Интеллектуальная система питания на базе двунаправленного преобразователя постоянного тока EZA TDK-Lambda

Дом нулевого энергопотребления

Сейчас в мире всё бо́льшую популярность набирают энергоэффективные системы накопления и сбыта электроэнергии, нацеленные на оптимизацию и баланс в расходах энергетических ресурсов. Благодаря использованию различных информационно-коммуникационных технологий создаются целые энергетические структуры следующего поколения (пока только точечно).
Одним из развивающихся направлений является так называемый дом нулевого энергопотребления [1], или здание с нулевым чистым потреблением энергии из общей сети (Net Zero Energy Buildings – ZEB). Такими объектами могут быть, например, административные офисные здания, которые за счёт использования альтернативных возобновляемых источников энергии (солнечной или ветровой) стараются переходить на автономное энергопотребление и таким образом ещё и могут сэкономить на оплате электроэнергии. Для построения энергоэффективных систем требуется использовать перезаряжаемые аккумуляторы с целью накопления энергии, а также устройства для распределения накопленной энергии, обеспечения бесперебойного питания, организации защит от просадок и пиковых всплесков мощности.
Построение любой энергетической системы всегда должно иметь обоснование, в том числе расчёт экономической выгоды. Сейчас на уровне потребителя сеть переменного тока преобразуется источниками вторичного электропитания в сеть постоянного тока
для питания различных электронных устройств, которым требуется постоянное напряжение. Однако чтобы добиться большей энергоэффективности, количество преобразований мощности должно быть уменьшено, поскольку преобразования сопровождаются тепловыми потерями, например, в полупроводниковых преобразователях. Один из вариантов – проектирование системы электропитания постоянного тока, в которой создаётся шина высокого напряжения постоянного тока (HVDC – High-Voltage Direct Current, высоковольтная линия электропередачи постоянного тока). От этой шины питаются электронные устройства потребителей, таким образом, нет традиционного преобразования переменного напряжения в постоянное. Также от этой HVDC-шины осуществляется зарядка аккумуляторных батарей, которые необходимы для обеспечения бесперебойного питания объекта. В настоящее время такая схема питания рассматривается для применения в умных сетях ZEB. Полностью отказаться от потребления переменного тока не получается ввиду больших потребительских нагрузок (как бытовых, так и промышленных) и в связи с необходимостью дополнительно заряжать аккумуляторные батареи, но сократить его потребление можно.

Двунаправленные DC/DC-преобразователи серии EZA

Двунаправленный DC/DC-преобразователь EZA представляет собой блок питания, который может обмениваться энергией между шиной HVDC и аккумуляторами. Ранее в большинстве случаев, когда необходимо было организовать режимы накопления/передачи энергии, приходилось переключаться между преобразователями: один на заряд, другой – на разряд, то есть использовать два разных блока питания. Двунаправленные DC/DC-преобразователи компании TDK-Lambda серии EZA представляют собой современные источники питания, которые могут работать как в режиме заряда, так и в режиме разряда [2].
Двунаправленные изолированные DC/DC-преобразователи серии EZA компании TDK-Lambda представляют собой блоки питания, которые служат в качестве платформ по преобразованию мощности в системах электропитания постоянного тока и способны обмениваться энергией между шиной HVDC и перезаряжаемыми батареями в одном блоке и в обе стороны (двунаправленно). Внешний вид данного преобразователя представлен на рис. 1.

Эти блоки имеют высокую эффективность преобразования энергии в двух направлениях благодаря построению внутренней архитектуры на компонентах из магнитных материалов с малыми потерями, использованию коммутационных ключей с цифровым управлением и других современных достижений в области проектирования и производства источников питания. Сейчас доступны модели с выходными мощностями 2,5 кВт (EZA2500) и 11 кВт (EZA11k). При этом размер у этих блоков одинаковый – они имеют высоту 1U и монтируются в стандартную 19ʺ стойку. Основные электротехнические характеристики преобразователей EZA приведены в табл. 1.

Стоит обратить внимание, что источники питания EZA преобразуют энергию в две стороны, поэтому вход и выход у них условны. Принято условно высоковольтную сторону называть высоковольтным входом, а низковольтную сторону – низковольтным входом [3]. Интегрируя данные преобразователи с системами накопления энергии на таких объектах, как офисные, коммерческие или общественные здания, которые получают электропитание в том числе от возобновляемых источников энергии, можно построить гибкие и масштабируемые энергосистемы с различной функциональностью, включая мониторинг, стабилизацию напряжения и построение систем резервирования для обеспечения бесперебойного питания.

Применение двунаправленного преобразователя EZA в системах с автономными источниками энергии

Рассмотрим одно из применений преобразователей EZA для построения дополнительной автономной энергосистемы (она может применяться на предприятии, в жилом доме или в коммерческом здании). Схематично данное применение изображено на рис. 2.

Для сети постоянного тока создается высоковольтная шина HVDC от 300 до 400 В постоянного тока, и питание постоянным током подается непосредственно на вход нагрузки, которая может потреблять помимо переменного и постоянное напряжение (это может быть различная электронная техника и другие устройства). Солнечные батареи, ветрогенераторы, различные топливные элементы являются источником энергии, которая преобразуется в постоянный ток, – это позволяет легко масштабировать и дополнительно наращивать мощность на базе HVDC. Генерируемая этими источниками мощность приобретает необходимые показатели напряжения с помощью DC/DC-преобразователя и подаётся на шину HVDC, а избыточная мощность накапливается в аккумуляторных батареях (например, в литий-ионных).
Поддержание стабильного напряжения на шине HVDC является важной задачей, потому что мощность, получаемая с помощью солнечных панелей и ветрогенераторов, может колебаться в зависимости от интенсивности солнечного излучения и скорости ветра. Процессы заряда и разряда аккумуляторных батарей должны контролироваться точно, без малейших прерываний, чтобы напряжение было максимально стабилизировано.
Двунаправленные DC/DC-преобразователи TDK-Lambda серии EZA обеспечивают высокую эффективность и плавное преобразование мощности без прерываний даже при частом переключении, демонстрируя превосходную производительность при стабилизации напряжения на шине HVDC. Дополнительно от шины HVDC можно поставить DC/AC-инвертор, который будет выдавать переменное напряжение для AC-нагрузок.
Построение подобных систем актуально для объектов, где применяется многотарифная сетка для оплаты потребления электроэнергии. В период дешёвого тарифа (например, ночью) батарейный модуль будет заряжаться через DC/DC-преобразователь EZA, а в пиковые часы, когда электроэнергия дорогая, батарейный модуль будет отдавать накопленную энергию в общую шину HVDC, шину предприятия или обратно в электросеть. Параллельно питание HVDC-шины будет поддерживаться альтернативными источниками энергии. И, как было сказано ранее, контроль необходимых уровней заряда и напряжений на шинах осуществляется с помощью преобразователей EZA.

Цифровое управление в преобразователях EZA

В двунаправленных преобразователях постоянного тока серии EZA реализованы функции цифрового управления и мониторинга выходного сигнала. В импульсных источниках питания, которые сегодня являются основным типом ИВЭП (источники вторичного электропитания), удаётся достичь стабильного выходного напряжения благодаря обратной связи с выходным сигналом (с помощью ШИМ – широтно-импульсной модуляции) и возможности управлять рабочими циклами (включением/выключением блока питания). Сна­чала управляющие сигналы включения/выключения и переключения обрабатываются аналоговой схемой. Затем для перехода к цифровому управлению используются аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой процессор обработки сигналов (ЦПОС) и необходимое программное обеспечение (рис. 3).

Применение такой технологии цифрового управления в серии DC/DC-преобразователей EZA позволило реализовать несколько режимов работы данных модулей, первым из которых является режим работы с внешним управлением, в котором операция переключения между режимами заряда и разряда осуществляется с помощью контроллера или ПК.
Второй режим – это автономный режим работы, когда режимы заряда или разряда батарей переключаются автоматически, в зависимости от колебаний напряжения на шине HVDC. Это позволяет поддерживать стабильное напряжение на шине постоянного тока. Кроме того, преобразователи серии EZA по умолчанию оснащаются последовательным интерфейсом RS-485, который позволяет изменять значения уставок напряжения и тока, а также режимы работы модулей в реальном времени [3]. При этом непрерывно осуществляется мониторинг значений входных и выходных напряжений и токов.
В дополнение к возможности управления зарядом и разрядом между батареями и шиной HVDC использование преобразователей серии EZA упрощает взаимодействие в схемах между инверторами, блоками управления зарядом, а также суперконденсаторами. Простая перезапись параметров управления через цифровой интерфейс – это всё, что требуется для реализации сложного управления без необходимости разработки нового преобразователя напряжения.

Преобразователи серии EZA для работы с рекуперативной энергией

Двунаправленные преобразователи серии EZA могут применяться для вторичного преобразования энергии на предприятиях, где используется оборудование с двигателями, такое как краны, лифты, автоматически управляемые тележки и вилочные погрузчики. Такое промышленное оборудование работает в циклическом режиме запуска и остановки. Следовательно, рекуперативная энергия, генерируемая во время замедления работы двигателей и накапливаемая в аккумуляторных батареях в процессе торможения, может быть повторно использована без потерь. Она может дополнительно применяться при запуске двигателя, когда требуется большой крутящий момент, тем самым способствуя экономии энергии. Кроме того, аварийные системы безопасности (например, эвакуации) могут также получать питание от батарей во время чрезвычайных ситуаций при сбоях в электросети (рис. 4).

Заключение

Роль, которую играют устройства силовой электроники и системы преобразования энергии, становится всё более важной, поскольку энергосбережение является одним из приоритетных вопросов в индустриальном обществе. Двунаправленные DC/DC-преобразователи TDK-Lambda серии EZA были разработаны с учётом накопленных знаний и технологий в области силовой электроники, приборостроения и технологий материалов (таких как ферриты), производства трансформаторов, схемотехники и технологии оценки качества готовых изделий. Преобразователи серии EZA могут по праву считаться интеллектуальными и высокопроизводительными блоками питания для эры Интернета вещей (IoT). ●

Литература

1. Zero-energy building [Электронный ресурс] // Режим доступа : en.wikipedia.org/wiki/Zero-energy_building.
2. Bidirectional DC-DC Converters [Электронный ресурс] // Режим доступа : https://product.tdk.com/en/techlibrary/archives/vol20_eza/TDK_TJ023_DC-DC_E.pdf.
3. EZA2500-32048 Series [Электронный ресурс] // Режим доступа : https://www.emea.lambda.tdk.com/ru/KB/EZA-Datasheet.pdf.

Автор – сотрудник фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (495) 234-0636
E-mail: info@prosoft.ru