Lo scopo di un inverter è quello di trasformare una tensione di forma d'onda CC in un segnale CA per iniettare potenza in un carico (ad esempio la rete elettrica) a una data frequenza e con un piccolo angolo di fase (φ ≈0). Un circuito semplificato per una modulazione di larghezza di impulso unipolare monofase (PWM) è mostrato nella Figura2 (Lo stesso schema generale può essere esteso a un sistema trifase). In questo schema, un sistema fotovoltaico, che funge da generatore di tensione continua con una certa induttanza di sorgente, viene convertito in un segnale alternato (AC) tramite quattro interruttori IGBT in parallelo con diodi di ricircolo. Questi interruttori sono controllati al gate tramite un segnale PWM, che è tipicamente l'uscita di un circuito integrato che confronta un'onda portante (solitamente un'onda sinusoidale alla frequenza di uscita desiderata) e un'onda di riferimento a una frequenza significativamente più alta (tipicamente un'onda triangolare a 5-20 kHz). L'uscita degli IGBT viene convertita in un segnale alternato adatto all'uso o all'iniezione in rete tramite l'applicazione di varie topologie di filtri LC.
Gli inverter appartengono a un ampio gruppo di convertitori statici, che includono molti di quelli odierni'dispositivi in grado di“convertire”parametri elettrici in ingresso, come tensione e frequenza, in modo da produrre un output compatibile con i requisiti del carico.
In generale, gli inverter sono dispositivi in grado di convertire la corrente continua in corrente alternata e sono piuttosto comuni nelle applicazioni di automazione industriale e negli azionamenti elettrici. L'architettura e il design dei diversi tipi di inverter variano a seconda dell'applicazione specifica, anche se il loro scopo principale è lo stesso (conversione da CC a CA).
1. Inverter autonomi e collegati alla rete
Gli inverter utilizzati nelle applicazioni fotovoltaiche sono storicamente suddivisi in due categorie principali:
:Inverter autonomi
:Inverter collegati alla rete
Gli inverter stand-alone sono destinati alle applicazioni in cui l'impianto fotovoltaico non è collegato alla rete di distribuzione principale. L'inverter è in grado di fornire energia elettrica ai carichi collegati, garantendo la stabilità dei principali parametri elettrici (tensione e frequenza). In questo modo, li mantiene entro limiti predefiniti, in grado di resistere a situazioni di sovraccarico temporaneo. In queste situazioni, l'inverter è abbinato a un sistema di accumulo a batteria per garantire un'alimentazione energetica costante.
Gli inverter grid-connected, invece, sono in grado di sincronizzarsi con la rete elettrica a cui sono collegati perché, in questo caso, la tensione e la frequenza sono“imposto”dalla rete principale. Questi inverter devono essere in grado di disconnettersi in caso di guasto della rete principale, per evitare qualsiasi possibile inversione di alimentazione della rete principale, che potrebbe rappresentare un grave pericolo.
- Figura 1 - Esempio di sistema autonomo e sistema connesso alla rete. Immagine per gentile concessione di Biblus.
2. Qual è il ruolo del condensatore del bus?
Figura 2: Modulazione di larghezza pulsata (PWM) monofaseconfigurazione dell'inverter. Gli interruttori IGBT, insieme al filtro di uscita LC, trasformano il segnale di ingresso CC in un segnale CA utilizzabile. Ciò induce unondulazione di tensione deleteria attraverso i terminali fotovoltaici. Il busil condensatore è dimensionato in modo da ridurre questa ondulazione.
Il funzionamento degli IGBT introduce una tensione di ripple sui terminali del campo fotovoltaico. Questa ondulazione è dannosa per il funzionamento del sistema fotovoltaico, poiché la tensione nominale applicata ai terminali dovrebbe essere mantenuta al punto di massima potenza (MPP) della curva IV per estrarre la massima potenza. Un'ondulazione di tensione sui terminali fotovoltaici farà oscillare la potenza estratta dal sistema, con conseguente
una potenza media in uscita inferiore (Figura 3). Un condensatore viene aggiunto al bus per attenuare l'ondulazione di tensione.
Figura 3: Un'ondulazione di tensione introdotta sui terminali fotovoltaici dallo schema dell'inverter PWM sposta la tensione applicata dal punto di massima potenza (MPP) del campo fotovoltaico. Ciò introduce un'ondulazione nella potenza in uscita del campo, in modo che la potenza media in uscita sia inferiore al punto di massima potenza nominale (MPP).
L'ampiezza (picco-picco) dell'ondulazione di tensione è determinata dalla frequenza di commutazione, dalla tensione FV, dalla capacità del bus e dall'induttanza del filtro secondo:
Dove:
VPV è la tensione CC del pannello solare,
Cbus è la capacità del condensatore del bus,
L è l'induttanza degli induttori del filtro,
fPWM è la frequenza di commutazione.
L'equazione (1) si applica a un condensatore ideale che impedisce alla carica di fluire attraverso il condensatore durante la carica e quindi scarica l'energia presente nel campo elettrico senza alcuna resistenza. In realtà, nessun condensatore è ideale (Figura 4), ma è composto da più elementi. Oltre alla capacità ideale, il dielettrico non è perfettamente resistivo e una piccola corrente di dispersione fluisce dall'anodo al catodo lungo una resistenza di shunt finita (Rsh), bypassando la capacità dielettrica (C). Quando la corrente attraversa il condensatore, i pin, le lamine e il dielettrico non sono perfettamente conduttivi e c'è una resistenza equivalente in serie (ESR) in serie con la capacità. Infine, il condensatore immagazzina una parte di energia nel campo magnetico, quindi c'è un'induttanza equivalente in serie (ESL) in serie con la capacità e l'ESR.
Figura 4: Circuito equivalente di un condensatore generico. Un condensatore ècomposto da molti elementi non ideali, tra cui la capacità dielettrica (C), una resistenza di shunt non infinita attraverso il dielettrico che bypassa il condensatore, la resistenza in serie (ESR) e l'induttanza in serie (ESL).
Anche in un componente apparentemente semplice come un condensatore, esistono diversi elementi che possono guastarsi o degradarsi. Ognuno di questi elementi può influenzare il comportamento dell'inverter, sia sul lato CA che su quello CC. Per determinare l'effetto del degrado dei componenti non ideali del condensatore sul ripple di tensione introdotto ai terminali fotovoltaici, è stato simulato un inverter unipolare a ponte H PWM (Figura 2) utilizzando SPICE. I condensatori di filtro e gli induttori sono mantenuti rispettivamente a 250 µF e 20 mH. I modelli SPICE per gli IGBT sono derivati dal lavoro di Petrie et al. Il segnale PWM, che controlla gli interruttori IGBT, è determinato da un comparatore e da un circuito comparatore invertente per gli interruttori IGBT lato alto e lato basso, rispettivamente. Gli ingressi per i controlli PWM sono un'onda portante sinusoidale a 9,5 V, 60 Hz e un'onda triangolare a 10 V, 10 kHz.
- Soluzione CRE
CRE è un'impresa high-tech specializzata nella produzione di condensatori a film, focalizzata sull'applicazione dell'elettronica di potenza.
CRE offre una soluzione matura di serie di condensatori a film per inverter fotovoltaici, che comprende collegamento CC, filtro CA e snubber.
Data di pubblicazione: 01-12-2023