El propòsit d'un inversor és transformar una tensió de forma d'ona de CC en un senyal de CA per tal d'injectar energia a una càrrega (per exemple, la xarxa elèctrica) a una freqüència determinada i amb un angle de fase petit (φ ≈0). A la figura es mostra un circuit simplificat per a una modulació d'amplada de pols (PWM) unipolar monofàsica.2 (el mateix esquema general es pot estendre a un sistema trifàsic). En aquest esquema, un sistema fotovoltaic, que actua com a font de tensió de CC amb certa inductància de la font, es configura en un senyal de CA a través de quatre interruptors IGBT en paral·lel amb díodes de roda lliure. Aquests interruptors es controlen a la porta mitjançant un senyal PWM, que normalment és la sortida d'un circuit integrat que compara una ona portadora (normalment una ona sinusoidal de la freqüència de sortida desitjada) i una ona de referència a una freqüència significativament més alta (normalment una ona triangular a 5-20 kHz). La sortida dels IGBT es configura en un senyal de CA adequat per al seu ús o injecció a la xarxa mitjançant l'aplicació de diverses topologies de filtres LC.
Els inversors pertanyen a un gran grup de convertidors estàtics, que inclou molts dels actuals'dispositius capaços de"convertir"paràmetres elèctrics d'entrada, com ara el voltatge i la freqüència, per tal de produir una sortida compatible amb els requisits de la càrrega.
En general, els inversors són dispositius capaços de convertir el corrent continu en corrent altern i són força comuns en aplicacions d'automatització industrial i accionaments elèctrics. L'arquitectura i el disseny dels diferents tipus d'inversors canvien segons cada aplicació específica, fins i tot si el nucli del seu propòsit principal és el mateix (conversió de CC a CA).
1. Inversors autònoms i connectats a la xarxa
Els inversors utilitzats en aplicacions fotovoltaiques es divideixen històricament en dues categories principals:
:Inversors autònoms
:Inversors connectats a la xarxa
Els inversors autònoms són per a aplicacions on la planta fotovoltaica no està connectada a la xarxa principal de distribució d'energia. L'inversor és capaç de subministrar energia elèctrica a les càrregues connectades, garantint l'estabilitat dels principals paràmetres elèctrics (tensió i freqüència). Això els manté dins de límits predefinits, capaços de suportar situacions de sobrecàrrega temporals. En aquesta situació, l'inversor s'acobla a un sistema d'emmagatzematge de bateries per tal de garantir un subministrament d'energia constant.
Els inversors connectats a la xarxa, en canvi, són capaços de sincronitzar-se amb la xarxa elèctrica a la qual estan connectats perquè, en aquest cas, el voltatge i la freqüència són"imposat"per la xarxa principal. Aquests inversors han de poder desconnectar-se si falla la xarxa principal per evitar qualsevol possible subministrament invers de la xarxa principal, que podria representar un perill greu.
- Figura 1 - Exemple de sistema autònom i sistema connectat a la xarxa. Imatge cortesia de Biblus.
2. Quin és el paper del condensador de bus
Figura 2: Modulació d'amplada polsada (PWM) monofàsicaconfiguració de l'inversor. Els interruptors IGBT, juntament amb el filtre de sortida LC, donen forma al senyal d'entrada de CC en un senyal de CA utilitzable. Això indueix unondulació de tensió nociva a través dels terminals fotovoltaics. El busEl condensador està dimensionat per reduir aquesta ondulació.
El funcionament dels IGBT introdueix una ondulació de tensió al terminal del panell fotovoltaic. Aquesta ondulació és perjudicial per al funcionament del sistema fotovoltaic, ja que la tensió nominal aplicada als terminals s'ha de mantenir al punt de màxima potència (MPP) de la corba IV per extreure la màxima potència. Una ondulació de tensió als terminals fotovoltaics farà oscil·lar la potència extreta del sistema, donant lloc a
una potència mitjana de sortida més baixa (Figura 3). S'afegeix un condensador al bus per tal de suavitzar l'ondulació de tensió.
Figura 3: Una ondulació de tensió introduïda als terminals fotovoltaics per l'esquema de l'inversor PWM desplaça la tensió aplicada fora del punt de màxima potència (MPP) del panell fotovoltaic. Això introdueix una ondulació en la potència de sortida del panell de manera que la potència de sortida mitjana és inferior a la MPP nominal.
L'amplitud (de pic a pic) de l'ondulació de tensió es determina per la freqüència de commutació, la tensió fotovoltaica, la capacitància del bus i la inductància del filtre segons:
on:
VPV és el voltatge de corrent continu del panell solar,
Cbus és la capacitància del condensador del bus,
L és la inductància dels inductors del filtre,
fPWM és la freqüència de commutació.
L'equació (1) s'aplica a un condensador ideal que impedeix que la càrrega flueixi a través del condensador durant la càrrega i després descarrega l'energia situada al camp elèctric sense resistència. En realitat, cap condensador és ideal (Figura 4), sinó que està compost per múltiples elements. A més de la capacitància ideal, el dielèctric no és perfectament resistiu i un petit corrent de fuita flueix des de l'ànode fins al càtode al llarg d'una resistència shunt finita (Rsh), evitant la capacitància dielèctrica (C). Quan el corrent flueix a través del condensador, els pins, les làmines i el dielèctric no són perfectament conductors i hi ha una resistència en sèrie equivalent (ESR) en sèrie amb la capacitància. Finalment, el condensador emmagatzema una mica d'energia al camp magnètic, de manera que hi ha una inductància en sèrie equivalent (ESL) en sèrie amb la capacitància i l'ESR.
Figura 4: Circuit equivalent d'un condensador genèric. Un condensador éscompost per molts elements no ideals, incloent-hi la capacitància dielèctrica (C), una resistència shunt no infinita a través del dielèctric que evita el condensador, la resistència en sèrie (ESR) i la inductància en sèrie (ESL).
Fins i tot en un component aparentment tan simple com un condensador, existeixen múltiples elements que poden fallar o degradar-se. Cadascun d'aquests elements pot afectar el comportament de l'inversor, tant al costat de CA com al de CC. Per tal de determinar l'efecte que la degradació dels components del condensador no ideal té sobre l'ondulació de tensió introduïda als terminals fotovoltaics, es va simular un inversor de pont H unipolar PWM (Figura 2) mitjançant SPICE. Els condensadors de filtre i els inductors es mantenen a 250 µF i 20 mH, respectivament. Els models SPICE per als IGBT es deriven del treball de Petrie et al. El senyal PWM, que controla els interruptors IGBT, es determina mitjançant un comparador i un circuit comparador inversor per als interruptors IGBT del costat alt i baix, respectivament. L'entrada per als controls PWM és una ona portadora sinusoidal de 9,5 V i 60 Hz i una ona triangular de 10 V i 10 kHz.
- Solució CRE
CRE és una empresa d'alta tecnologia especialitzada en la producció de condensadors de pel·lícula, centrada en l'aplicació de l'electrònica de potència.
CRE ofereix la solució madura de la sèrie de condensadors de pel·lícula per a inversors fotovoltaics que inclouen enllaç de corrent continu, filtre de corrent altern i amortidor.
Data de publicació: 01-12-2023