Prove sperimentali sugli inverter durante l'esercizio degli impianti FV
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- Edmondo Elia
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1 POLITECNICO DI TORINO Dipartimento di Ingegneria Elettrica Prove sperimentali sugli inverter durante l'esercizio degli impianti FV F. Spertino Dip. Ingegneria Elettrica - Politecnico di Torino
2 Principio di funzionamento degli inverter 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). 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. 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
3 Principio di funzionamento degli inverter Solo col trasformatore a 5 Hz si ottiene l isolamento galvanico (separazione elettrica tra il circuito primario e il secondario). Il trasformatore HF presenta parametri capacitivi parassiti tra primario e secondario, che non garantiscono l isolamento galvanico. 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: centralizzata; string inverter; moduli in AC; master-slave.
4 Principio di funzionamento degli inverter Le specifiche, tipiche per gli inverter grid connected, sono: inseguimento del punto di massima potenza (finestra MPPT); alto rendimento di conversione (η > 9% per potenze crescenti dal 1% della nominale) e basse perdite a vuoto (P <1%); regolazione potenza attiva/reattiva (fattore di potenza cosϕ>,9); bassa distorsione armonica della corrente d'uscita (THD<5% alla potenza nominale); capacità di limitare la potenza d'ingresso dal generatore FV spostandone il punto di funzionamento; bassa ondulazione (ripple) sulla tensione DC; accensione e spegnimento automatici con basse soglie di irradianza; protezione all interfaccia con la rete.
5 Principio di funzionamento degli inverter L inverter a transistor, a differenza di quello a tiristori, può erogare potenza attiva e reattiva in assenza della tensione di rete e quindi... 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). Queste perturbazioni di tensione sono prontamente rilevate dalle protezioni di interfaccia (relé di tensione/frequenza) che spengono l inverter.
6 Le tecnologie degli inverter Una struttura con il trasformatore a 5 Hz (senza il convertitore DC-DC) I PV inverter PWM trasform. 5Hz generatore FV + V PV C rip L C rete monofase 8 6 V tr V sin 4 2 Voltage (V) ,2,4,6,8,1,12,14,16,18,2 time (s) m = V sin / V tr < 1
7 Le tecnologie degli inverter + convert. PWM L U 1 U 2 U LN Una struttura con il trasformatore in alta frequenza U FV N trasform. HF U FV U 1 t t U 2 U LN t T/2 T
8 Principali parametri di prestazione 1% 9% Gli inverter si confrontano considerando soprattutto: l'efficienza MPPT Rendimento 8% 7% 6% 5% 4% 3% η MPPT η DC-AC l'efficienza DC-AC 2% 1% il fattore di potenza la distorsione armonica Dati di targa determinati in laboratorio Fattore di potenza % % della potenza nominale 2,8 PF 16,6 12 THD,4 8,2 4 Distorsione armonica di corrente in % % della potenza nominale
9 Sistema automatico di acquisizione dati (1) Il SAAD si basa su una scheda DAQ con 12 bit di risoluzione, 8 canali differenziali, 5 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 5 a armonica). Le portate sono estese a 1 V pk e 2 A pk con incertezze tipiche di: ±,1% per la tensione, ±,5-1% per la corrente, ±,6-1,1% per la potenza e ±2.5% per l irradianza
10 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
11 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 1Hz è tipico negli inverter monofasi Cavo schermato DAQ PCMCIA PC + i DC - + v DC - + i AC - + v AC - Signal Conditioning Array FV Inverter Rete 23V-5Hz
12 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 V DC + - A DC + - V 12 V 32 A 1 A Signal conditioning Array FV Inverter trifase Rete 4 V-5 Hz
13 Risultati sperimentali (1) Durante il monitoraggio giornaliero, è possibile ottenere l andamento della potenza per la conseguente elaborazione (efficienze MPPT e DC-AC) Potenza (W) P DC, ,4 P AC η =,3η + η E Euro eta 5% +,6η 1% +,13η 2% +,1η 3% +,48η 5%, 2 Eta Sud Italia η =,44η + η E 2% +,12η 4% +,19η 6% +,366η 8%, 277 1% 1% Efficienza 1,9,8,7,6,3,2,1 η MPPT Curve di efficienza per un sistema da 2 kw (periodo autunnale) η DC-AC Potenza (W)
14 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) 1, 9, 8, 7, THD V THD I PF 1,9,8,7 THD V, THD I % 6, 5, 4, 3,,6,5,4,3 PF Armoniche singole di corrente 2,,22,% 1,,1, 1,5% ore 14 ore 15 ore 16 Pac [W] 1,%,5%,% II III IV V VI VII VIII IX X XI XII XIII XIV XV ordine armonico
15 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 ete i v 4 3 i AC (t ) voltage among the terminals of the inverter breaker PV array PCU = Utility Rete voltage [V] current [A] ~ matched load breaker -3-6 t isl = 215 ms time [s]
16 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 2 irradianza solare: 65 W/m 2, temperatura ambiente: 32 C irradianza solare: 65 W/m 2, temperatura ambiente : 32 C U DC P(U) Corrente (A) 1 I(U) 2 Potenza (W) Tensione (V) 6 4 I DC 3 2 Corrente (A) Tensione (V) -,1,1,2,3,4,5,6,7,8 Tempo (s)
17 Risultati sperimentali (5) Funzionamento anomalo in condizioni di ombratura o shading effect : il caso del frangisole dal lato AC (f.d.o. deformate) Potenza [W] cosφ 2 cosφ 1 P 2 (t) cosφ 3 1,9,8,7,6,5,4 Power Factor 15 P 3 (t),3 1,2 5 P 1 (t), ,6 1 Tempo PF 3 Total Harmonic Distortion,5,4,3,2,1 PF 2 PF 1 THD I1 THD I2 THD I3,8,6,4,2 Power Factor Armoniche in % della fundamentale :5 1:15 1:25 1:35 1:45 1:55 11:5 11:15 11:2 11: Tempo Ordine armonico
18 Normativa CEI Qualche esempio di schema elettrico per connessione alla rete (Guida CEI del 12/28):
19 Conclusioni 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 1 W/m 2 ; parziale ombratura dell'array fotovoltaico (shading effect); armoniche nella f.d.o. della tensione e/o alta impedenza di rete.
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