לתכנן למען הבטחה, מהירות ויעילות בעלות במהפכי PV
אנרגיה סולרית כבר איננה טכנולוגיה חדשה, אלא אחת המתבגרת במהירות ונמצאת בתוך שינויים טכנולוגיים חשובים מאוד. המטרה של שוויון סריג (grid parity) שם עלות ההספק בסולרי תואמת, וכן משפרת את סוג יצירת האנרגיה החשמלית מתקרבת, בשעה שהמרת הספק ה- DC מהפנלים ל-AC שמיש הופכת ליותר יעילה וזולה.
אך בשעה שפנלים סולריים הפכו לפחות יקרים משמעותית בשנים האחרונות, הגל החדש של התקדמות באנרגיה סולרית יודרך על-ידי טכנולוגיות חדשות עבור מערכות המרת הספק. ההופעה של טופולוגיות מתקדמות ומתוחכמות של הספק רב-רמות תאפשר מתגי הספק מהירים יותר המבוססים על חומרי silicon carbide ו-gallium nitride – אשר יספקו, בשילוב עם מתחי פעולה גבוהים יותר (עד 1600 וולט DC), עלייה משמעותית בביצועים לעומת מערכות מסורתיות. תדרי מיתוג גבוהים יותר פירושם שאלמנטים פאסיביים של ממיר ההספק – כלומר סלילי ההשראה והקבלים – יכולים להיות קטנים במידה משמעותית בממדים, ויאפשרו הפחתות במשקל ובעלות. שניהם הם יתרונות מפתח בהרחבה נוספת של שוקי המערכות המבוססות-שמש.
כתוצאה, טופולוגיות חדשות ממתגות-הספק אלה גורמות לשינויים ברכיבים המבקרים ותומכים בהם. מערכות יותר קטנות ויותר מהירות דורשות שיפורים בתוך שרשרת האותות של המרת הספק – עיבוד מהיר יותר ושילוב רכיבים טוב יותר ביניהם. בשעה שמהפכי PV הופכים לקטנים יותר, אולם, חידושים אלה מגבירים את האתגר של עיסוק בסוגיות ההבטחה ההכרחיים בהמרת הספק – כלומר מערכות אלה קטנות בממדים, הבידוד הפיסי של מתחים מסוכנים הופך ליותר מורכב.
איור 1. בחומרת בקרת מהפך מסורתית , PV מעבד
השגחה נפרד דואג לאלמנט ההבטחה K2 והניטור
הכרוך. שני המעבדים מריצים חלקים מתוכנת ההבטחה
ומתקשרים דרך קשרי I/O תקניים.
בשעה שפנלים סולריים או מודולים סולריים הם הלב והחלק הבולט ביותר של מערכת סולרית, החלק היותר מורכב של השרשרת הוא מהפך ה-PV המוח המבקר את המערכת. את מהפך ה-PV יש לתכנן בזהירות כדי להגן על מעגלי מדידת הזרם ומעגלי המחשוב של המעגלים הנושאים הספק, כמו גם של אותות המעבר בשל המיתוג. אולם הגנה זו עולה מחיר: רכיבים מרובים, מיותרים, מבודדים, מעלים הן את העלות והן את מורכבות המערכת. וכן, ברור, הכללת מעבדים מיתכנתים לשם ביצוע האלגוריתמים העולים במורכבות הדרושים כדי להפעיל מערכות אלה היא נושא לדאגות ההבטחה שלהם עצמם בקשר לשלמות הקוד.
בנוסף, אישור רשמי של הבטחה הוא דרישה המופנית לכל המפתחים. יש הרבה אישורים הנוגעים לניתוקי הבטחה (וחידושה) שיש לטפל בהם. כמה מהר מערכת צריכה להגיב, כמה מטופלים תום והאפלה, ניתוקים מהירים וגילוי קשתות שיש לטפל בהם – ובמקרים רבים על בסיס מדינה-למדינה. מאחר שהאישור מתווסף לזמן הפיתוח (והעלות), רכיבים ושיטות בעלי המשכיות מוכרת הם אטרקטיביים, עם הצורך הנוסף להיות גמיש מספיק כדי להתאים לאישורי הבטחה מרובים ומתפתחים.
למרבה המזל, ניתן למצוא פתרונות באמצעות השימוש בפלטפורמות מהפכי הספק, המשלבות מעבדי בקרה מתקדמים בעלי אותות-מעורבים, מוקפים על-ידי טכנולוגיית חישת זרם והזנת שערים מבודדת משלימה.
איור 2. תכנון של ליבה כפולה מפשט בהרבה את התכנון
של מרכיבי הבטחה הדירים על-ידי שילוב של ליבת
השגחה MO עצמאית. מעבדים מתקשרים דרך מערכת
תיבות דואר מיוטבת, כולל העברת אותות של פעימות לב.
יתירות –
הבטחה של כשל בודד
עבור יישומים קריטיים להבטחה דוגמת מנטרים ומנתקי AC עבור מהפכים סולריים, PV תקני ההבטחה דורשים מרכיב פיקוח כפול מלבד התקן הניטור כדי להבטיח הבטחה בכשל יחיד. במהפכי PV מסורתיים, דבר זה מבוצע על-ידי הוספה של מעבד השגחה למערכת, דבר המאמץ את התפקיד של מרכיב ניטור יתיר הנוטל בקרה על הממסר K2 (ראה איור 1).
כפי שניתן לראות, דבר זה מוסיף משמעותית לעלויות הכוללות של חומרת בקרת המערכת, מאחר שלמרות שרכיב ההשגחה מורכב למעשה ממעבד בעל דרישות לביצועים יחסית נוחים, יש לצרף גם את תשתית התמיכה הנוספת. מאידך, סידור זה מומלץ עבור ההפרדה הכמעט נראית של החלקים היתירים, ולכן קל להבין את מערך ההבטחה כאשר הוא מגיע למעקב תאימות של שלטונות ההבטחה.
בשעה שיצרני מהפכי PV משתדלים להשיג ביצועי מהפך משופרים, הם נמצאים בקביעות תחת לחץ מדרישות השיווק העולמי לעלות פעולה נמוכה יותר של מערכות סולריות, PV, והם נאלצים לחזק את המחקר על טופולוגיות מהפך משופרות והפחתת עלויות על החלק הקריטי להבטחה של מהפכי ה-PV ולכן, מרכיב ההשגחה היתיר של מנתק ההבטחה הופך לרכיב הנבחן ביחס להפחתת עלויות אפשרית.
יתרונות תכנון
הליבה הכפולה
הרצון לפשט ולהגביר יחד את פעולת המהפך הוביל את Analog Devices לפיתוח סדרת מעבדי בקרה בעלי אות-מעורב חדשניים, משפחת ה-ADSP-CM41x. מרכזי לתכנון ADSP-CM41x הוא המושג של הבטחת ליבה כפולה עצמאית ופורצת דרך המאפשרת את שילוב היתירות ופועל לתוך שבב יחיד. ארכיטקטורה ראשונית מסוגה זו חוסכת זמן פיתוח ועלות המערכת על-ידי ביטול הצורך באלמנט משגיח חיצוני, שהוא ההתקן המקובל.
ה-ADSP-CM41x מתייחס לסוגיות המרת ההספק של היום דרך שורה של תכונות המיועדות במיוחד לדרישות מערכות המרת האנרגיה המתחדשות, כולל שילוב של מאיצי חומרה מיוטבים המיועדים לחזק את תהליך ההספק הזמין עבור תפקידי ליבה. בנוסף, גילוי כשלי הקשת על הכרטיס של ההתקן מפשט את התכנון ומגביר את ההבטחה על-ידי לקיחת החלטות נבונות כדי לשפר את האמינות והדיוק.
הוספת ליבת השגח עצמאית M0 לליבת הבקרה הראשית M4, על פיסה יחידה, גורמת לתכנון של מערכת חד-כשל בעלת ניטור יתיר ונתיבי אותות בקרה מפושטת בהרבה בשעה שהיא מביאה להורדה של עלויות המערכת הכוללות (ראה איור 2).
בשעה שהליבות M0 ו-M4 מתחלקות באותו סיליקון – תוך מזעור העלות, מבחינת ההבטחה – הליבות נשמרות בנפרד פיסית, דרך תקשורת בין-מעבדים חדשנית של תכנון חומר המערכת דרך תיבת-דואר RAM כפולת שערים המאפשרת בדיקה עצמאית ואימות של פרמטרי תהליך שנרכשו בהדירות.
הבטחת הקידוד
איור 3. דיאגרמה מלבנית של ה Technology Demonstrator VDE-AR-N-4105- , המורכב
מכרטיס הערכה VDE-AR-N-4105 וה- ADSP-CM419F EZ-KI
בנוסף להבטחת ההספק הפיסי, יש להפעיל השגחה גדולה כדי להבטיח שהאלגוריתמים המפעילים מערכות אלו מפוענחים נכון; תהליכים מושחתים עשויים להוביל למצבי פעולה המסכנים את ההבטחה. יתר על כן, רצוי לבודד תקשורות בין-מעבדים בעזרת מערכת תיבות דואר המפרידה בין התפקידים של ליבות המעבדים. יותר מאשר שיטת לחיצת ידיים, שידר / קליטה ישירה של תקשורת, מערכת תיבות דואר מאפשרת קריה/כתיבה מבודדת של נתונים על-ידי ליבה כלשהי בכל עת.
לגבי הבטחת הקידוד, לליבת ה-M4 יש הבזק עצמאי של 1 מגה-ביט ועד 160 קילו-ביט של SRAM, בעוד ל-M0 יש 32 קילו-ביט SRAM בשל עצמו. ה-SRAMs L1 M4 ו-M0, זיכרון ההבזק וזיכרון תיבת הדואר מוגנים כולם ב-ECC SECDED, השומר באופן טבעי על מרכיבי הזיכרון 32- ביט. כיתובים של נתוני 8 ביט ו-16 ביט, כאשר ישימים, יגרמו לעדכוני ECC קרא-שנה-כתוב ברקע אוטומטי, אופיינית ללא עיקובי מעבד בולטים. חומר סיוע לרענון מאפשר חיפוש מחזורי של שגיאות ביט בודד. גילויי שגיאות מרובות יכולים כאופציה לגרום להפסקות באותות ו/או כשלים.
בנוסף, עבור גילוי שגיאות, חטיבת חומרה של בדיקת יתירות מחזורית משמשת כדי לחשב את ה-CRC של גוש הנתונים. דבר זה מבוסס על מנגנון CRC32 המחשב ערך ה-CRC של מילות הנתונים בנות 32 ביט המוצג בפניהן. במיוחד, יחידת ה-CRC ניתנת לשימוש כדי לאמת את תוכן זיכרון ההבזק ושל גושי הנתונים הקבועים (טקסט או קוד) ב-SRAM.
ניטור סריג ה-AC
כדוגמה על כיצד ניתן להשתמש בתכנון של ליבה כפולה, נבחין כיצד ניטור סריג AC פועל במהפך PV. ניטור סריג AC מורכב ביסודו משתי פונקציות – ניטור תדר וניטור מתח.
לגבי ניטור צדר, הוא דורש מדידות מבוססות-זמן נסבלות באדיקות שעשויות להיות קשות מאוד לביצוע כאשר משתמשים במתנדי RC בתור בסיס זמן לגיבוי. לכן, המעבד משתמש במתנד יחיד או גביש (XTAL) בתור מבוא של שעון מערכת ראשי (SYSCLK) ו-XTAL נוסף על ה-M0 בתור מנטר נגד סחיפות של מקור השעון הראשי דרך תיבת הדואר. כשלי שעון בקו ה-SYSCLK אחרים מאשר סחיפות מטופלים ישירות על-ידי יחידת ההשוואה של המתנד הפנימי. (OCU).
ההתקן משתמש במתנד חיצוני בעל תדר נמוך (LFO – low frequency oscillator) כדי לגלות תנאים שונים כגון הפרת גבול של שעון מת ותדר שעון ויכול ליצור אירועים אחדים כדי להודיע למעבד על ההפרות. אות של שעון לא טוב (CLKNG) ניתן לעיצוב כדי להעביר את השבב למצב איפוס כאשר מגלים אירוע כשל, ויכול גם ליזום את מנגנון המצב הבטוח של הפין GPIO.
ניטור מתח AC צריך להבטיח שמתחי מופע הם בתוך תחומי הסיבולת הדרושים, והוא גם משמש עבור בדיקה פונקציונלית עצמית של שני ממסרי הניתוק. כדי לאפשר ניטור מתח של בדיקת כשל יחיד, החזית (front end -AFE) האנלוגית של המעבדים מורכבת משני גושי ADC, כל אחד מורכב מהבקר ADC, יחוס המתח וחלקי הספקה מרובים. מאלה, גוש ADC אחד מבוקר על-ידי ה-M4, בעוד שהאחר מבוקר על-ידי ה-M0, המאפשר מדידות מתח יתירות במלואן ובדיקות בריאות על-פני מערכת תיבת הדואר. מעל כל זה, DAC על הכרטיס יכול לשמש כדי להפעיל פנימית את כל חלקי שרשרת אותות ה-AFE לפני הבאת מהפך ה-PV למצב מקוון.
לחבר הכל ביחד
בנוסף למעבד של האותות המעורבים, יש מספר רכיבים קריטיים אחרים שחייבים לפעול ביחד במערכת PV כדי לתקשר, לבקר ולהעביר נתונים וזרם בבטחה.
התכנון מכיל מונח של נתיב אותות הדיר הכולל ייחוסי הדירות, ADCs, ו-XTALs, כמו גם יחידות של מתנד פנימי וניטור מתח וגם מערכת תיבות דואק פנים-עיבוד המאפשרת את הביטול המלא של מרכיב משגיח חיצוני נוסף ממערכת הניטור (ראה איור 3). LCD גראפי מספק את כל המידע הרלוונטי על המצב בהצצה, בשעה שלחיצה פשוטה על לחצן מבצעת מחזור כיול מלא של כל המערכת. היחידה באה עם חבילת תוכנה מתועדת במלואה ומקיימת Attestation of Conformity to VDE-AR-N4105 שהופקה על-ידי ה-TUV-SUD הגרמני במרץ 2016.
העתיד נראה בהיר עבור הסולרי, אולם התקדמויות הפרשיות אינן מספיקות. רק השילוב החכם של מגוון טכנולוגיות ברמת הפלטפורמה המלאה יבטיח את היעילות וההבטחה של תכנוני ממירי ההספק. יש לתכנן כל רכיב עצמאי בעזרת דרישות שוק האנרגיה של הבטחה, יעילות ועלות. הספקת פלטפורמות מלאות, רובוסטיות – לא רק חלקים – תאפשר ליצרנים של מוצרי המרת ההספק של מחר ליצור מערכות נקיות, בטוחות וזולות.
איור 4. ה- VDE-AR-N-4105 Technology Demonstrator מכיל שני ממסרים ראשיים מחוברים בטור היוצרים
את נתיב ההספק הראשי ac , ושני ערוצי מדידת מתח מבודדים מדויקים ביותר המנטרים ביתירות את מתח ac
הראשי, ועוד מתחי מוצא המהפך PV ומתחים בין-ממסרים במערכת בעלת מופע יחיד.
עדות של הבטחה
מאחר שמאמצי הורדת העלויות עשויים להזיק לרמת ההבטחה של המערכת, Analog Devices פנתה לסוגיות ההבטחה האפשריות במאמץ משולב עם German Employers’ Insurance Association BGETEM ב-Cologne ו-TUV-SUED ב-Straubing בנושא כיצד בדיוק לשלב את מרכיב ההשגחה כחלק שני על אותה פיסת סיליקון של המעבד הראשי. שיקול נוסף היה הדרישות המזעריות שמעבד דו-ליבה צריך למלא כדי לענות לתקני החוקים של ניתוק AC בטוח של מהפכי PV.
כתוצאה, משפחת המעבדים החדשה ADSP-CM41x של Analog Devices נושאת כיום בCertificate of Compliance to VDE-AR-N4105 שהופק על-ידי TUV-SUD הגרמני במרץ 2016. הוא בא עם מערך תכונות המיוחדות במיוחד עבור דרישת המרת ההספק של מערכות המרת אנרגיה מתחדשות, כולל את כל מרכיבי ההבטחה החיוניים עבור מנתק AC הממלא את כל ההבטחה.
כמו כן בתמיכה להבטחה, הפלטפורמה להמרת ההספק של Analog Devices כוללת מזיני שער וחיישני זרם המבוססים על טכנולוגיית המבודד הדיגיטלי iCourpler שלה. המבודדים הדיגיטליים של ADI משתמשים בבידוד polyimide בעל מאמץ נמוך ושכבה עבה כדי להשיג אלפי וולטים של בידוד שיכולים להיות משולבים עם ICs של סיליקון תקניים וניתן לייצרם בתצורות של חד-ערוץ, רבי-ערוצים ודו-כיווניים.
