BIC-2200 – двунаправленный программируемый источник питания от MEAN WELL

27 марта

Сергей Миронов (КОМПЭЛ)

Инновационные решения в энергетике и электронике, такие как электротранспорт, «зеленая» энергетика, распределенные энергосистемы, требуют питания с возможностью рекуперации энергии. Эту задачу призваны решать двунаправленные источники питания. MEAN WELL предлагает такое изделие с возможностью программирования – BIC-2200.

Активное развитие идей рекуперации и промежуточного хранения электроэнергии в таких инновационных отраслях как электротранспорт, альтернативная энергетика, производство аккумуляторов, распределенные энергетические системы и телекоммуникации вызвало к жизни новый вид продукции – двунаправленный источник питания (Bidirectional Power Supply). Вместе с тем, двунаправленные источники питания пока что остаются сравнительно малоизвестным и специфическим продуктом на рынке ИП.

Принцип действия двунаправленного источника питания

Если однонаправленный источник питания (AC/DC-преобразователь) может только передавать энергию в направлении от первичной сети в нагрузку, двунаправленный ИП может как поставлять энергию в нагрузку или накапливать ее в системах хранения электроэнергии, так и возвращать ее обратно в первичную сеть (рисунок 1).

Рис. 1. Принцип работы двунаправленного источника питания

Как видно из рисунка 1, принцип работы двунаправленного ИП основан на двух режимах: поставки энергии в нагрузку и приема энергии от нагрузки и транспортирования ее в сеть. В режиме поставщика энергии источник работает как обычный AC/DC источник питания. Если нагрузка начинает сама генерировать избыточную энергию, источник переключается в режим приемника этой энергии и перенаправляет ее обратно в локальную или общественную сеть (DC/AC-преобразователь или инвертор). Таким образом, происходит конвертация или рекуперация энергии: возникающая избыточная энергия не расходуется впустую, а может вновь совершать полезную работу, повышая общий КПД системы питания. Тот или иной режим работы определяется автоматически или выбирается вручную оператором. Таким образом, этот тип источника питания можно условно обозначить как AC↔DC-преобразователь.

Данный тип источников питания может использоваться в сетях с распределенной генерацией энергии, в сетях типа V2G, в гибридных сетях, как например, на рисунке 2.

Рис. 2. Двунаправленный ИП в гибридной сети (устройства коммутации и управления условно не показаны)

Поскольку это – новая группа продукции, схемотехника данных источников питания, как правило, содержит современные цифровые компоненты, чем обусловлены широкие функциональные возможности. Подобные источники питания могут иметь цифровой интерфейс управления. Цифровое управление – обычно по MODBus или CANBus. Имеющийся интерфейс управления позволяет изменять (программировать) параметры источника питания, оптимизируя их под конкретное использование. Кроме того, эти ИП могут использоваться как индивидуально, так и в составе группы с параллельным подключением для увеличения общей мощности.

Производителей подобных источников питания на рынке пока не так много. Однако у известного производителя источников питания, компании MEAN WELL, рассматриваемая группа продукции имеется.

BIC-2200 – серия двунаправленных программируемых источников питания

Компания MEAN WELL выпускает серию двунаправленных источников питания BIC-2200 с мощностью 2200 Вт и с опциональной возможностью управления по цифровому интерфейсу CANBus. Внешний вид и органы управления и контроля этого источника питания показаны на рисунке 3. Наименование необходимой модели источника питания (с управлением или без управления) определяется в соответствии с рисунком 4.

Рис. 3. Внешний вид источника питания и элементов управления серии BIC-2200

Рис. 4. Формирование наименования модели

Основные параметры моделей этого источника питания приведены в таблице 1

Таблица 1. Основные параметры моделей серии ИП BIC-2200

Как видно из таблицы 1, выходное напряжение ИП BIC-2200 в режиме работы AC/DC-преобразования охватывает диапазон от 10 до 112 В, что позволяет использовать их в большинстве приложений с аккумуляторными батареями на номинальное значение шины питания 12/24/48/72/96 В. Точное необходимое значение зарядного напряжения для определенной аккумуляторной батареи или нагрузки можно выставить с помощью подстроечного резистора SVR (рисунок 3б) или командой CANBus – в том случае, если модель поддерживает управление по данному протоколу. А выходное напряжение в режиме работы DC/AC-преобразования находится в диапазоне 180…264 В (АС), что соответствует сетям с номинальным значением 220/230/240 В (АС), и только в этих сетях данный источник и следует использовать.

Важной особенностью этого ИП является быстрое переключение между направлениями преобразования AC↔DC – не более 1 миллисекунды. Для понимания: у обычных источников питания, используемых в различном оборудовании, имеется такой параметр как время удержания. Он показывает, сколько времени нагрузка, подключенная к этому источнику питания, будет находиться под номинальным напряжением при отключении ИП от входного напряжения. Обычно время удержания составляет 10…20 миллисекунд. То есть, когда у BIC-2200 за время 1 мс сменится направление преобразования, конечная нагрузка, находящаяся в электросети этого даже не заметит.

BIC-2200 может работать в двух режимах: двунаправленный режим автоматического определения и программируемый двунаправленный режим с аккумуляторной батареей (только для модели с CANBus-управлением).

Двунаправленный режим автоматического определения

Этот режим является заводской настройкой по умолчанию и представляет собой автоматическое преобразование в обе стороны (AC<->DC). Направление преобразования в ту или иную сторону в каждый момент времени определяется соотношением между выставленным значением выходного напряжения источника (DC) и реальным напряжением нагрузки. Выходное напряжение источника регулируется с помощью подстроечного резистора SVR (рисунок 3б).

Алгоритм работы в этом режиме следующий:

Если выставленное напряжение источника питания (Vуст) выше, чем реальное напряжение на нагрузке (Vнагр) в данный момент времени, то происходит AC/DC-преобразование и в нагрузку поступает энергия от источника питания.

Если напряжение на нагрузке выше, чем выставленное напряжение на ИП, то осуществляется DC/AC-преобразование и энергия от нагрузки поступает в электрическую сеть, к которой подключен данный ИП.

Примечание 1. В этом режиме работа источника питания определяется только его внутренней прошивкой, и внешние сигналы управления не действуют (например, для модели с CANBus аналоговый сигнал управления переключением направления преобразования C/D действовать не будет).

Программируемый двунаправленный режим с аккумуляторной батареей

Этот режим работы возможен только в моделях с управлением по протоколу CANBus (рисунок 4). (Команды протокола управления CANBus в рамках данной статьи не рассматриваются, их можно найти в инструкции по эксплуатации).

Если активировать данный режим через специальную команду протокола CANBus, то у оператора появляется возможность оперативно, по мере необходимости, менять направление преобразования либо по команде CANBus, либо по аналоговому сигналу управления C/D, действующему в этом режиме работы в модели с CANBus-управлением. Алгоритм работы при этом показан на рисунке 5.

Рис. 5. Алгоритм работы ИП в программируемом двунаправленном режиме с АКБ

По соответствующей команде CANBus или по установленному аналоговому сигналу C/D при высоком уровне происходит преобразование в направлении AC → DC, и АКБ заряжается (промежуток Charge CC+CV). После зарядки АКБ подачей соответствующей команды или установкой сигнала C/D в низкий уровень можно переключить преобразование в обратную сторону DC → AC, и до следующего изменения этой команды энергия от АКБ будет поступать в электросеть (Iбат имеет отрицательное значение).

Примечание 2. В этом режиме работы, если установленное напряжение источника питания Vуст не соответствует фактическому напряжению АКБ, могут возникать сложности при определении направления преобразования. Возможны следующие ситуации:

1. Во время преобразования переменного тока в постоянный AC → DC (C/D = высокий уровень или задана соответствующая команда CANBus), в случае, если реальное напряжение АКБ выше, чем выставленное выходное напряжение источника (Vуст), будет происходить обратное преобразование DC → AC, но с ограничением тока разряда на уровне 5% от номинального значения.
2. Во время преобразования постоянного тока в переменный DC→ AC (C/D = низкий уровень или задана соответствующая команда CANBus), в случае, если реальное напряжение АКБ ниже, чем выставленное выходное напряжение источника (Vуст), будет происходить обратное преобразование AC → DC, но с ограничением тока заряда на уровне 5% от номинального значения.

Принцип работы и применение двунаправленного ИП BIC-2200 с функциями рециркуляции энергии

Ограничение пускового тока

Источник питания имеет схему ограничения пускового тока на основе реле и термистора. Поэтому коммутация ИП по первичной стороне должна осуществляться не чаще, чем один раз в 10 секунд. Иначе пусковой ток может превысить указанное в таблице значение 35 А. Превышение пускового тока связано с тем, что термистор не будет успевать остывать между коммутациями.

Встроенный вентилятор

В источнике питания реализовано принудительное охлаждение двумя встроенными вентиляторами, скорость вращения которых меняется в зависимости от внутренней температуры.

Коррекция коэффициента мощности

Указанное в таблице 1 значение коррекции коэффициента мощности 0,95 достигается при полной нагрузке при преобразовании в обоих направлениях. Если нагрузка менее 100%, то коэффициент коррекции мощности будет иметь значение ниже указанного.

Сигналы неисправности или срабатывания защиты

Сигнал неисправности используется для информирования оборудования и/или оператора о наступлении некоего события, которое может привести к сбою в работе системы питания. При наступлении события защиты от перегрузки, от короткого замыкания или перегрева, источник питания за 100 миллисекунд до отключения отправит соответствующий сигнал, чтобы уведомить систему управления о предстоящем выключении. При сбросе защиты (например, AC Fail), сигнал будет отправлен одновременно с отключением.

LED-индикация режимов работы

Для визуального контроля над работой источника питания имеется светодиодная индикация (LED-индикация). В нормальном рабочем режиме при преобразовании в направлении AC → DC светодиод светится непрерывным зеленым светом. При преобразовании в обратном направлении DC→ AC он же светится мигающим зеленым светом. При срабатывании какого-либо вида защиты или в другой нештатной ситуации свет – непрерывный красный.

Дистанционное управление

ИП поддерживает дистанционное включение-выключение замыканием или размыканием контактов 3 (+5V AUX) и 5 (Remote ON/OFF) на разъеме CN46 (рисунок 3б). Важно! Устройство будет работать, если указанные контакты будут замкнуты.

DIP-переключатель 

В случае использования CANBus-управления для выставления индивидуального адреса источника питания в системе имеется DIP-переключатель. Этот переключатель действует только при использовании цифрового протокола. Во всех остальных случаях положение движков переключателя значения не имеет.

Параллельное подключение для увеличения мощности

Каждая модель рассматриваемого источника питания обладает мощностью 2160/1800 Вт в зависимости от направления преобразования (таблица 1). Это относительно небольшая мощность, и для большинства приложений ее может быть недостаточно. Данного ограничения можно избежать, применив параллельное подключение. В этом режиме можно одновременно задействовать до 9 модулей и увеличить общую мощность системы до 18/15 кВт. Такой мощности уже хватит для многих приложений. Схема параллельного включения отдельных источников питания в общую систему показана на рисунке 6.

Рис. 6. Схема параллельного подключения ИП BIC-2200

Замечания при параллельном подключении нескольких источников питания 

• Для параллельного соединения нужно использовать провода соответствующего сечения с минимальной длиной. Вначале следует объединить между собой источники питания, а затем подключить их отдельной линией к нагрузке.
• При параллельном соединении источник питания, обладающий самым высоким значением V_уст, будет ведущим, и его напряжение будет определять значение напряжения на шине постоянного тока.
• Общий выходной ток системы питания не должен превышать значения, которое будет определяться выражением I_макс = I_ном х N x 0,95, где I_ном – номинальный ток на один блок; N – количество блоков; 0,95 – уравнивающий коэффициент
• Если выходной ток составляет менее 5% от общего значения, то ток, распределяемый между источниками питания, может быть не сбалансирован. Для правильного функционирования такого массива источников питания необходимо задействовать специальные управляющие контакты на разъеме CN47 и переключатель SW50 в соответствии с таблицей 2. 

Таблица 2. Соединение контактов CN47 и положение переключателя SW50

(V: CN47 connected; X: CN47 not connected)

ИП выполнены в корпусе высотой 41 мм (1U) и поддерживают возможность встраивания в стандартную 19” Rack-стойку. Для управления массивом источников питания у MEAN WELL имеется специальный модуль управления с тач-экраном CMU2 (рисунок 7). Модуль управления выпускается в двух вариантах: для индивидуального использования (рисунок 7а) и для установки в Rack-стойку (рисунок 7б). В зависимости от реально выполняемой источником питания задачи можно использовать модули CMU2A*(для системы тестового прогона источников питания), CMU2C* (для управления массивом источников питания), CMU2E* (для работы в режиме инвертора). Более подробно про модуль управления можно прочитать здесь.

Рис. 7. Внешний вид модуля управления CMU2

Работа источника питания в трехфазной сети

При параллельной работе нескольких источников питания их сторона переменного тока (АС) может быть подключена либо к однофазной, либо к трехфазной четырехпроводной сети переменного тока.

Для обеспечения сбалансированного распределения тока рекомендуется равномерно распределять источники питания по фазам. Например, при параллельном использовании девяти блоков можно сделать подключение каждой группы по три источника питания к каждой из фаз: L1, L2, L3. Рабочий ноль всех блоков объединяется, и это будет четвертым проводом трехфазной сети. Схема подобного подключения показана на рисунке 8. 

Рис. 8. Схема подключения группы ИП к трехфазной сети

Секционирующая защита

Важной составляющей работы сетей с распределенной генерацией является их безопасность в случае значительных отклонений параметров основной сети от установленных значений (по напряжению и/или частоте) или при отключении этой сети для проведения ремонтных и обслуживающих работ. Для выполнения условий безопасности инверторы (DC/AC-преобразователи), участвующие в распределенной генерации, должны обладать специальной секционирующей, или островной, защитой (islanding; non-islanding; anti-islanding) в соответствии с ГОСТ Р 57228-2016 (МЭК 62116:2014).

В рассматриваемом источнике питания наряду с необходимыми защитами от короткого замыкания, перегрузки, превышения выходного напряжения (DC), перегрева реализована защита и этого типа (секционирующая). При работе в режиме приемника и транспортирования энергии в сеть (в режиме инвертора) устройство анализирует состояние сети и при необходимости в течение двух секунд отключает выходное переменное напряжение (AC). Для продолжения дальнейшей работы требуется ручной перезапуск источника питания.

Для удобства обслуживания такой системы по линии AC, идущей к источнику питания, следует установить специальный выключатель на соответствующий ток/напряжение, чтобы при срабатывании секционирующей защиты иметь возможность отключить устройство от сети и определить, в чем была причина ее срабатывания (неполадки в сети или целенаправленное отключение напряжения).

Преимущества двунаправленного источника питания

Двунаправленный источник питания представляет собой новое решение на рынке ИП, которое обладает рядом преимуществ для различных областей применения:

1. Повышение общей энергоэффективности системы питания – наиболее важное преимущество двунаправленного источника питания. Именно это преимущество послужило основным фактором появления новой группы продукции.
2. Универсальность – возможность работы в режиме как поставщика, так и приемника энергии в однофазных и трехфазных сетях. Двунаправленные источники успешно применяются в самых разнообразных областях, среди которых – электрические транспортные средства, системы альтернативных источников энергии, сети с распределенной генерацией, промышленные устройства тестирования и формовки АКБ и т.д.
3. Компактность – двунаправленный источник питания совмещает в себе два типа преобразования (AC/DC и DC/AC), в его электрической схеме частично используются компоненты, общие для двух направлений преобразования. Один двунаправленный источник питания занимает меньше места, чем два раздельных преобразователя, что является важным при построении мощной системы питания.
4. Снижение общих затрат – использование двунаправленного источника питания оптимизирует экономическую составляющую. Один источник питания экономически выгоднее двух раздельных преобразователей.

Совокупность этих преимуществ делает двунаправленный ИП перспективным решением для многих современных задач в области энергетики, электроники, промышленности и исследований, где эффективное управление электроэнергией, стабильность и безопасность в подаче питания играют важную роль.