Schutzfunktionen in PV-Wechselrichtern
Zwei Kerne statt zwei Prozessoren
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Redundanz – Einfehlersicherheit
Für die Schutzfunktionen in PV-Wechselrichtern, zum Beispiel die Überwachung der Netz-Wechselspannung und den Trennschalter, verlangen Sicherheitsstandards neben dem eigentlichen Mess- und Aktorpfad einen redundanten Signalweg nebst zusätzlicher Überwachungsstufe, um Einfehlersicherheit zu gewährleisten. In PV-Wechselrichtern wird dies herkömmlicherweise mit Hilfe eines zusätzlichen Prozessors erreicht, der die Rolle der redundanten Überwachung übernimmt und das Relais K2 steuert (Bild 1). Es ist leicht ersichtlich, dass dies die Gesamtkosten für die Steuerungs-Hardware deutlich erhöht. Denn obwohl die redundante Überwachung aus einem Prozessor mit recht moderaten Leistungsanforderungen besteht, ist eine zusätzliche Peripheriebeschaltung zu seiner Versorgung erforderlich. Andererseits favorisieren Entwickler gerade dieses Konzept hinsichtlich Konformitäts-Audits und Sicherheits-Zertifizierungen wegen der sichtbaren Trennung der redundanten Elemente und des einfach zu verstehenden Sicherheitskonzeptes.
Hersteller von PV-Wechselrichtern stehen durch weltweiten Wettbewerb und Marktanforderungen unter permanentem Druck, die Gesamtkosten für PV-Systeme zu senken. Dies zwingt die Hersteller zu intensiven Forschungsarbeiten mit Blick auf verbesserte Wandlerschaltungen und reduzierte Kosten – und damit zu einer genaueren Betrachtung der sicherheitsrelevanten Teile von PV-Wechselrichtern. Folglich werden auch die zur redundanten Überwachung für die Netztrennung eingesetzten Komponenten hinsichtlich einer möglichen Kostenreduzierung überprüft.
Vorzüge der zwei Kerne
Um die Ansteuerung und Überwachung von PV-Wechselrichtern zu vereinfachen und gleichzeitig den Funktionsumfang zu erweitern, hat Analog Devices eine Serie innovativer Mixed-Signal-Mikrocontroller entwickelt – die Familie ADSP-CM41x. Wichtigster Punkt der ADSP-CM41x-Serie ist das Sicherheitskonzept mit zwei unabhängigen Prozessorkernen. Es ermöglicht die Integration von sicherheitsrelevanter Redundanz und den dazugehörigen Funktionen auf nur einem Chip. Die neue Architektur ermöglicht beachtliche Einsparungen im Hinblick auf Entwicklungszeit und Kosten, da hiermit in vielen Fällen der zusätzliche Aufwand für eine externe Überwachungsschaltung komplett eingespart werden kann.
Die Mikrocontroller-Familie ADSP-CM41x adressiert die heutigen Anforderungen in Leistungswandlern mit Merkmalen, die speziell auf die Bedürfnisse von Umrichtern im Bereich der Erneuerbaren Energien zugeschnitten sind. Dazu zählt die Integration optimierter Hardware-Beschleuniger, die entwickelt wurden, um die verfügbare Rechenleistung der Prozessorkerne zu steigern. Darüber hinaus vereinfacht die integrierte Funktion zur Lichtbogenerkennung die Implementierung entsprechender Algorithmen mit adaptivem und selbstoptimierendem Überwachungsverhalten – und erhöht zugleich die Sicherheit und Zuverlässigkeit.
Durch die Erweiterung des Hauptprozessors (Cortex-M4) um einen unabhängigen Überwachungsprozessor (Cortex-M0) auf einem Chip vereinfacht sich die Entwicklung eines Einzelfehler-sicheren Systems mit redundantem Monitoring und redundanten Steuersignalpfaden erheblich. Gleichzeitig sinken die Kosten für das Gesamtsystem (Bild 2).
Zwar befinden sich die beiden Prozessorkerne (Cortex-M0 und Cortex-M4) auf dem gleichen Chip, um die Kosten zu minimieren, jedoch sind die Prozessorkerne aus Sicht der funktionalen Sicherheit mit Hilfe einer innovativen Verschaltung physisch voneinander getrennt. Eine Kommunikation zwischen den Prozessorkernen über eine Mailbox (Dual-Port-RAM) ermöglicht die unabhängige Prüfung und Verifikation redundant erfasster Parameter.
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