Lo scopo di un inverter è trasformare una tensione con forma d'onda CC in un segnale CA per iniettare potenza in un carico (ad esempio la rete elettrica) ad una determinata frequenza e con un piccolo angolo di fase (φ≈0).Un circuito semplificato per una modulazione di larghezza di impulso (PWM) unipolare monofase è mostrato in Figura2 (lo stesso schema generale può essere esteso ad un sistema trifase).In questo schema, un sistema fotovoltaico, che agisce come una sorgente di tensione CC con una certa induttanza della sorgente, viene modellato in un segnale CA attraverso quattro interruttori IGBT in parallelo con diodi a ruota libera.Questi interruttori sono controllati al gate tramite un segnale PWM, che in genere è l'uscita di un circuito integrato che confronta un'onda portante (solitamente un'onda sinusoidale della frequenza di uscita desiderata) e un'onda di riferimento a una frequenza significativamente più alta (tipicamente un'onda triangolare a 5-20kHz).L'uscita degli IGBT è modellata in un segnale AC adatto per l'uso o l'iniezione in rete attraverso l'applicazione di varie topologie di filtri LC.
Gli inverter appartengono ad un ampio gruppo di convertitori statici, che comprende molti di quelli attuali's dispositivi in grado di farlo“convertire"parametri elettrici in ingresso, come tensione e frequenza, in modo da produrre un'uscita 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 diffusi nelle applicazioni di automazione industriale e negli azionamenti elettrici.L'architettura e il design dei diversi tipi di inverter cambiano a seconda dell'applicazione specifica, anche se il nucleo del loro scopo principale è lo stesso (conversione da CC a CA).
1.Inverter autonomi e collegati alla rete
Gli inverter utilizzati nelle applicazioni fotovoltaiche si dividono storicamente in due categorie principali:
:inverter autonomi
:Invertitori connessi alla rete
Gli inverter standalone sono destinati alle applicazioni in cui l'impianto fotovoltaico non è collegato alla rete principale di distribuzione dell'energia.L'inverter è in grado di fornire energia elettrica ai carichi collegati, garantendo la stabilità dei principali parametri elettrici (tensione e frequenza).Ciò li mantiene entro limiti predefiniti, in grado di resistere a situazioni temporanee di sovraccarico.In questa situazione, l'inverter è accoppiato con un sistema di accumulo a batteria per garantire un approvvigionamento energetico costante.
Gli inverter connessi alla rete, invece, sono in grado di sincronizzarsi con la rete elettrica a cui sono collegati perché, in questo caso, tensione e frequenza sono“imposto"dalla griglia principale.Questi inverter devono potersi disconnettere in caso di guasto della rete principale per evitare ogni 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 gentilmente concessa da Biblus.
2.Qual è il ruolo del condensatore del bus
Figura 2: Modulazione di ampiezza pulsata (PWM) monofaseconfigurazione dell'inverter.Gli interruttori IGBT, insieme al filtro di uscita LC, modellano il segnale di ingresso CC in un segnale CA utilizzabile.Ciò induce aondulazione deleteria della tensione sui terminali FV.Il busil condensatore è dimensionato in modo da ridurre tale ondulazione.
Il funzionamento degli IGBT introduce una tensione di ripple sul terminale del campo fotovoltaico.Questa ondulazione è deleteria 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 FV farà oscillare la potenza estratta dal sistema, risultando in
una potenza media inferiore (Figura 3).Viene aggiunto un condensatore 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) dell'array fotovoltaico.Ciò introduce un'ondulazione nella potenza in uscita dell'array in modo che la potenza in uscita media sia inferiore all'MPP nominale
L'ampiezza (da picco a 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 situata nel campo elettrico senza 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 scorre dall'anodo al catodo lungo una resistenza di shunt finita (Rsh), bypassando la capacità dielettrica (C).Quando la corrente scorre attraverso il condensatore, i pin, le lamine e il dielettrico non sono perfettamente conduttori e c'è una resistenza in serie equivalente (ESR) in serie con la capacità.Infine, il condensatore immagazzina una certa energia nel campo magnetico, quindi c'è un'induttanza in serie equivalente (ESL) in serie con la capacità e l'ESR.
Figura 4: Circuito equivalente di un generico condensatore.Un condensatore lo ècomposto da molti elementi non ideali, tra cui capacità dielettrica (C), una resistenza di shunt non infinita attraverso il dielettrico che bypassa il condensatore, resistenza in serie (ESR) e induttanza in serie (ESL).
Anche in un componente apparentemente semplice come un condensatore, esistono molteplici elementi che possono guastarsi o degradarsi.Ognuno di questi elementi può influenzare il comportamento dell'inverter, sia lato AC che lato DC.Per determinare l'effetto che il degrado dei componenti non ideali del condensatore ha sull'ondulazione di tensione introdotta attraverso i terminali FV, è stato simulato un inverter PWM unipolare a ponte H (Figura 2) utilizzando SPICE.I condensatori di filtro e gli induttori sono mantenuti rispettivamente a 250μF e 20mH.I modelli SPICE per gli IGBT derivano 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 high e low-side, rispettivamente.L'ingresso per i controlli PWM è un'onda portante sinusoidale da 9,5 V, 60 Hz e un'onda triangolare da 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 la soluzione matura di serie di condensatori a film per inverter fotovoltaici che includono collegamento CC, filtro CA e soppressore.
Orario di pubblicazione: 01-dic-2023