוקרת. דרוש מזין שער (gate driver) כדי להזין את סיומות השער והמקור של ה-MOSFETs בסביבת מתח גבוה – הזדמנות נוספת לבידוד במהפכי PV סולריים.
לדוגמה, מזין השער המבודד, הדו-ערוצי, בעל שני ערוצי בידוד עצמאיים ADuM4223 4-A מוצג באיור 6. יש לו שיהוי מעבר אות (propagation delay) של 60 ננו-שניות וחסינות לתופעות מעבר במוד-משותף של מעל 100 קילו-וולט במיקרו-שנייה (מרבי). התקן זה עונה לתקנים שונים, דוגמת החלק הנוגע של ה-DIN VDE0110, DIN VDE 088410 ו-UL1577, כמתואר בדף הנתונים.
להלן חלק מהפרמטרים החשובים ביותר של ה-ADuM4223:
מתח עבודה רציף מרבי *AC חד-קוטבי ו-dc 1131 וולט AC* דו-קוטבי 565 וולט.
מתח בידוד נחשול (surge) קילו-וולט
מתח בידוד דיאלקטרי מוצהר 5 קילו-וולט
להתקן שני ערוצים במארז יחיד, אחד עבור ה-MOSFETs בצד הגבוה ואחד עבור הצד הנמוך. הימצאות של שני הערוצים במארז אחד חוסכת הן עלות והן מקום על הכרטיס.
עם מצמדים אופטיים רגילים, דרוש או מצמד אופטי יחיד בעל הזזת הרמה בשער המבודד או שיידרשו שני מצמדים אופטיים (ראה מאמר טכני MS-2318 עבור יתר הפרטים) – דוגמה נוספת של הדרך בה טכנולוגיית בידוד חדשה זו עשויה להקטין עלויות.
סוגיה חשובה אחרת עבור מהפכים סולריים PV היא החסינות לתופעות מעבר במוד משותף (common-mode transient immunity) הדרושה כדי להבטיח ששום תופעות מעבר גדולות (dV/dt) במערכת אינן חוצות את מחסום הבידוד, אם הן מחוברות בצורה קיבולית או אחרת, מאחר ודבר זה היה מאפשר ל-MOSFETs הן מהצד הגבוה והן מהצד הנמוך הצתה בו-זמנית (ולגרום לאסון). ל-ADuM4223 יש חסינות גבוהה במוד-המשותף: מעל 100 קילו-וולט למיקרו-שנייה (מרבי), המספק עוד דוגמה כיצד טכנולוגיה חדשה זו עשויה לשפר את הבטיחות במערכת.
סיכום
בידוד גלווני הוא דרישה חשובה עבור מערכות מדידה ובקרה הדרושות כדי לממש סריגים חכמים המשלבים מספר גדול של מהפכים סולריים פוטו-וולטאיים. ה-ADCs המבודדים של Analog Devices, עם יכולתם למדוד הן זרמים גבוהים והן זרמי הזרקת dc בפיתרון יחיד, יכולים לתרום בצורה קומפקטית ויעילה למעגלים לשילוב סריגים חכמים. מזיני השער המבודדים של ADI, בעלי מפרטי חסינות בפני תופעות מעבר במוד המשותף, תורמים לבטיחות ולאמינות של מערכות מהפך PV חדשות אלה.
טכנולוגיה חדשה תהיה גורם מכריע לשם תרומה לשילוב של סריגים חכמים ולייצור הבטוח והיעיל של אנרגיה ירוקה – עם תפקידי מפתח בייצור הסריג ובטיחות משופרת עבור כל האנשים המפעילים מערכות סריג. מוצרי הבידוד שנדונו כאן הם דוגמאות מאלפות של החידושים המוצעים על-ידי תיק המוצרים הנרחב למדידה ובקרה תעשייתית של Analog Devices – למען תכנונים שוטפים ועתידיים כאחד.
סימוכין
1 Photograph: First Solar.
“Defi ning Smart Grids and Smart Opportunities.” http://imsresearch.
com/news-events/press-template.php?pr_id=2659
“‘Smart’ PV Inverter Shipments to Grow to 27 GW by 2015-
Grid Integration the Key Driving Factor.” http://www.
pvmarketresearch.com/press-release/Smart_Inverter_Shipments_
to_Grow_to_27_GW_by_2015_Grid_Integration_the_Key_
Driving_Factor/4
Technical Article MS-2318, Design Fundamentals of Implementing
an Isolated Half-Bridge Gate Driver. http://www.analog.com/static/
imported-files/tech_articles/TA10756-0-5_12.pd
המחבר
Martin Murnane הוא מהנדס מערכות סולריות PV ב-Industrial
and Instrumentation Segment המתמקד ביישומי אנרגיה/סולריים PV. לפני שהצטרף ל-Analog Devices, הוא אחז במספר תפקידים באלקטרוניקת הספק במערכות מיחזור אנרגיה (Schaffner Systems), פיתוחי בסיס נתונים/תוכנה מבוססי חלונות (Dell Computers), ופיתוח מוצרי HW/FW תוך שימוש בטכנולוגיית מדידי עיוות (strain gauge) (BMS). ל-Martin יש תואר בוגר בהנדסת אלקטרוניקה מאוניברסיטת Limerick.
