Bank energii z hulajnogi elektrycznej (2), czyli jak hulajnogi elektryczne ratują instalację fotowoltaiczną

Płytka PCB

Schemat płytki PCB został pokazany na rysunku 8. Została zaprojektowana jako dwustronna, z dzieloną masą pomiędzy obwodem dużych prądów oraz obwodem pomiarowo-kontrolnym. Punkt wspólny łączenia obu mas oznaczony jest czerwono strzałką na rysunku 9.

Rysunek 8. Schemat płytki PCB

Rysunek 9. Miejsce na płytce PCB, gdzie łączy się masa obwodu dużych prądów z obwodem pomiarowo-kontrolnym

Prototyp został zamówiony ze standardową grubością miedzi – tj. 35 μm. Wartości prądów, które mogą występować w urządzeniu, wymagają, aby ścieżki przewodzące wysokie prądy pocynować. Specjalnie do tego celu mają usuniętą soldermaskę (fotografia 1).

Fotografia 1. Usunięta soldermaska na ścieżkach PCB, które należy pocynować

Przewodność poprawia się na tyle, że nagrzewanie się ścieżek jest porównywalne ze stratami mocy tranzystorów. Warto rozważyć zamówienie PCB w wersji z miedzią o grubości 70 μm.

Oprogramowanie

Bazą oprogramowania jest system RTOS, w którym działa pojedynczy software timer do odliczania czasu i regularnego uruchamiania przetwornika ADC. Dane pomiarowe są odświeżane raz na sekundę. W głównej pętli programu, po uzyskaniu danych pomiarowych, uruchamiany jest algorytm podejmujący decyzje na podstawie uzyskanych danych pomiarowych (temperatura, prąd, napięcie) oraz zadanej konfiguracji kontrolera.

Do wyboru konfiguracji zastosowany jest przełącznik wielopozycyjny typu 16-pozycyjny zadajnik kodu. Pozycje od 0 do 6 oznaczają tryb pracy energia PV do inwertera, czyli priorytetem jest oddawanie energii z instalacji PV do sieci energetycznej. W przypadku przerw w pracy falownika energia jest magazynowana w baterii – tak długo, aż falownik nie wznowi pracy. W tym trybie, po nastaniu zmroku, wybór nastawy określa, jak długo od zmierzchu kontroler ma czekać z oddaniem energii z baterii do falownika (czyli po jakim czasie podłączyć baterie do falownika). Możliwe nastawy to przedział od 0 (czyli natychmiast) do 6 (czyli po 6 godzinach). Dla instalacji z kilkoma bankami energii warto ustawiać różne czasy, baterie będą wówczas rozładowywane po kolei co zwiększy możliwość autokonsumpcji zgromadzonej energii.

Pozycje 7...13 konfigurują kontroler do ładowania baterii w pierwszej kolejności i dopiero gdy bateria jest naładowana, podłączany jest falownik. Po zmroku energia z baterii będzie oddana do sieci po zadanym czasie: od 0 do 6 godzin. Ostatnia nastawa oznacza magazynowanie energii w baterii w przerwach pracy falownika, ale bez oddawania zgromadzonej energii po zmroku.

Rysunek 10. Uproszczony algorytm pracy oprogramowania

Uproszczony algorytm pracy został pokazany na rysunku 10. Natomiast w rzeczywistości oprogramowanie do stabilnej pracy wymagało wbudowania szeregu dodatkowych zależności i zabezpieczeń. Przykładowo – do ograniczenia przełączania się pomiędzy trybami naładowany 100%/można ładować wbudowana została histereza, dla ogniw Li-Ion doświadczalna wartość to 2,0 V przy prądach do 12 A dla baterii 10 S. Innym przykładem jest problematyczny start falownika o świcie. Sporadycznie falownik potrafi się zawiesić.

W oprogramowaniu wbudowałem mechanizm monitorujący, czy w ciągu ostatnich 30 minut falownik próbował się choć na chwile włączyć. Jeśli nie próbował, to na 10 sekund jest odłączane zasilanie falownika. Ten sposób testuję już kilka tygodni, sprawdza się bardzo dobrze. Procedura resetowania falownika jest komunikowana wyjściem/wejściem EXT_O do pozostałych egzemplarzy współpracujących z tym samym wielowejściowym mikroinwerterem.

Interfejs użytkownika – diody LED

Informację o stanie kontrolera prezentują trzy diody LED. Krótki opis w jaki sposób jest sygnalizowany stan urządzenia zawiera tabela 1.

Konsola UART

Po podłączeniu konwertera USB-UART można skomunikować się z kontrolerem za pomocą prostej konsoli poleceń. Konieczny jest konwerter USB-UART pracujący z napięciem 3,3 V, ustawienia terminalu to 115200 8-N-1. Raz na sekundę kontroler wysyła aktualne dane pomiarowe oraz stan najważniejszych zmiennych służących do podejmowania decyzji przez kontroler. W celu uzyskania informacji o statystyce pracy z danego dnia oraz archiwalnych zapisanych w pamięci flash należy skorzystać z funkcji help (wciskając klawisz H na klawiaturze). Wówczas pojawi się proste menu, gdzie poleceniami help (H), configuration (C), Flash stored (F), Watt-hours (W) odczytujemy poszczególne statystyki pracy. Polecenie erase(E) kasuje wszelkie dane zapisane w pamięci flash – statystyka pracy urządzenia będzie liczona od zera.

Dość istotna jest opcja kalibracji „zera” obu torów prądowych. Opis, jak poprawnie wyzerować oba kanały pomiaru prądu, znajduje się w dalszej części artykułu, w punkcie Uruchamianie.

Zapis i odczyt parametrów z pamięci flash

Z funkcji programowych szczególną uwagę chcę zwrócić na obsłudze pamięci flash. Mikroprocesor STM32L431 nie ma osobnej pamięci EEPROM. Do zapisu statystyki pracy oraz kalibracji użyłem wewnętrznej pamięci flash. Przed zapisem danych należy daną stronę pamięci wyczyścić (strona ma wielkość 2 kB). Zapis takich danych statystycznych, jak ładunek w mAh do/z baterii, wato-godzin do/z baterii i inwertera, odbywa się co godzinę. Ponieważ pamięć flash ma trwałość ograniczoną do ok. 10000 cykli kasuj-zapisz, zastosowałem „rozpraszacz” zużycia pamięci flash w formie bufora kołowego. Polega on na zarezerwowaniu w pamięci 54 stron. Co godzinę statystyka pracy jest zapisywana do kolejnej strony. Ponieważ umowny bufor jest wielkości 54 stron, umożliwia on zwiększenie trwałości pamięci do 61 lat ciągłej pracy (54×10000×1 h).

Z obsługą pamięci flash jest związany jeszcze pewien szczegół, który musiałem wypracować sam, nie znajdując nigdzie rozwiązania. Mianowicie w projekcie korzystam z kompilatora GCC dostarczanego wraz ze środowiskiem CubeIDE STM. GCC z jakiegoś powodu zbyt dobrze optymalizuje przy kompilacji obsługę pamięci flash, szczególnie funkcję odczytu danych z pamięci. Funkcja odczytu działa prawidłowo tylko i wyłącznie wtedy, gdy zostanie skompilowana bez optymalizacji. Jakakolwiek optymalizacja kodu, nawet najsłabsza, powoduje brak poprawnego funkcjonowania funkcji odczytu z pamięci flash. Ponieważ całkowite wyłączenie optymalizacji jest marnotrawstwem zasobów mikroprocesora, rozwiązaniem jest użycie dyrektywy

Taka dyrektywa wyłącza jakąkolwiek optymalizację w funkcji RestoreCal-Values-FromFLASH(), a cały pozostały kod jest kompilowany zgodnie z ustawionymi parametrami kompilacji całego projektu.

Domyślna konfiguracja kontrolera

Testując prototypy współpracujące z baterią Li-Ion, większość nastaw korygowałem doświadczalnie, obserwując zachowanie w różnych warunkach pracy. I tak:

• maksymalne napięcie ładowania baterii: 42,0 V;
• histereza ładowania: 2,0 V;
• na podstawie UMAX i histerezy wynika maksymalne napięcie naładowanej baterii: 40,0 V;
• minimalne napięcie rozładowania: 33,0 V;
• histereza rozładowania: 1,8 V;
• prąd wejściowy graniczny detekcji dzień/noc: 0,3 A;
• minimalne napięcie OCV fotowoltaiki dla detekcji dzień/noc: 43 V.

Wszystkie nastawy czasów, prądów, napięć są konfigurowalne za pomocą #define w kodzie źródłowym tak, aby w stosunkowo prosty sposób można było dostosować kontroler do innych typów zastosowanych akumulatorów.

W oprogramowaniu wbudowałem całą gamę liczników czasu i energii, wbudowany jest też bufor kołowy zapisujący statystykę pracy kontrolera do pamięci flash. Umożliwia to elastyczną rozbudowę systemu od wersji minimalnej (pojedyncza bateria 8 Ah 36 V) do wersji optymalnej. Przykład poniżej.

Przykład systemu minimum

Zupełne minimum to pojedyncza bateria Li-Ion 10 S, koniecznie w stanie i konfiguracji umożliwiającej podanie prądu ładowania/rozładowania na poziomie zgodnym z tym,co jest w stanie generować panel słoneczny, zazwyczaj jest to 8...12 A. Taką baterię akumulatorów łączymy z kontrolerem w sieć DC inwertera i pozostawiamy na kilka dni do testów. Po kilku dniach pracy (liczą się przede wszystkim te słoneczne) odczytujemy statystykę przez złącze UART, korzystając z programu typu terminal. Jako odniesienie całej analizy służy zmienna FlashPageCount określająca adres/numer porządkowy zapisania najświeższej statystyki pracy kontrolera. Zapis statystyki jest dokonywany o każdej pełnej godzinie pracy, znając więc numer zapisu statystyki, znamy czas w godzinach, jakiego dana statystyka dotyczy. Znając statystykę, jestem w stanie określić, czy bateria jest optymalnie dobrana do naszego systemu – czy bateria nie jest za mała (duża wartość zmiennej TimeNoBattery2Charge), czy nie jest za duża (jeśli ani razu nie udało się jej naładować do pełna, zmienna ChargeCycleCnt), i czy przerwy w pracy falownika w ogóle występują (zmienna TimeNoInverter).

Przykład konfiguracji optimum

Teraz przytoczę konfigurację swojego systemu. Jest to 5 paneli, które podłączyłem do 5 banków energii (rysunek 11, fotografia 2).

Rysunek 11. Konfiguracja systemu PV, na którym testowano urządzenie

Każdy bank jest skonfigurowany na inny czas włączenia po zapadnięciu zmroku: pierwszy włącza się zaraz po zmroku, następny bank po godzinie i tak, aż do piątego banku, który włącza się po 4 godzinach od zapadnięcia zmroku. Taka konfiguracja maksymalizuje możliwość autokonsumpcji w godzinach nocnych.

Fotografia 2. Instalacja, w której działa prototyp urządzenia

Testy funkcjonalne

Testowany kontroler sprawuje się dobrze dla prądów ciągłych do 13 A, zarówno dla ładowania, jak i rozładowania. Szczególną uwagę należy zwrócić na dobór złączy, podróbki markowych złączy typu terminal block przy 12 A osiągają temperaturę 110°C. Przy markowych złączach lub okablowaniu bezpośrednio wlutowanym w PCB taki problem nie występuje. Polecam stosowanie końcówek oczkowych oraz śrubek M3 z nakrętkami samohamownymi (fotografia 3).

Fotografia 3. Połączenia przewodów wykonane przy użyciu końcówek oczkowych oraz śrubek M3 z nakrętkami samohamownymi

Takie rozwiązanie minimalizuje rezystancje połączeń na drodze kabel-płytka PCB. Na rysunku 12 znajduje się przykład termogramu przy prądzie rozładowania równym baterii 13 A, złącza kabel-płytka PCB to złącza oczkowe widoczne na zdjęciach układu.

Rysunek 12. Przykład termogramu przy prądzie rozładowania baterii równym 13 A

Uruchomienie

Do uruchomienia urządzenia wymagany jest programator ST-Link oraz konwerter USB-UART pracujący z napięciami 3,3 V. Jeśli ktoś czuje się na siłach, zapraszam do modyfikowania oprogramowania. Mnie czyszczenie oprogramowania z błędów zajęło 4 miesiące testów, a wzajemne zależności pomiędzy różnymi funkcjami są na tyle rozbudowane, że nie zalecam wprowadzania zmian, jeśli ktoś nie ma czasu na testy. Dla łaknących szybkiego efektu udostępniam repozytorium, które zawiera skompilowane pliki hex – wystarczy zaprogramować mikrokontroler programatorem.

Weryfikacja poprawności działania to sprawdzenie multimetrem napięcia zasilania z przetwornicy (10 V), napięcia zasilania mikroprocesora (3,3 V), pomiar prądu pobieranego przez sam kontroler (ok. 1 mA przy zasilaniu z 35 V). Kolejne testy to weryfikacja poprawności pomiaru napięć i prądów – tu wystarczy zwykły odczyt parametrów z konsoli urządzenia poprzez program typu terminal. Niezbędny jest też zasilacz z zakresem napięć powyżej 30 V, a najlepiej 45 V, gdyż wówczas możemy przetestować wszystkie pozostałe funkcje kontrolera.

Ważną czynnością uruchomieniową jest kalibracja zera w obu kanałach pomiaru prądu. Jest to bardzo istotne, gdyż na podstawie pomiaru prądu dostarczanego przez panel fotowoltaiczny kontroler rozróżnia dzień oraz noc. Prawidłowe zerowanie polega na uruchomieniu urządzenia z odłączonym inwerterem oraz odłączoną baterią. Następnie z konsoli wywołujemy menu, wciskając H. Menu związane z kalibracją wygląda tak:

0 – calibrate ‘zero’ current level for Inverter
1 – calibrate ‘zero’ current level for PV
P – show calibration values
O – read calibration values from Flash
K – clear calibration values (not saved)
L – save calibration values

Przy pierwszym uruchomieniu wciskamy 0 (zero) do kalibracji kanału pomiaru prądu inwertera, a następnie 1 do kalibracji kanału PV. Po wyzerowaniu obu kanałów należy zapisać wartości kalibracyjne, wciskając L. Przy każdym uruchomieniu kontroler będzie automatycznie odczytywał zapisane w pamięci dane kalibracyjne i korygował zmierzone wartości.

Pozostałe funkcje, jak P, O, K, umożliwiają weryfikację poprawności kalibracji na pracującym już urządzeniu. Zauważyłem, że po kilku tygodniach pracy napięcie niezrównoważenia wzmacniacza pomiarowego nieco odpływa. Funkcjami dostępnymi w menu można zweryfikować poprawność kalibracji.

Uzyskane wyniki pracy kontrolera

Dla parametrów przyłącza: linia napowietrzna ok. 900 metrów, prąd zwarciowy jednofazowy przy liczniku ok. 205 A. Czas uzyskania statystyki to 1...12 września 2022, wyniki były następujące:

• energia wyprodukowana w ciągu dnia: 84 kWh (instalacja 2,2 kWp);
• przerwy w pracy falowników: sumarycznie 133 godziny (z tego było planowane ok. 6 godzin serwisu sieci energetycznej);
• energia wpompowana w baterie akumulatorów w czasie przerw pracy falowników: 28 kWh
• z rozładowywania naładowanych akumulatorów odzyskałem 26 kWh.

W praktyce więc zastosowanie banku energii monitorującego pracę inwerterów pozwala odzyskać dodatkowo ok. 30% energii wyprodukowanej przez instalację fotowoltaiczną. Oczywiście jest to aktualne tylko wtedy, gdy odbiorca energii elektrycznej jest usytuowany daleko od transformatora NN.

Możliwości rozwoju projektu

Zaprojektowany kontroler umożliwia sterowanie przepływem energii z panelu PV do inwertera lub baterii, lub z baterii do inwertera, w zależności od pomysłu, jak i kiedy chcemy to robić. Sprzętowe ograniczenie sprowadza się do limitu napięcia i prądu w systemie: napięcie musi być w zakresie 33...45 VDC, a prąd do 12 A. Tylko krótko wspomnę, że zaledwie po trzech tygodniach testów pierwszych egzemplarzy pojawił się u mnie serwisant z zakładu energetycznego, aby skontrolować poprawność podłączenia licznika energii. „Wie pan, instalacje fotowoltaiczne nie oddają prądu w nocy”. Zalecenie, jakie otrzymałem, to „pan zgłosi to jako bank energii, bo mnie tu znowu na kontrolę wyślą”.

Obecna wersja oprogramowania umożliwia kontrolę ładowania w ciągu dnia oraz oddawanie energii po zmierzchu po upływie ustalonego czasu. Jest to wystarczające rozwiązanie dla prosumentów z umową na starych zasadach. W planach jest rozbudowa oprogramowania o pomiar długości dnia, gdyż mając taką informację, jestem w stanie określić porę roku i przewidzieć maksimum słoneczne w środku dnia. Wówczas mając kilka banków energii, część systemu mogę skonfigurować na ładowanie w środku dnia (niezależnie od pracy falownika) i oddawanie energii po zmroku. Takie rozwiązanie będzie szczególnie korzystne dla prosumentów rozliczających się z ZE na warunkach net-billing. W ekstremalnych przypadkach, jeśli prąd podrożeje jeszcze bardziej, taki system będzie bardzo korzystny. Takie rozwiązania są typowe na Zachodzie, wspomagają równoważenie obciążenia sieci energetycznej.

Innym pomysłem jest rozbudowa oprogramowania o możliwość sterowania pracą inwerterów: od roku 2024 mają wejść kary za oddawanie energii odnawialnej podczas niekorzystnej pory dnia (dotyczy tylko net-billingu). Jest to związane ze zmiennymi stawkami hurtowymi cen energii, obowiązkowo trzeba będzie instalować DTU, które zdalnie będzie wyłączać inwertery, gdy ceny energii będą nadmiernie spadać w konkretnych godzinach dnia. Bank energii mógłby wówczas magazynować energię na godziny wieczorne i nocne, zamiast marnowania się godzin słonecznych.

Zamiast kosztownego DTU można zastosować Raspberry PI podłączone do sieci i śledzące stawki hurtowe energii elektrycznej (rynek dnia następnego) i sterujące pracą niniejszego kontrolera. Jako ciekawostkę tylko wspomnę, że w planach jest również budowa analogicznego rozwiązania dla inwerterów stringowych – bateria będzie wówczas mieć napięcie znamionowe 350 V.

Podsumowanie

Kontroler jest relatywnie prostym urządzeniem, a kosztowną częścią projektu są akumulatory. Każdy potencjalny zainteresowany sam musi policzyć, ile kosztuje pojedynczy akumulator, a ile oszczędności może dać zastosowanie takiego systemu. Jeden akumulator litowo-jonowy w konfiguracji 10S3P poskładany z ogniw cylindrycznych to pojemność ok. 8 Ah, co daje ok. 290 Wh. Łącząc 3 takie pakiety równolegle, uzyskujemy pojemność znamionową prawie 1 kWh. W dni słoneczne odzyskamy wówczas do 900 Wh dziennie na jeden panel PV. Przy ograniczonym DoD taki akumulator powinien wytrzymać minimum 5 lat, tyle też jest konieczne, aby zastosowany system się zwrócił, licząc dzisiejsze ceny energii. Najwięcej zyskają ci, którzy budują akumulatory samemu z odzyskanych ogniw, taki system zwróci się dużo szybciej. Osobiście mam nadzieję, że wkrótce zwiększy się dostępność akumulatorów pochodzących z używanych samochodów elektrycznych, przyspieszy to rozwój przydomowych banków energii.

Wojciech Błędziński
wojtekb@mailplus.pl

Odnośniki

1. Grid tie micro inverter powered by battery, https://bit.ly/3R5TgPd
2. https://bit.ly/3KbPmSC
3. https://bit.ly/3QZeUVL