Energia Solare Fotovoltaica

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1 Energia Solare Fotovoltaica Sezione 3 L Inverter Corso di ENERGETI A.A. 2011/2012 Docente: Prof. Renato Ricci Dipartimento di Ingegneria Industriale e Scienze Matematiche

2 INVERTER (1) CONVERTITORI STATICI Dispositivi di potenza per la conversione di grandezze elettriche, come tensione e frequenza Convertitori Statici / Raddrizzatori ed alimentatori Convertitori Statici / Chopper Convertitori Statici / Inverter Convertitori Statici / Cicloinverter Gli INVERTER fanno più genericamente parte di una famiglia di dispositivi elettrici chiamati CONVERTITORI STATICI, ossia un sistema che converte una grandezza elettrica come la tensione o la frequenza. Più precisamente l inverter ha lo scopo di convertire la tensione continua proveniente dal generatore fotovoltaico in una tensione alternata avente le caratteristiche della rete elettrica alla quale lo stesso è connesso (BT-Bassa tensione o MT-Media Tensione). La quasi totalità degli inverter opera in Bassa Tensione, Monofase (230 Vac) o Trifase (400Vac), con una frequenza di rete di 50 [Hz] oppure ad alta frequenza, con l interposizione di un trasformatore idoneo. Oltre alla conversione della tensione in realtà gli inverter per applicazioni fotovoltaiche hanno una particolarità, ossia quella di essere dotati di un sistema di inseguimento della massima potenza (MPPT: Maximum Power Point Tracking). L inseguimento viene realizzato mediante un circuito ad impedenza variabile che adatta il carico alle condizioni di generazione di energia fotovoltaica, ciò garantisce che il modulo FV operi sempre in condizioni di massima potenza anche al variare dell irraggiamento solare e/o della temperatura ambiente.

3 INVERTER (2) I primi Inverter utilizzati per la connessione di impianti fotovoltaici alla rete elettrica di trasporto utilizzavano un circuito a ponte di TIRISTORI (pressoché equivalente al diodo con la sola differenza che la conduzione diretta avviene solamente in seguito all'applicazione di un opportuno segnale di innesco su un terzo terminale denominato gate ). Ogni coppia di tiristori riceve un impulso di trigger sincronizzato con la frequenza di rete; tale frequenza viene fornita dalla stessa rete a cui il sistema è collegato. Quando un segnale di comando viene fornito al gate il tiristore va in conduzione e lascia passare corrente continua; grazie alla durata limitata del segnale la tensione di uscita dal tiristore sarà un onda quadra alternata che non risulta necessariamente in fase con la tensione di rete. La presenza dell onda quadra alternata risulta fortemente distorta rispetto all onda sinusoidale ed evidenzia la presenza di armoniche che devono comunque rimanere comprese all interno dei limiti imposti dalle norme IEC e IEC La limitazione delle armoniche viene assicurata dalla presenza di filtri in uscita e di circuiti compensatori. Attualmente esistono Inverter AUTOREGOLANTI che, in funzione della tensione di lavoro, utilizzano dispositivi di potenza come MOSFET, Tiristori o IGBT. Tutti questi componenti vengono fatti operare a frequenza elevata, più elevata rispetto alla frequenza di rete, ed approssimano l onda sinusoidale grazie ad un treno di impulsi a durata variabile (Metodo PWM-Pulse Wave Modulation). La frequenza di modulazione dei componenti di potenza è compresa fra 10 e 100 [khz] e, comunque, è necessario un filtro a valle per conferire all onda dell inverter la forma richiesta. + Vcc Vac - Vcc t

4 INVERTER (3) A valle dell Inverter può essere posizionato un trasformatore operante alla frequenza di rete (50 Hz), in questo modo la tensione di uscita viene adattata alla tensione di rete. Chiaramente la presenza del trasformatore riduce le interferenze elettromagnetiche ma aumenta le perdite del sistema ed il costo e peso globali del sistema. Un alternativa può essere quella di utilizzare dei trasformatori ad alta frequenza (10-50 khz) che portano a minori perdite di potenza sebbene il circuito interno del sistema sia più complicato. In caso di piccoli impianti vengono evitati i trasformatori ma in questo caso la tensione di lavoro del generatore fotovoltaico deve essere molto più alta del massimo valore della tensione di rete; se questa condizione non viene garantita dal Generatore bisogna aggiungere in cascata un convertitore Step-Up DC-DC (è un convertitore DC- DC con una tensione di uscita maggiore dell'ingresso). L Inverter, come detto, adegua la frequenza e sincronizza la tensione a quella di rete ai fini della messa in parallelo con la rete stessa e si disattiva automaticamente (Stand-By) in mancanza della rete o se i valori di tensione e di frequenza escono dai limiti prestabiliti Vcc - Vcc Vcc Vac L1 Vac N t

5 INVERTER (4) Nella scelta dell Inverter bisogna tenere conto dei seguenti criteri: 1. La potenza massima del generatore FV deve essere inferiore alla potenza massima consentita dall Inverter, ma quanto più prossima ad essa; 2. La massima tensione a vuoto del generatore FV, che avviene alla minima temperatura, non deve superare la massima tensione in ingresso tollerata dall inverter. 3. La minima tensione MPP del generatore FV, valutata alla massima temperatura di esercizio, deve essere superiore alla minima tensione di funzionamento MPPT dell Inverter Massima Corrente in ingresso tollerata dall Inverter I Curva a temperatura Massima del generatore FV Curva a temperatura Minima del generatore FV 4. La massima tensione MPP del generatore FV, valutata alla minima temperatura deve essere inferiore alla massima tensione MPPT dell Inverter 5. La massima corrente MPP del generatore FV deve essere inferiore della massima corrente tollerata in ingresso dall inverter. Massima tensione a vuoto del generatore FV Massima tensione in ingresso tollerata dall Inverter Minima tensione MPPT dell Inverter Minima tensione a vuoto MPP del generatore FV Massima tensione a vuoto MPP del generatore FV V Massima tensione MPPT dell Inverter

6 Tipologie Progettuali (1) Sistemi con un inverter centralizzato con bassa tensione nominale Si parla della tensione lato continua. La bassa tensione (Vcc 120[V]) si ottiene connettendo pochi moduli in serie a formare una stringa (normalmente da 3 a 5 moduli di dimensioni standard). Uno dei vantaggi di stringhe così corte è dato dalla minimizzazione dell effetto di riduzione della potenza complessiva in caso di ombreggiamento parziale di un modulo. In questo caso la corrente della stringa diventa uguale a quella del modulo che produce di meno, ma la riduzione sul totale non è elevata. Lo svantaggio principale di tale concezione è l elevato valore delle correnti in gioco a causa del parallelo tra un maggior numero di stringhe nel quadro di campo. Diventa necessario utilizzare cavi di sezione relativamente grande per mantenere le perdite ohmiche entro valori accettabili. Salvo casi particolari stabiliti dalla norma CEI 64, inoltre, il limite dei 120[Vcc] o dei 50[Vac] corrisponde alla tensione di contatto limite convenzionale, entro la quale è possibile realizzare sistemi a bassissima tensione di sicurezza (SELV Safety Extra Low Voltage) o a bassissima tensione di protezione (PELV Protective Extra Low Voltage) per i quali non è richiesta una protezione contro i contatti indiretti. SI ricorda che in un sistema SELV o PELV viene richiesta la presenza di un trasformatore di sicurezza verso la rete, cioè un isolamento doppio rinforzato fra gli avvolgimenti, oppure uno schermo collegato a terra (solo nei PELV) Sistemi con un inverter centralizzato con tensione nominale medio-alta Il vantaggio di queste configurazioni sta nella possibilità di utilizzare cavi di sezione ridotta, grazie alla presenza di correnti di entità contenuta. Lo svantaggio, legato al maggior numero di moduli da connettere in serie, risiede nelle maggiori perdite di energia nel caso di ombreggiamento parziale di un modulo. In questo caso la riduzione della corrente prodotta dalla stringa (il modulo che riceve meno radiazione è quello che determina la corrente dell intera stringa) è una quantità importante della totale. Ovviamente l adozione di un sistema MonoInverter richiede l utilizzo di moduli FV dello stesso tipo altrimenti sarebbe impossibile fare operare il sistema in condizioni di massima potenza, visto che il valore di FF potrebbe differire all interno del campo o della stessa stringa. Impianto Mono Inverter

7 Tipologie Progettuali (2) Il concetto di più inverter connessi con modalità Master Slave Impianti FV di taglia superiore spesso utilizzano due o tre inverter che si ripartiscono la potenza prodotta. Uno di essi è il master ossia l elemento al quale è assegnata la priorità e che funziona da solo in caso di basso irraggiamento. Quando cresce la radiazione incidente, fino al punto in cui la potenza prodotta supera quella massima dell inverter master, entra in gioco automaticamente l inverter successivo. Al fine di suddividere equamente il carico di lavoro, il ruolo di master viene assegnato alternativamente ai diversi inverter, secondo cicli specifici. Il vantaggio di questa configurazione sta nel fatto che, anche con basso irraggiamento, il gruppo di conversione lavora con efficienza elevata. Cosa che non accadrebbe utilizzando un unico inverter costretto a lavorare con potenze ben inferiori della nominale. Il sistema diventa però più costoso. Il concetto della conversione di sotto-campo e di stringa Nel caso in cui il sistema sia composto da sotto-campi o da stringhe con diverse inclinazioni e/o con diversi profili di ombreggiamento e/o con diversi orientamenti si utilizza un inverter dedicato per ognuna di tali configurazioni. In questo modo si ottengono rese superiori rispetto ad un inverter centralizzato per merito dei singoli dispositivi MPPT. Il costo di impianto aumenta. A stringhe molto lunghe corrispondono maggiori perdite in caso di ombreggiamento parziale di uno o più moduli: il modulo che riceve meno radiazione solare è quello che determina la corrente dell intera stringa. Per impianti di potenza inferiore a 10 [kw] si può utilizzare una soluzione con un solo inverter dotato però di più ingressi in continua assistiti da MPPT separati. Una particolare attenzione andrà dedicata nella scelta, per ogni stringa, di moduli aventi stessa tolleranza elettrica. Impianto con Inverter di Stringa

8 Tipologie Progettuali (3) Moduli con inverter dedicato La situazione ottimale per ottenere un elevata efficienza dalla conversione (da radiazione solare ad energia elettrica con forma d onda alternata sinusoidale) realizzata con l accoppiamento tra modulo fotovoltaico e inverter sarebbe quella di far lavorare ogni modulo continuamente al suo punto di massima potenza. Questo si ottiene accoppiando un inverter ad ogni modulo ottenendo delle unità modulo-inverter, anche chiamate moduli in corrente alternata. In alcuni casi i dispositivi per la trasformazione del segnale in alternata sono così piccoli da poter essere inseriti direttamente nella scatola di giunzione del modulo. Un altro vantaggio di questa configurazione è la semplicità con cui il sistema può essere ampliato in una fase successiva a quella di installazione. Questa soluzione ha, al momento, i difetti del costo più elevato e della minore efficienza nella conversione del segnale. Inverter di STRINGA Moduli AC

9 Tipologie Progettuali (4) CONNESSIONE ALLA RETE ELETTRI DELL INVERTER Il collegamento alla rete elettrica di Bassa Tensione può essere MONOFASE o TRIFASE ed è regolamentato dalla norma CEI 11-20;V1. La connessione MONOFASE è possibile solo fino ad una potenza massima NOMINALE dell Inverter inferiore a 6 [kw] (10 [kw] in accordo con il gestore della rete). Per potenze superiori deve essere adottata una soluzione TRIFASE. 1. Per impianti FV fino a 2-3 [kw] si dividono i moduli in 2-3 stringhe che vengono connesse direttamente ad un INVERTER MONOFASE. 2. Per impianti FV fino a 6 [kw] si utilizza un solo inverter monofase di tipo multistringa, ossia in grado di gestire ogni singola stringa collegata in modo separato, adattandosi a MPPT diversi. 3. Per impianti di potenza maggiore di 6 [kw] l uscita è trifase e si può scegliere una soluzione a mono-inverter o multiinverter. Quest ultima soluzione è in genere preferita fino a potenza di diverse centinaia di chilowatt ed il TRIFASE è ottenuto collegando più inverter monofase ad un trasformatore di uscita trifase. Il trasformatore di N L1 L2 L3 uscita può essere evitato se gli inverter hanno una potenza complessiva non superiore a 20 [kw]. Quando l inverter è collegato ad una rete di MEDIA TENSIONE, tramite una cabina di trasformazione utente, la separazione dalla rete pubblica è garantita dal trasformatore di MT/BT e non è così necessario che gli Inverter dispongano di un proprio Rete di BT trasformatore di separazione verso la rete.

10 Sistemi connessi alla rete di Media Tensione In questo caso l inverter si presenta in configurazione rack dove più unità di conversione statica sono accoppiate in parallelo sullo stesso bus. In genere vengono usati inverter PWM ad alta frequenza e, pertanto, è necessario schermare opportunamente gli stessi con dei filtri EMI, onde evitare l immissione di disturbi elettromagnetici nelle apparecchiature poste nelle vicinanze. Gli inverter sono privi di trasformatore in quanto dopo la stazione di SEZIONAMENTO viene inserito un trasformatore generale di innalzamento della tensione da BT a MT. Tipologie Progettuali (5)

11 Scelta dell Inverter (1) Il rendimento di un inverter cambia al variare della potenza di lavoro, ossia al mutare delle condizioni ambientali. Gli inverter dotati di trasformatore di separazione operante a frequenza di rete hanno un andamento dell efficienza come quello riportato in figura, diversamente, i sistemi senza trasformatore o con trasformatore ad alta frequenza presentano un efficienza maggiore ma il picco è più marcato. Per ottenere un valore di efficienza significativo bisognerebbe ipotizzare un diagramma temporale della potenza rilasciata dal generatore FV e calcolarsi il rendimento medio equivalente annuo. Su questa idea si fonda il concetto di RENDIMENTO EUROPEO, solo che le gli andamenti delle potenze sono stati desunti dall irraggiamento solare del Centro Europa, inferiore a quello presente alle nostre latitudini. Il progettista può a sua discrezione costruirsi un grafico di irraggiamento dedicato alla località di progetto. Il rendimento europeo si determina in base alle efficienze a carico parziale dell inverter: η = 0.03 η η η η η η euro 5% 10% 20% 30% 50% 100%

12 Scelta dell Inverter (2) La potenza massima in ingresso di un inverter è funzione della potenza nominale del generatore fotovoltaico; quest ultima può essere raggiunta o, in qualche caso, superata, in funzione della località di progetto. Si ricorda che la potenza nominale del generatore si ottiene solo quando le condizioni di lavoro sono STANDARD, ossia Irraggiamento di 1000 [W/mq], temperatura aria 25 gradi e temperatura cella di 25 gradi); per valori più alti di irraggiamento la potenza del generatore diventa maggiore di quella nominale. Da queste considerazioni è pratica comune scegliere la potenza di ingresso dell Inverter nel modo seguente: Per progetti ricadenti in località del NORD ITALIA la potenza dell Inverter è pari al 90-95% della potenza nominale del generatore FV, in quanto per la maggior parte del tempo l inverter lavora a potenza ridotta. Si scende anche al 85% per impianti con esposizione non ottimale o su facciata verticale. Per progetti dedicati al CENTRO e SUD dell ITALIA l Inverter viene sovradimensionato scegliendo una potenza di ingresso pari al % della potenza nominale del generatore FV. Per quanto riguarda la scelta delle tensioni in ingresso all Inverter possiamo adottare i seguenti criteri: 1. La massima tensione a vuoto del generatore FV, che si ottiene alla minima temperatura ambiente, deve essere inferiore alla massima tensione di ingresso dell inverter. Se ciò non accade l inverter sarà irrimediabilmente danneggiato. 2. La minima tensione MPP del generatore, raggiunta per T amb =70 gradi ed irraggiamento di 1000 [W/m 2 ], deve essere superiore alla minima tensione MPPT dell inverter; se ciò non accade l inverter va in Stand-by. 3. La massima tensione MPP del generatore, raggiunta per T amb =-10 gradi ed irraggiamento di 1000 [W/m 2 ], deve essere inferiore alla massima tensione MPPT dell inverter; se ciò non accade l inverter va in Stand-by. 4. La massima corrente MPP del generatore sia inferiore alla massima corrente sopportata dall Inverter. Il grado di protezione di un inverter è sempre maggiore o uguale a IP54, per installazioni all aperto o in ambienti polverosi ed umidi è preferibile un grado di protezione IP65. La portata di aria del ventilatore all interno del quadro contenente l inverter deve essere maggiore di: V (1 ηinv ) 3 = 3.5 nom [ / ] η ( T T ) P m h inv i e Ti = Temperatura Aria Interna al quadro Te = Temperatura Aria esterna al quadro P = Potenza elettrica nominale inverter [ W] nom

13 Grandezze caratteristiche di un Inverter 1. Potenza massima del generatore FV (Wp) 2. Range di tensione MPPT (V) 3. Tensione massima di Ingresso (V) 4. Potenza Nominale (W) 5. Numero di Fasi (1 o 3) 6. Variazione della tensione di uscita (%) (in genere ±20 %) 7. Massima efficienza (%) 8. Assorbimento in stand-by (W) 9. Distorsione Armonica (%) (in genere < 3%) 10. Varistori in Ingresso (Si-No) 11. Diodi di Blocco Interni (Si-No) 12. Controllo dell isolamento sul lato (Si-No-OPZ) 13. Protezioni di Interfaccia (Si-No) 14. Separazione Galvanica (Traformatore Bassa Frequenza, Trasformatore Alta Frequenza, Senza trasformatore) 15. Codice Contenitore (IP ) 16. Ingresso Stringhe (M-Morsetti, C-Connettori) 17. Parallelo Stringhe (No, Si e numero di stringhe e numero di ingressi MPPT) 18. Range di temperatura di esercizio (in genere da -10 a +60 gradi) 19. Livello acustico (db) 20. Ventilazione (Naturale o Forzata) 21. Dimensioni 22. Peso (kg) 23. Rispetta o meno le norme DK Certificazioni (CEI11-20, DK5940, EN50081, EN61000, EMC, VDE,..) 25. Garanzia (numero di anni, in genere 5) 26. Estensione della garanzia (numero di anni, in genere 10 o 20 anni)

14 Gradi di Protezione La protezione di un pannello fotovoltaico è in genere IP65, quella di un Inverter da esterno è almeno IP54.

15 Cavi elettrici non solari In precedenza è stato affrontato il problema della scelta dei cavi elettrici per la connessione dei moduli fotovoltaici; è emerso a tal proposito la necessità di individuare una particolare categoria, quella dei VI SOLARI, in grado di rispondere ad i requisiti di alta temperatura operativa, forte irraggiamento ultravioletto e lunga durata. Dai QUADRI di MPO in poi le condizioni operative sono meno stringenti e si può così operare con cablaggi standard; rimane però una suddivisione: 1. dai quadri di campo all inverter si utilizzano cavi elettrici per corrente continua 2. dall inverter in poi si utilizzano cavi elettrici per corrente alternata. I cavi elettrici di bassa tensione sono costruiti per i seguenti valori della tensione verso terra, U 0, e della tensione nominale, U: 300/300 [V], 300/500 [V], 450/750 [V] e 0.6/1 [kv]. Dove U 0 è la tensione fra un cavo e la terra mentre U è la tensione fra cavo e cavo. Essi possono essere isolati in PVC, in tal caso la temperatura massima a regime è di 70 gradi, o in EPR o in XLPE, in tal caso la temperatura massima è di 90 gradi. Quest ultimo tipo di isolamento viene in genere adottato per potenze dell ordine delle decine o centinaia di chilowatt. Per circuiti di comando, segnalazione, misura, illuminazione, prese, ecc.., il cavo in PVC è il più conveniente; mentre per la scelta del voltaggio è frequente l uso del tipo 450/750 e, in caso di forza motrice o generatori FV ad alta tensione di stringa si sceglie lo 0.6/1 [kv]. Per la posa interrata sono adatti solo i cavi con guaina e con tensione nominale di 0.6/1 [kv]. In corrente continua la tensione del sistema elettrico NON DEVE SUPERARE 1.5 VOLTE la tensione nominale dei cavi; di conseguenza: 1. nei SISTEMI ISOLATI o CON UN POLO A TERRA, dove la tensione verso terra è uguale alla tensione nominale (U 0 =U) a) i cavi con tensione nominale (450/750) sono idonei per impianti FV fino a 1.5x450=675 Vcc b) I cavi con tensione nominale (0.6/1 kv) sono idonei per impianti FV fino a 1.5x600=900 Vcc 2. Nei SISTEMI CON PUNTO MEDIANO A TERRA, dove U 0 =0.5 U, si ha che: a) I cavi con tensione nominale (450/750) sono idonei fino a 1.5x750=1125 Vcc b) I cavi con tensione nominale (0.6/1 kv) sono idonei fino a 1.5x1000= 1500 Vcc.

16 Calcolo della perdita di voltaggio sui cavi CONTINUA U = R I L cc cc TRIFASE ( ϕ ϕ) U = 3 R cos + X sen I L ca MONOFASE ca ( cosϕ ϕ) U = R + X sen I L ca ca R Resistenza lineare del cavo (ohm/km) X Reattanza lineare del cavo (ohm/km) I Corrente nominale (A) L Lunghezza del cavo (km o in m) U Voltaggio (V) Condizione per impianti FV ( Ucc + Uca ) 100 < (1% 2%) U nom

17 Cavo H07RN-F unipolare a bassa tensione (450/750) Sezione conduttore (mmq) Diametro conduttore (mm) Spessore isolante (mm) Diametro esterno cavo (mm) Peso cavo (kg/km) Resistenza (ohm/km) Portata in aria libera (A) Raggio di curvatura (mm) Posa Fissa Servizio Mobile

18 Cavo H07RN-F bi e tri-polare a bassa tensione (450/750) Sezione conduttore (mmq) Diametro conduttore (mm) Spessore isolante (mm) Cavo H07RN-F bipolare a bassa tensione (450/750) Diametro esterno cavo (mm) Peso cavo (kg/km) Resistenza (ohm/km) Portata in aria libera (A) Raggio di curvatura (mm) Posa Fissa Servizio Mobile Cavo H07RN-F tripolare a bassa tensione (450/750)

19 Cavo bipolare FG7OR 0,6/1kV VO FG7OR Tensione nominale Uo/U: 0,6/1 kv Temperatura massima di esercizio: 90 C Temperatura minima di esercizio (in assenza di sollecitazioni meccaniche): -15 C Temperatura massima di corto circuito: 250 C Temperatura minima di posa: 0 C Raggio minimo di curvatura consigliato: 4 volte il diametro del cavo Massimo sforzo di trazione consigliato: 50 N/mm2 di sezione del rame 19