Budowa tzw. strażnika mocy (SM) dla instalacji pv on grid

Z powodu braku korzystnych ustaw (stan na koniec 2014) dla producentów energii z mikroinstalacji sprzedaż do sieci jest nieopłacalna. Dlatego najlepszym rozwiązaniem jest wykorzystanie energii lokalnie niedopuszczając do 'wycieku' w sieć. Obecnie najtańszym sposobem magazynowania energii (dla gospodarstwa domowego) jest bojler, zbiorniki akumulacyjne itp.
Można rozważyć magazynowanie w akumulatorach, ale pod warunkiem zdobycia zdrowych używek. Wielokrotnie były robione obliczenia pokazujące, że koszt energii z nowych aku wynosi około 1zł/KWh.
Zadaniem strażnika mocy jest monitorowanie styku sieci dom-ZE i dynamiczne sterowanie/załączanie np. grzałek.
Chciałbym przedstawić budowę takiego urządzenia opartego na liczniku Pozyton sLAB i arduino. Całość składa się z modułów (najczęściej) gotowych do kupienia:
1. Licznik Pozyton
2. arduino uno
3. moduł RS485
4. tyrystorowy moduł sterowania grzałką. Separacja galwaniczna, MOC3021, triak BT139.
5. moduł zasilania 5V
6. płytka z kilkoma elementami do detekcji przejścia przez zero (napięcia AC)

Zmontowane urządzenie ruszyło bez kalibracji i bardzo precyzyjnie steruje mocą. Pomiar jest w jednym punkcie tuż za licznikiem ZE.

Opiszę poszczególne moduły na zasadzie od ogółu do szczegółu.
1. Wybrałem licznik Pozyton sLAB (jednofazowy) ze względu na możliwość odczytu z portu RS485.
Komunikacja odbywa się w protokole IEC1107. Na stronie pozytona jest to opisane, aż za dobrze.
Dzięki temu można odczytywać wiele wartości i tę najważniejszą czyli moc chwilowa czynna.
Odczytana wartość P() ze znakiem minus oznacza oddawanie energii do sieci.
Dodatkową zaletą tego licznika jest możliwość odczytu aktualnej daty i czasu.
Uwaga: fabryczna prędkość portu RS485 to 4800b/s 7E1, ale zdarzają się egzemplarze z ustawioną prędkością 9600b/s.
Załączam kod dla arduino, którym rozszyfrowałem protokół:

2. Nad arduino nie będę się rozwodził.
3. Kupiłem gotowy moduł. W sklepach jest duży wybór. Moduł jest z gotowymi rezystorami podciągającymi A i B.
Podłączenie do Pozytona tylko dwoma przewodami. Czasami trzeba zamienić miejscami A i B.
4. Także gotowiec. Sterowanie mocą fazowe na triaku BT139.
Może być ten: http://serwis.avt.pl/manuals/AVT440_3.pdf
ale trzeba zamienić na MOC3021. Zdarzyło się uszkodzenie triaka. Gdzieś doczytałem, że to z powodu niewłaściwych rezystorów. w obwodzie triaka.

5. Obecnie zasilam wszystko z wyprowadzeń arduino, ale plan jest
6. Detekcja zera AC przez taki układzik:
http://atnel.pl/download/ksiazka/fragmenty.pdf
strona 32. Działa bardzo dobrze.
Rezystory na wejściu trzeba dobrać tak żeby wytrzymały napięcie AC.
Można wstawić np. trzy w szeregu mniejsze, lub tak jak w powyższym przykładzie rezystor większej mocy. U mnie na wejściu są dwa rezystory szeregowo 0,5W po 32K.
Rezystor na wyjściu (pin 4) jest około 30K.




Oprogramowanie:
Impulsy z modułu detekcji przejścia przez zero AC podawane są na port IO nr 2. Na tym porcie zdefiniowana jest obsługa przerwania: void zeroCrossingInterrupt().
Dobrze jest to opisane na stronie arduino:
http://playground.arduino.cc/Main/ACPhaseControl
Arduino pobiera dane z licznika pozyton (co 1,5s) i na podstawie Pnom decyduje jaką moc oddać na grzałkę przez wyliczenie czasu po jakim wyzwala triak.
Edit: dane z licznika mogą być pobierane kilka razy na sekundę.
W programie robi to funkcja grzalka_set()
void grzalka_set()
{
OCR1A = map(grzalka, 1, GRZALA, 615, 65 );
//dla 615 żarzenie prawie niewidoczne
//dla 65 full
attachInterrupt(0, zeroCrossingInterrupt, RISING);
}
Zmienna 'grzalka' to poniekąd P(). Ta wartość zmienia się dynamicznie zależnie od poprzedniej wartości i aktualnego poboru.
GRZALA to wartość stała w tym przypadku 1406W.

Całego softu nie udostępnie ponieważ jest tam delikatnie pisząc bałagan, ale to powyżej spokojnie pozwoli za złożenie swojej wersji. Starałem się budować z gotowych modułów, żeby jak najmniej lutować.
Jestem na etapie składania wszystkiego do docelowej obudowy, więc jeśli ktoś chciałby coś zasugerować, zoptymalizować to uwagi są mile widziane.
Zapraszam też do prezentacji swoich wersji SM w tym miejscu.

errata:
w programie jest istotny błąd w części transmisji do portu szeregowego (MAX485)
tak to powinno wyglądać:
digitalWrite(SWITCH_PIN, HIGH); //transmit to slave ready (pin MAX485) RO (-->RX arduino) is high impedance when RE is high. Blokuje odbior.
delay(1);
// --> tu wysyłka do bufora portu szeregowego
while (!(UCSR0A & (1 << UDRE0))) // Wait for empty transmit buffer
UCSR0A |= 1 << TXC0; // mark transmission not complete
while (!(UCSR0A & (1 << TXC0)));
//This requires fiddling with hardware registers (and the exact ones depend on whether you are using Serial, Serial1, Serial2 and so on). The first loop waits for the hardware chip's buffer to empty, at the same time setting the "transmission not complete" flag. The second loop waits for the final byte to be clocked out by the hardware.
//http://www.gammon.com.au/forum/?id=11428
digitalWrite(SWITCH_PIN, LOW ); //DE -low --> blokada TX z arduino. RE is Low (negacja) - odbior mozliwy
//piny scalaka MAX485 RE i DE połączone razem

Coś mi się wydaje że ten Triak będzie bardzo siał w sieć jaki w eter
I kolejna sprawa to to czy licznik ZE wykryje ciętą sinusoidę (np chcesz puścić 50W na grzałkę)... sprawdzałeś co wskazuje licznik ZE ?

Pięknie sieje, to na pewno.

Obecnie licznik ZE jest tarczowy i to ten najlepszy z najlepszych.
Dzięki temu widzę jak pracuje SM. Świadczy to też o tym, że Pozyton panuje nad True RMS. Pętla loop potrzebuje ze dwa przebiegi po restarcie (jakieś 3s) do ustabilizowania punktu styku.

A nie myślałeś zasilać grzałkę wyprostowanym i odfiltrowanym napięciem sieciowym kluczowanym tranzystorem IGBT/Mosfet ? na pewno nie siałoby bardziej niż zasilacz komputera...

A jak szybko reaguje SM na nagłe skoki mocy w sieci ? np uruchomienie odkurzacza ?

W sensie PWM? Obawiam się napięcia stałego i problemów z termostatem.
Co prawda od teraz arduino pilnuje temperatury na bojlerze, ale jest dodatkowe zabezpieczenie na prostym termostacie. Z tego co wyczytałem to niszczy się bardzo szybko z powodu łuku.
Po włączeniu np. odkurzacza stabilizacja następuje często za pierwszym przebiegiem czyli poniżej 1,5s.
Pozyton potrzebuje trochę czasu na pomiar. Jeszcze nie sprawdziłem jaka jest dolna granica.
Pętla loop tak wygląda:

if (tempB>=65) { grzalka_off(); alarmB(); delay(5000); Serial.println("temperatura 65 st."); } //termostat ustawiony na 70
else {
pomiar=get_Pnom(); //odczyt pozytona, zmienna nadmiar==true, oddajemy energie
Serial.println(pomiar);
if (pomiar>15 && tempB<65) { //roznica 15W

if ((pomiar>=GRZALA)&&nadmiar) { //grzala na max i nic wiecej nie zrobimy
grzalka=GRZALA;
MAX=true;
grzalka_set(1);
Serial.println("MAX");
} else
{
if (nadmiar)
{ //grzalka=pomiar;
grzalka=grzalka+pomiar;
if (grzalka>=GRZALA) { grzalka=GRZALA; Serial.println("MAX"); MAX=true;}
grzalka_set(1);
Serial.println("dodawanie ");
}
else
{
grzalka=grzalka-pomiar;
if (grzalka<=0) {
grzalka=0;
if (tempB<25) {grzalka=500; grzalka_set(1);} else
{grzalka_off(); Serial.println("OFF "); }
} else grzalka_set(1);

Serial.println("odejmowanie ");
}
}
} else {Serial.println("stabilizacja! "); Serial.print("grzalka: "); Serial.println(grzalka);}
}

PV_Albert napisał:

Z tego co wyczytałem to niszczy się bardzo szybko z powodu łuku.

Zawsze możesz dołożyć przekaźnik próżniowy i nie będzie problemu

PV_Albert napisał:

W sensie PWM? Obawiam się napięcia stałego

Tak. A dlaczego obawiasz się napięcia stałego?

Może faktycznie kiedyś zmienię na PWM.
Motywuje mnie do tego słyszalne brzęczenie trafo w falowniku podczas pracy triaka.
Stałe napięcie na grzałce zniechęca mnie tylko ze względu na termostat. Przy próżniowym to faktycznie można coś takiego zrobić bez obaw, ale...
W przypadku zawieszenia arduino cewka może 'trzymać' przy czym przerwanie będzie np. nadal obsługiwane i można pożegnać się z bojlerem. Taki scenariusz jest możliwy.
W przypadku niezależnego mechanicznego zabezpieczenia jest szansa.

Ja u siebie zastosowałem dodatkowy sterownik który kontroluje temperaturę w zbiorniku.
Na SM mam ustawione 75st a na sterowniku zabezpieczającym 80st i jeśli SM z jakiegoś powodu będzie dalej grzał po przekroczeniu 75st to sterownik zabezpieczający odetnie zasilanie uP, stopni mocy PWM i zasilanie grzałek....
Aby SM z powrotem mógł grzać trzeba wówczas ręcznie załączyć zabezpieczenia...

U mnie od ponad miesiąca pracy SM, sterownik zabezpieczający zadziałał dopiero 1 raz gdy przez przypadek na SM ustawiłem 90st

Dodano po 12 [minuty]:

Zastosowałem Elreha TAR3170 który także służy mi jako wskaźnik temperatury w górnej warstwie zbiornika... SM mierzy temperaturę w dolnej warstwie zbiornika.

Załączam krótki filmik na którym widać proces stabilizacji po restarcie arduino.
Pn na wyświetlaczu to różnica na punkcie styku. Poniżej moc oddana na grzałkę - nadwyżka.

Może byc też PWM AC, podobnie jak tu:
Link
Ja używam tak PWM ok. 500Hz, rezystor bramkowy ok. 1kOhm

PV_Albert napisał:

Może faktycznie kiedyś zmienię na PWM.
Motywuje mnie do tego słyszalne brzęczenie trafo w falowniku podczas pracy triaka.
Stałe napięcie na grzałce zniechęca mnie tylko ze względu na termostat. Przy próżniowym to faktycznie można coś takiego zrobić bez obaw, ale...
W przypadku zawieszenia arduino cewka może 'trzymać' przy czym przerwanie będzie np. nadal obsługiwane i można pożegnać się z bojlerem. Taki scenariusz jest możliwy.
W przypadku niezależnego mechanicznego zabezpieczenia jest szansa.

W przypadku stosowania PWM i napięcia stałego można odłączać termostatem (zabezpieczenie mechaniczne) lub np. triakiem napięcie AC przed mostkiem prostowniczym i problem sklejenia się termostatu odpada.

Noo to nie tak jednoznaczne, trzeba wziąć pod uwagę czas gaszenia łuku a wypełnienie PWM.
Najgorzej gdy PWM=100% i wtedy następuje przegrzanie ... bimetal będzie spawany

Oczywiście piszę o pracy w DC PWM. Delegacja bimetalu do sterowania triakiem traci trochę na jego mechanicznej wiarygodności ...

Adam4321 napisał:

W przypadku stosowania PWM i napięcia stałego można odłączać termostatem (zabezpieczenie mechaniczne) lub np. triakiem napięcie AC przed mostkiem prostowniczym i problem sklejenia się termostatu odpada.

Słusznie, nawet bardzo słusznie.

Jednak koncepcja kolegi Lesio_Q jest ciekawa, jeśli dobrze rozumiem jak to działa.
Coś takiego co wywala google po wpisaniu: "Sine Wave Dimming pwm"?
Odpadłaby budowa wykrywania zera AC i program jeszcze bardziej by się uprościł.

PV_Albert napisał:

... google po wpisaniu: "Sine Wave Dimming pwm"?
Odpadłaby budowa wykrywania zera AC i program jeszcze bardziej by się uprościł.

Tak to wygląda na oscyloskopie. Oczywiście przy zastosowaniach innych niż światło (bo miga) można zmniejszyć częstotliwość PWM.
No i żeby nie siało w.cz. to zbocza nie powinny być bardzo strome, czyli trochę zapasu mocy admisyjnej w MOSFETach trzeba dać.

U mnie działa od pół roku przy 500Hz PWM, czyli każdy półokres sieci 50Hz cięty w 5 miejscach (przypadkowych - nie ma synchronizacji z fazą sieci).
Trochę słychać brzęczenie grzałki, bo jest nawinięta na rurze z pieca, ale jest to info, że energia elektryczna jest w nadmiarze, czyli warto .... n.p. właczyć pralkę

Lesio_Q napisał:

żeby nie siało w.cz. to zbocza

Stąd ten rezystor bramkowy 1K?
Jeśliby zmniejszyć nieco częstotliwość to może i termostat by działał pewniej.
Tylko wtedy precyzja w regulowaniu mocą jest mniejsza.

Tak, rezystor 1k do bramki spowalnia zbocza, zarówno otwarcia, jak i zamknięcia kluczy. Może być duży, byleby nie przegrzać tranzystorów.

Stosując PWM AC spokojnie można użyć samodzielnego termostatu, bo przejście przez zero obecne w sinusie sieci zostaje zachowane, więc łuk na stykach będzie miał kiedy się wygasić.
Ja używam nawet dwóch termostatów szeregowo, normalnie zamkniętych, o lekko różnych temperaturach otwarcia.
Elektronika elektroniką, ale takie ubiegłowieczne zabezpieczenie dodaje spokoju ducha.

Zmniejszenie częstotliwości PWM nie zmniejszy dokładności sterowania mocą, za to odpowiada .... "bitowość" PWM-a.
Ja używam 8bitów, czyli 256 poziomów pomiędzy min i max.
Grzałka ma ok. 1 kW, czyli minimalna zmiana to ok. 4W

Mogę dodać, że aby uniknąć wykrywania nadprodukcji przez licznik ZE, zwiększanie dociążenia grzałką następuje szybciej (wartość 30 na skok), a zmniejszanie celem redukcji przeciążenia idzie z mniejszym krokiem (chyba 5 na krok).
Czyli, że regulacja pochłaniania nadprodukcji następuje od strony przeciążenia, w kierunku minimalizacji poboru z ZE.

Dla grzałki 1,4KW jak duży radiator wypada zamontować na mosfety irfp450? Bardzo to się będzie grzało?

PV_Albert napisał:

Dla grzałki 1,4KW jak duży radiator wypada zamontować na mosfety irfp450? Bardzo to się będzie grzało?

Warto przemyśleć montaż tranzystorów w takim miejscu aby odzyskać to ciepło tracone na tranzystorach.
Kolega Lesio_Q z tego co wiem ma zamontowane tranzystory na zbiorniku z ciepłą wodą Tranzystory APT ja też takie stosuje w obudowie SOT-227.
Ja zamontowałem tranzystory na aluminiowym grzejniku do którego 5mm blachę zakręciłem i do tego tranzystory. Całość zaizolowałem termicznie a przez grzejnik przepływa zimna woda zasilająca zbiornik z ciepłą wodą.
Z takim rozwiązaniem sprawność układu rośnie ponieważ odzyskujemy straty na tranzystorach

U mnie układ Strażnika Mocy w domu wygląda tak:

Lesio_Q napisał:

U mnie układ Strażnika Mocy w domu wygląda tak:

Znaczy typu próbujący, czyli dodający moc na grzałkę w celu wykrycia kierunku przepływu energii?

PV_Albert napisał:

Znaczy typu próbujący, czyli dodający moc na grzałkę w celu wykrycia kierunku przepływu energii?

Lesio_Q używa scalonego licznika energii elektrycznej z wyjściem REVP o ile dobrze pamiętam

U mnie detektor zna kierunek przepływu energii, potem procesor zwiększa wypełnienie PWM, a potem zmniejsza.
Dodatkowo można włączyć wyjścia ON-OFF przy jakichś wartościach PWM, n.p. żeby dla PWM-a zostawić tylko słabszą grzałkę, a mocniejsze załączać "na stałe".

To musicie ustalić zeznania, bo drut chyba nie wykryje kierunku.
Co to jest?
Też zamówiłem podwójną grzałke z myślą żeby załączać skokowo.

PV_Albert napisał:

Co to jest?

Scalony licznik energii elektrycznej ADE... on daje info do uP o kierunku (0,1 logiczne na wyjściu REVP)

Z moich doświadczeń wynika, że dodatkowa grzałka musi mieć mniejszą moc niż grzałka
pracująca pod PWM. Dodatkowo załącza się ją w chwili gdy wartość mocy PWM jest
większa od mocy dodatkowej grzałki.
U mnie wygląda to tak. Dwie grzałki po 2kW = 4kW=PWM. Gdy PWM wynosi 3kW załączana
jest 1 dodatkowa grzałka 2kW. PWM = 3kW - 2kW = 1kW.
Gdy by było odwrotnie 1kW - pobierane z sieci.

Stereotyp w myśleniu to, że trzeba określić kierunek przepływu prądu lub gorzej, coś dodawać lub odejmować.
A całe zagadnienie jest banalnie proste. Wystarczy urządzenie do pomiaru mocy czynnej na
łączu dom - sieć.

1. Z czytujemy wartość mocy w danej chwili = A.
2. Obciążamy grzałkę przez PWM o wartość PWM + 20W. / 20W = np 1 w skali 1-255 /
3 Z czytujemy wartość mocy = B.
4 Jeśli A>B następuje wzrost PWM o 20W
5 Jeśli A<B następuje zmniejszenie PWM o 20W
6 Powtarzamy tą czynność bez końca.
W wyniku takiego działania otrzymujemy minimalną moc na łączu sieć - dom /przepływ mocy oscyluje wokół zera /o co nam chodziło.

W zasadzie tak, ja dodatkowo ignoruję pobór poniżej ok. 20W, żeby nie wracać już na stronę nadprodukcji.
Ten margines zostawiam ZE

Ja zamawiałem dwie grzałki w firmie GWARANT z Częstochowy. Zrobili mi na zamówienie potrójne 500W, 1kW i 2kW, koszt 120zł netto za sztukę. W zasadzie są w stanie zrobić każdą konfigurację, tylko przy pojedynczych zamówieniach trzeba im trochę "truć"/często dzwonić i przypominać się, ale jak już przyjmą zamówienie to w ok tydzień zrobią. Nigdzie nie mogłem znaleźć grzałek przynajmniej podwójnych, które miałyby 500W, obdzwoniłem kilka firm i albo nie chcieli się podjąć albo walnęli taka cenę, że.... 'mówiłem, że się zastanowię'.

BILGO napisał:

on daje info do uP o kierunku (0,1 logiczne na wyjściu REVP)

Czyli zwiększasz moc grzałki aż do zmiany stanu na REVP?
W jakim czasie jest odpowiedź o zmianie kierunku?
Pozyton wyświetla strzałke na wyświetlaczu informującą o kierunku i dzieje się to niemalże natychmiast. Zastanawiam się, czy nie mógłbym tego w podobny sposób wykorzystać.
Czyli nie czekać na podliczenie mocy (jakieś 1,5s) pozytona, a często pytać, ignorować wartość i sprawdzać jedynie znak (minus oznacza oddawanie). Na podstawie znaku dodawać moc na grzałce, aż do zmiany znaku (kierunku przepływu energii). Tylko co w przypadku gwałtownej zmiany obciążenia na odbiorach, czyli włączenia wspomnianego wyżej odkurzacza?
Muszę jeszcze zweryfikować jak często mogę pytać licznik żeby dostać wiarygodne dane.
Nie zdążyłem tego sprawdzić przy ostatnich testach. Może się okazać, że na bieżąco jest wiarygodny, a to u mnie w pierwszej wersji pętli loop był jakiś błąd.

Na wykrycie nadprodukcji (REVP) reaguję sporym skokiem PWM w górę (aby szybko usunąć nadprodukcję), w wyniku czego REVP się zeruje, a potem analizuję impulsy o poborze i krokowo zmniejszam PWM aż do osiągnięcia ok. 1 impulsu na 4 sekundy.
I takie wypełnienie pozostaje do czasu nowego info z REVP.

W ten sposób udaje się PWMem reagować n.p. na silnik bębna pralki. Jak się zatrzymuje - wychodzi nadprodukcja>większy wzrost PWM>2-3 redukcje PWM bo za duży pobór, potem bęben znów rusza- pojawiają się gęściejsze impulsy poboru mocy, więc redukcja PWM, potem bęben znów staje - nadprodukcja.
Piotr.K

P.S. Informacja na REVP pojawia się razem z impulsem poboru, więc blisko zerowego poboru nie jest natychmiastowa. Bocznikiem i elementami dobrałem tak, żeby impuls poboru co sekundę był w rejonie 100W poboru.

W moim SM gdzie info o wartosci i kierunku mocy uzyskuje ze scalonego licznika ADE. Reakcja SM na skok mocy to ułamki sekundy... Wypełnienie jest regulowane ok 15x/s.