Principio di funzionamento degli inverter

POLITECNICO DI TORINO
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Prove sperimentali sugli inverter
durante l'esercizio
degli impianti FV
F. Spertino
[email protected]
Dip. Ingegneria Elettrica - Politecnico di Torino
Sistemi fotovoltaici in conto energia, workshop PVENAS - Torino, 16 Dicembre 2009
F.Spertino
F.Spertino
Principio di funzionamento degli inverter
¾ L’uso dei transistor ha permesso di generare f.d.o. alternate e
trasferire potenza dal lato DC al lato AC in assenza della tensione di
rete (self commutated).
¾ I transistor di potenza (MOSFET e IGBT) sono interruttori
elettronici, comandabili in chiusura ed apertura, in anticipo e in
ritardo rispetto a un segnale di riferimento che viene generato da
un “clock” interno al convertitore.
¾ È possibile generare o assorbire potenza reattiva con f.d.o. a basso
contenuto armonico rispetto agli inverter a tiristori (modulazione
PWM).
L’accoppiamento con la rete avviene:
• con o senza trasformatore
• con trasformatore in bassa o in alta frequenza
• trifase o monofase
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F.Spertino
Principio di funzionamento degli inverter
¾ Solo col trasformatore a 50 Hz si ottiene l’isolamento galvanico
(separazione elettrica tra il circuito primario e il secondario).
¾ Il trasformatore HF presenta parametri capacitivi parassiti tra
primario e secondario, che non garantiscono l’isolamento
galvanico.
¾ I trasformatori eliminano eventuali componenti continue al
secondario, pur a prezzo di una certa saturazione del nucleo ferromagnetico.
Configurazione impiantistica dell’unità di condizionamento della potenza:
9 centralizzata;
9 string inverter;
9 moduli in AC;
9 master-slave.
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Principio di funzionamento degli inverter
Le specifiche, tipiche per gli inverter “grid connected”, sono:
¾ inseguimento del punto di massima potenza (finestra MPPT);
¾ alto rendimento di conversione (η > 90% per potenze crescenti
dal 10% della nominale) e basse perdite a vuoto (P0 <1%);
¾ regolazione potenza attiva/reattiva (fattore di potenza cosϕ> 0,9);
¾ bassa distorsione armonica della corrente d'uscita (THD<5% alla
potenza nominale);
¾ capacità di limitare la potenza d'ingresso dal generatore FV
spostandone il punto di funzionamento;
¾ bassa ondulazione (ripple) sulla tensione DC;
¾ accensione e spegnimento automatici con basse soglie di
irradianza;
¾ protezione all’interfaccia con la rete.
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Principio di funzionamento degli inverter
¾ L’inverter a transistor, a differenza di quello a tiristori, può
erogare potenza attiva e reattiva in assenza della tensione di rete
e quindi...
¾ qualora venisse staccata la rete, tenderebbe a restare acceso ma,
essendo dotato di MPPT e lavorando a cosϕ≈1, sarebbe
impossibilitato a mantenere il regolare flusso di potenza
attiva/reattiva con conseguente sovra-tensione (se la potenza del
carico fosse inferiore a quella del generatore) oppure sottotensione (caso inverso).
¾ Queste perturbazioni di tensione sono prontamente rilevate dalle
protezioni di interfaccia (relé di tensione/frequenza) che
spengono l’inverter.
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Le tecnologie degli inverter
F.Spertino
Una struttura con il trasformatore a 50 Hz (senza il convertitore DC-DC)
+
VPV
inverter PWM
trasform. 50Hz
L
Crip
C
rete monofase
generatore FV
IPV
8
6
Vtr
Vsin 4
Voltage (V)
2
0
-2
-4
-6
-8
0
0,002
0,004
0,006
0,008
0,01
0,012
0,014
0,016
0,018
0,02
time (s)
m = Vsin / Vtr < 1
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Le tecnologie degli inverter
convert. PWM
L
U1
U2
ULN
+
UFV
F.Spertino
Una struttura
con il
trasformatore
in alta
frequenza
N
trasform. HF
UFV
t
U1
t
U2
t
ULN
0
T/2
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T
Principali parametri di prestazione
F.Spertino
100%
90%
¾ l'efficienza DC-AC
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
¾ il fattore di potenza
0
¾ la distorsione armonica
40
60
80
100
20
% della potenza nominale
0,8
Fattore di potenza
Dati di targa determinati
in laboratorio
20
1
16
PF
0,6
12
THD
0,4
8
0,2
4
0
0
20
40
60
80
% della potenza nominale
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0
100
Distorsione armonica di corrente in %
¾ l'efficienza MPPT
ηDC-AC
ηMPPT
70%
Rendimento
Gli inverter si confrontano
considerando soprattutto:
80%
F.Spertino
Sistema automatico di acquisizione dati (1)
Il SAAD si basa su una scheda DAQ con 12 bit di risoluzione, 8 canali
differenziali, 50 kSa/s di frequenza di campionamento per canale;
esso è verificato nel laboratorio di taratura del POLITO
Il SAAD portatile è adatto
per misure DC/AC (DFT
fino alla 50a armonica). Le
portate sono estese a
1000 Vpk e 2000 Apk con
incertezze tipiche di:
±0,1% per la tensione,
±0,5-1% per la corrente,
±0,6-1,1% per la potenza
e ±2.5% per l’irradianza
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Sistema automatico di acquisizione dati (2)
Gli strumenti virtuali realizzati in Labview comprendono: un
oscilloscopio a memoria con sistema di trigger e un data
logger multicanale
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Circuiti di misura (1)
La misura delle efficienze MPPT e DC-AC può essere effettuata con
prove a carico su inverter monofasi e trifasi
Il ripple a 100Hz è
tipico negli inverter
monofasi
Cavo schermato
+ iDC -
Array FV
DAQ
PC
PCMCIA
+ iAC -
+vDC -
Inverter
+ vAC -
Signal Conditioning
Rete 230V-50Hz
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Circuiti di misura (2)
Con gli inverter trifasi, la connessione Aron è una buona scelta per
ridurre i canali attivi
DAQ
PC
PCMCIA
cavo schermato
+
VDC
- +
ADC
-
+
V12
-
+
+
V32
--
+
A1
- +
A3
Signal conditioning
-
1
2
3
Array FV
Inverter
trifase
Rete
400 V-50 Hz
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F.Spertino
Risultati sperimentali (1)
Durante il monitoraggio giornaliero, è possibile ottenere
l’andamento della potenza per la conseguente elaborazione
(efficienze MPPT e DC-AC)
16000
14000
12000
PAC
10000
8000
1
ηDC-AC
0,8
4000
0,7
2000
0
6.00
ηMPPT
0,9
6000
7.00
8.00
Efficienza
Potenza (W)
Curve di efficienza per
un sistema da 20 kW
(periodo autunnale)
PDC
0,6
0,5
0,4
9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00
Euro eta
η E = 0,03η5% + 0,06η10% + 0,13η 20% + 0,1η30% + 0,48η50% + 0,2η100%
0,3
0,2
0,1
Eta Sud Italia
η E = 0,044η 20% + 0,12η 40% + 0,19η 60% + 0,366η80% + 0,277η100%
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Potenza (W)
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14000
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Risultati sperimentali (2)
Durante il monitoraggio giornaliero è possibile ottenere i parametri
della Power Quality per la conseguente elaborazione (PF, THD di
tensione, corrente e singole armoniche)
10,0
1
9,0
THD I
PF
0,8
7,0
0,7
6,0
0,6
5,0
0,5
4,0
0,4
3,0
0,3
2,0
0,2 2,0%
1,0
0,1
0,0
30.000
60.000
90.000
120.000
150.000
180.000
PF
THD V , THD I %
8,0
0,9
THD V
Armoniche singole di corrente
ore 14
ore 15
ore 16
0 1,5%
210.000
Pac [W]
1,0%
0,5%
0,0%
II
III
IV
V
VI
VII VIII IX
X
ordine armonico
XI
XII
XIII XIV
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XV
F.Spertino
Risultati sperimentali (3)
Con l'oscilloscopio a memoria, nell'apposito circuito di misura, si
può rilevare il tempo di funzionamento in isola ("run on time"),
conseguente allo spegnimento della tensione di rete.
DAQ integrata nel PC
PCU
Rete
=
~
matched
load
voltage among the terminals of the inverter breaker
i AC (t )
8
300
6
200
4
100
2
0
0
-100
-2
Utility
-200
-4
breaker
-300
-400
-0.06
-6
t isl = 215 ms
-0.03
0
0.03
0.06
0.09
0.12
0.15
0.18
0.21
0.24
time [s]
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-8
0.27
current [A]
PV array
400
v
voltage [V]
i
e te
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Risultati sperimentali (4)
Funzionamento
anomalo
in
condizioni di ombratura o “shading
effect”: il caso del frangisole dal lato
DC (elevato ripple e f.d.o.
deformate)…
• Riduzione dell’efficienza MPPT
120
400
20
irradianza solare: 650 W/m2 , temperatura ambiente: 32 °C
100
5
UDC
300
P(U)
I(U)
Tensione (V)
200
10
Potenza (W)
Corrente (A)
80
4
IDC
60
3
40
2
20
1
100
5
0
0
20
40
60
Tensione (V)
80
100
0
120
0
-0,01
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
Tempo (s)
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0
0,08
Corrente (A)
15
6
irradianza solare: 650 W/m2 , temperatura ambiente : 32 °C
F.Spertino
Risultati sperimentali (5)
5000
1
cosφ3
4500
0,9
4000
0,8
Potenza [W]
cosφ1
cosφ2
3500
0,7
3000
0,6
P2(t)
2500
0,5
2000
0,4
1500
0,3
P3(t)
1000
0,2
P1(t)
500
0
9.30
0,6
0,1
0
10.30
11.30
12.30
13.30
14.30
15.30
Tempo
1
PF3
PF1
0,6
0,3
THDI1
0,4
THDI2
0,2
0,2
0,1
0
9.30
THDI3
0
10.30
11.30
12.30
Tempo
13.30
14.30
15.30
Armoniche in % della fundamentale
PF2
0,4
16
0,8
Power Factor
Total Harmonic Distortion
0,5
9:50
10:15
10:25
10:35
10:45
10:55
11:05
11:15
11:20
11:35
14
12
10
8
6
4
2
0
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Ordine armonico
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Power Factor
Funzionamento anomalo in
condizioni di ombratura o
“shading effect”: il caso del
frangisole dal lato AC (f.d.o.
deformate)…
Normativa CEI
Qualche esempio di schema elettrico per connessione alla rete
(Guida CEI 82-25 del 12/2008):
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F.Spertino
Conclusioni
F.Spertino
I dati di targa degli inverter sono rilevati in laboratorio con
temperature ambientali e parametri di rete controllati.
Le prove sperimentali durante l'esercizio degli impianti FV possono
dare risultati differenti a causa di:
•
variabilità della temperatura e della ventilazione dell'ambiente;
•
irradianza superiore a 1000 W/m2;
•
parziale ombratura dell'array fotovoltaico (shading effect);
•
armoniche nella f.d.o. della tensione e/o alta impedenza di rete.
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