Lo scopo di un inverter è trasformare una tensione a forma d'onda CC in un segnale CA per immettere potenza in un carico (ad esempio la rete elettrica) a una data frequenza e con un piccolo angolo di fase (φ ≈0). Nella figura è mostrato un circuito semplificato per una modulazione di larghezza di impulso (PWM) unipolare monofase.2 (Lo stesso schema generale può essere esteso a un sistema trifase). In questo schema, un sistema fotovoltaico, che funge da sorgente di tensione continua con una certa induttanza di sorgente, viene trasformato in un segnale alternato tramite quattro interruttori IGBT in parallelo con diodi di ricircolo. 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 (di solito 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 trasformata in un segnale alternato adatto all'uso o all'immissione in rete mediante l'applicazione di varie topologie di filtri LC.
Gli inverter appartengono a un ampio gruppo di convertitori statici, che includono molti dei modelli odierni'dispositivi in grado di“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 molto comuni nelle applicazioni di automazione industriale e negli azionamenti elettrici. L'architettura e la progettazione dei diversi tipi di inverter variano a seconda dell'applicazione specifica, anche se il loro scopo principale rimane lo stesso (la conversione da corrente continua a corrente alternata).
1. Inverter autonomi e connessi alla rete
Gli inverter utilizzati nelle applicazioni fotovoltaiche si dividono storicamente in due categorie principali:
:Inverter autonomi
:Inverter connessi alla rete
Gli inverter autonomi sono indicati per le applicazioni in cui l'impianto fotovoltaico non è collegato alla rete di distribuzione elettrica principale. 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, consentendo di resistere a situazioni di sovraccarico temporaneo. In questo caso, l'inverter è abbinato a un sistema di accumulo a batteria per garantire un'alimentazione energetica costante.
Gli inverter connessi alla rete, d'altra parte, sono in grado di sincronizzarsi con la rete elettrica a cui sono collegati perché, in questo caso, tensione e 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 di impulso (PWM) monofaseconfigurazione dell'inverter. Gli interruttori IGBT, insieme al filtro di uscita LC, modellano il segnale di ingresso CC in un segnale CA utilizzabile. Questo induce unondulazioni di tensione dannose attraverso i terminali fotovoltaici. Il busIl condensatore viene dimensionato in modo da ridurre questa ondulazione.
Il funzionamento degli IGBT introduce una tensione di ondulazione sul terminale dell'array 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 I-V per estrarre la massima potenza. Un'ondulazione di tensione sui terminali fotovoltaici farà oscillare la potenza estratta dal sistema, con conseguente
una potenza media inferiore (Figura 3). Un condensatore viene aggiunto al bus per livellare l'ondulazione della 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 di uscita dell'array, in modo che la potenza di uscita media sia inferiore al MPP nominale.
L'ampiezza (picco-picco) dell'ondulazione di tensione è determinata dalla frequenza di commutazione, dalla tensione fotovoltaica, dalla capacità del bus e dall'induttanza del filtro secondo le seguenti formule:
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 il flusso di carica attraverso il condensatore durante la carica e quindi scarica l'energia presente 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 fluisce 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 vi è una resistenza serie equivalente (ESR) in serie con la capacità. Infine, il condensatore immagazzina parte dell'energia nel campo magnetico, quindi vi è un'induttanza serie equivalente (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 molteplici elementi che possono guastarsi o degradarsi. Ciascuno di questi elementi può influenzare il comportamento dell'inverter, sia sul lato AC che su quello DC. Per determinare l'effetto del degrado di componenti condensatori non ideali sull'ondulazione di tensione introdotta ai terminali fotovoltaici, è stato simulato un inverter a ponte H unipolare PWM (Figura 2) utilizzando SPICE. I condensatori e gli induttori di filtro sono mantenuti rispettivamente a 250 µF e 20 mH. 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 di lato alto e di lato basso, rispettivamente. L'ingresso per i controlli PWM è costituito da un'onda portante sinusoidale di 9,5 V, 60 Hz e da un'onda triangolare di 10 V, 10 kHz.
- Soluzione CRE
CRE è un'azienda high-tech specializzata nella produzione di condensatori a film, con particolare attenzione alle applicazioni nell'elettronica di potenza.
CRE offre una soluzione consolidata di condensatori a film per inverter fotovoltaici, che include circuito di collegamento in corrente continua, filtro in corrente alternata e circuito di smorzamento.
Data di pubblicazione: 1° dicembre 2023