5.4 Codice Arduino sviluppato

105 Pages·2016·6.53 MB·Italian

Politecnico di Milano
Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Energetica e Nucleare
Corso di Studio in Ingegneria Energetica
Dipartimento di Energia
Ottimizzatori di potenza per fotovoltaico
integrati nei moduli:
implementazione del controllo
usando Arduino
Relatore: Prof. Sonia LEVA
Tesi di laurea di:
Eugenio Turano Matr. 840064
Anno Accademico 2016(cid:21)2017
ii
Abstract
Nell’ambito dell’energia fotovoltaica si osserva un crescente interesse verso gli
ottimizzatori di potenza. Essi vengono qui discussi descrivendone il funziona-
mento e classi(cid:28)candone le con(cid:28)gurazioni. Le con(cid:28)gurazioni esplorate sono il
singolo convertitore per multipli moduli e per singolo modulo, dove il secondo
viene scelto in questa tesi in un’ottica di integrazione modulo-ottimizzatore.
Vengono poi analizzate diverse tipologie di convertitore, AD-DC e DC-DC: la
seconda viene impiegata, nella particolare topologia convertitore Four Switch
Buck Boost (FSBB) grazie alla sua (cid:29)essibilit(cid:224) e alto rendimento.
Sulla base di queste scelte vengono analizzate le logiche di controllo, tra cui gli
algoritmo MPPT (maximum power point tracking). Questi vengono classi(cid:28)cati
e spiegati e vengono scelti gli algoritmi Perturbe and Observe e Incremental
conductance sulla base del miglior rapporto e(cid:30)cacia/semplicit(cid:224).
In virtø dell’adozione della topologia FSBB si rende necessario l’utilizzo della
funzione continuit(cid:224) di guadagno.
Viene proposta una innovativa implementazione e formalizzazione della stessa,
conl’obiettivodisuperareilimitideicontrolloriretroazionatisemplici(inque-
sto caso Proporzionale-integrativo) e di duty cycle degli switch reali.
Lelogichedicontrollopropostevengonopoiconvalidateconl’ausiliodellesimu-
lazioni Simulink insieme all’add-on Plecs, utilizzando dei modelli realistici per i
moduli PV, convertitore FSBB e carico.
Alcune misure di rendimento vengono poi mostrate con l’intento di avallare l’a-
dozione della funzione continuit(cid:224) di guadagno. Si procede quindi alla scrittura
delcodiceArduinoperimplementareilcontrollosimulato. Ilfunzionamentodel
software e hardware Arduino viene illustrato e viene ottimizzato il progamma
in modo che possa lavorare in modo e(cid:30)ciente ad alta frequenza, sia al (cid:28)ne di
veri(cid:28)care la correttezza del concetto, sia per avere miglior prestazioni del siste-
ma.
Vengono quindi illustrate le prove sperimentali in laboratorio e(cid:27)ettuate con
un simulatore di modulo PV. Il codice viene provato nel suo funzionamento e
i risultati dimostrano che sebbene questa applicazione richieda un alto grado
di competenza di programmazione Arduino pu(cid:242) essere usato come economico
ottimizzatore di potenza al pari di microcontrollori di fascia piø alta.
iii
iv ABSTRACT
Indice
Abstract iii
1 Introduzione 1
2 Convertitore DC-DC 7
2.1 Con(cid:28)gurazioni confrontate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 Con(cid:28)gurazione singolo DC-DC per moduli multipli . . . . 7
2.1.2 Con(cid:28)gurazione a singolo DC-DC per modulo singolo . . . 7
2.1.3 Full scale o Partial scale converter . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Con(cid:28)gurazione scelta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Obiettivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3 Componenti, logica e controllo 11
3.1 Componenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2 Logica di controllo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.3 Obiettivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.4 Presentazione problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.5 Caso con switch e FSBB converter ideali . . . . . . . . . . . . . . 13
3.5.1 Funzione ideale di continuit(cid:224) di guadagno . . . . . . . . . 16
3.6 Caso con FSBB converter ideale ma switch non ideali . . . . . . 17
3.6.1 Funzione di continuit(cid:224) di guadagno per switch reali. . . . 19
3.6.2 Calcolo coe(cid:30)centi m , m , b , b . . . . . . . . . . . . . 20
1 2 1 2
3.6.3 calcolo MiddlePoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4 Simulazione con Simulink e Plecs 25
4.1 Introduzione. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2 Blocco Plecs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2.1 modulo PV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2.2 (cid:28)ltri e induttore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.2.3 Batteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.3 Parametri di switch reali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.4 blocco MPPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.5 Controllore PI e funzione di transizione buck boost . . . . . . . . 35
4.6 Risultati Simulazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
v
vi INDICE
4.6.1 Comportamento MPPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.6.2 Comportamento proporzionale integrativo . . . . . . . . . 36
4.7 Conclusioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5 Implementazione con Arduino Due 41
5.1 PerchØ Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.2 PerchŁ Arduino Due . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.3 Mappa pin arduino Due . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.4 Codice Arduino sviluppato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.4.1 impostazione degli I/O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.4.2 Abilitazione potenza con il PMC . . . . . . . . . . . . . . 48
5.4.3 Impostazione del controller PWM . . . . . . . . . . . . . 48
5.4.4 Event Line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.4.5 Controller ADC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.5 Conclusioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6 Risultati sperimentali 57
6.1 Componenti setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.1.1 TerraSAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.1.2 Induttore 1mH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.1.3 LEM LV 25-P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.1.4 LEM LA 2-NP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.1.5 ST microelectronics L298N . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.2 Prima prova Dead time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.3 ADC sincronizzato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.3.1 Trasmissione per seriale su arduino . . . . . . . . . . . . . 62
6.4 PI con circuito RC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.5 PI con buck converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6.5.1 Snubber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.5.2 Risposta all’impulso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.6 PI con boost converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.7 MPPT con buck converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.7.1 PV simulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.8 Conclusioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7 Conclusione, contributo e sviluppi futuri 75
7.1 Conclusione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.2 Contributo e sviluppi futuri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
A codice arduino solo DeadTime 77
B Codice Arduino per buck converter con PI, con L298N 81
C Codice Arduino per PCB completo, 3 PV 85
Aknowlegments 95
*
Elenco delle tabelle
3.1 Datasheet pannello Kyocera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2 alcuni valori della Funzione ideale di continuit(cid:224) di guadagno . . . 17
3.3 alcunivaloridellaFunzionedicontinuit(cid:224)diguadagnoconswitch
reali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.1 dati per il calcolo della matrice 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.2 e(cid:30)cenza modulo PV-batteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.1 Le PWM utilizzate con canali e pin . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.2 periferiche A e B ai capi del multiplexer per ogni pin . . . . . . . 48
5.3 pin e utilizzi nel programma degli ADC . . . . . . . . . . . . . . 54
6.1 Alcuni dati di LEM LV25-P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.2 Datasheet LEM LA25-NP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.3 Alcuni dati dal datahseet di L298N . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.4 Alcuni valori in ASCII e in binario per una trasmissione tipica . 63
6.5 I dati di targa del pannello (cid:28)ttizio usato per i test con TerraSAS 72
vii
viii ELENCO DELLE TABELLE
Elenco delle (cid:28)gure
1.1 Angoli di azimuth e tilt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 curva P-V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 DC-AC-bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1 con(cid:28)gurazioneconunDC-DCpermodulofotovoltaicoeununico
inverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 FSBB converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Lediversecon(cid:28)gurazioniusandodeiDC-DC,la(a)Łilcasodifull
scaleconverter,il(b)Łilcasodelpartialscaleconconnessionein
serie e il (c) Ł il partial scale converter con connessione in parallelo 9
2.4 Il (cid:29)usso di potenza nel caso si Partial scale converter in serie . . 10
3.1 schema componenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2 logica di controllo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.3 Dead time e delay su transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.4 Funzione ideale di continuit(cid:224) di guadagno . . . . . . . . . . . . . 16
3.5 Dead time e delay su transistor nel caso r = Dbuck nei due
limit
rami buck (S1,S2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.6 Funzione di continuit(cid:224) di guadagno con switch reali. . . . . . . . 20
3.7 andamento buck e boost in funzione di r . . . . . . . . . . . . . . 21
3.8 andamento buck e boost in funzione di r con Dboost diverso
limit
da Dbuck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
limit
3.9 andamento buck e boost in funzione di r con Dboost diverso
limit
da Dbuck e Middlepoint corretto . . . . . . . . . . . . . . . 24
limit
4.1 il loop di controllo del circuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.2 il FSBB converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.3 la Funzione di continuit(cid:224) di guadagno in plecs . . . . . . . . . . . 27
4.4 Schema elettrico del modello a singolo diodo . . . . . . . . . . . . 29
4.5 forme d’onda caratteristiche buck . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.6 forme d’onda caratteristiche boost . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.7 transitorio di carica della batteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.8 logica turn on delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.9 zone di appartenenza e(cid:30)cienza-costo di varie tecniche MPPT . . 35
ix
x ELENCO DELLE FIGURE
4.10 la forma d’onda dell’MPPT perturbe and observe . . . . . . . . . 37
4.11 formad’ondadellatensioneaicapidelmoduloPVinrossoedella
batteria in blu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.12 forma d’onda della corrente al pannello col PI . . . . . . . . . . . 38
5.1 Center Allignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.2 Left Allignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.3 mappadelleconnessionitraipinesternidiArduinodueconchip
SAM3X8E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.4 Logica di funzionamento della periferica PIO . . . . . . . . . . . 45
5.5 bit del registro REG_CMRx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.6 bit del registro SCM_SYNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.7 bit del registro ELMRx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.8 bit del registro CMPMx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.9 logica event line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.10 bit del registro CMPVx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.11 e(cid:27)etto trigger con event line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.12 bit del registro ADC_MR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.1 Schema elettrico h-bridge L298N . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.2 signi(cid:28)cato delay, rise e fall del L298N . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.3 Foto allo scope nella prova col dead time . . . . . . . . . . . . . . 61
6.4 Acquisizione di un onda da 500Khz . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.5 Acquisizione di un onda da 100Khz . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.6 forma d’onda con un circuito RC e una PWM a 200kHz . . . . . 65
6.7 Tensione a cavallo dello switch, corrente nell’induttore e segnale
PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6.8 circuito elettrico snubber nel caso buck e boost . . . . . . . . . . 67
6.9 Prima e dopo l’applicazione dello snubber . . . . . . . . . . . . . 68
6.10 La risposta al gradino di tensione con diversi valori di K . . . . 70
i
6.11 risposta in modalit(cid:224) boost a bassa corrente (100mA) . . . . . . . 71
6.12 risposta in modalit(cid:224) boost ad alta corrente (1A) . . . . . . . . . 71
6.13 Il pannello di controllo di Terrasas, collegato in LAN al computer 73
6.14 convergenza dell’arduino alla tensione di MPPT . . . . . . . . . . 74