V - Convertitori statici

Sono dispositivi elettronici in grado di convertire grandezze elettriche come tensione e corrente di un circuiti in valore e/o forma. Nelle applicazioni fotovoltaiche i convertitori statici che sono maggiormente usati sono gli inverter. Sono dei particolari convertitori statici in grado di convertire la corrente continua in corrente alternata. Anche se in linea di massima gli inverter per applicazioni fotovoltaiche hanno lo stesso principio di funzionamento degli inverter per uso industriale,molto spesso si presentano con caratteristiche e funzionalità proprie. Negli impianti grid-connected la tensione continua da convertire è quella del generatore fotovoltaico mentre negli impianti isolati è quella presente al nodo generatore-batteria di accumulatori. Vi sono varianti di tali dispositivi che hanno l’idoneità a lavorare sia in isola che in parallelo alla rete,in questo modo se si verifica una sovrapproduzione energetica o le batterie di accumulatori raggiungono il minimo,il dispositivo consente una cessione o un assorbimento di energia dalla rete. Attualmente in commercio è possibile trovare inverter che vanno da qualche centinaio di watt a qualche centinaio di kilowatt. L’inverter si suddivide in sezioni che svolgono le principali funzioni e sono:

-Maximum Power Point Tracker (MPPT),dispositivo che ha lo scopo di individuare istante per istante il punto sulla caratteristica I-V del generatore fotovoltaico in cui risulta massimo il trasferimento energetico alle utenze a valle. Tale punto è rappresentato sulla caratteristica I-V dall’intersezione tra la caratteristica del generatore e l’iperbole di equazione I*V. Nei moderni dispositivi MPPT una delle tecniche per individuare il punto di massima potenza è quello di provocare,a intervalli regolari,piccole variazioni di carico che si traducono in spostamenti dei valori di tensione e corrente i quali daranno un nuovo prodotto I*V. Se si registra un aumento si continua procedendo allo stesso modo,se si registra

una diminuzione si provocano variazioni di carico di segno opposto e si adotta lo stesso criterio di ricerca.

Punto di massima potenza

per un generatore fotovoltaico

-Ponte di conversione,è il punto nevralgico del convertitore dove avviene il passaggio da corrente continua a corrente alternata,utilizzando dispositivi semiconduttori pilotati. Tali dispositivi semiconduttori sono in genere:transistor bipolari;transistor Darlington;tiristori;MOSFET;IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). I transistor bipolari (o BJT) sono i più diffusi nel campo elettronico e sono costituiti da tre strati di materiale semiconduttore drogato in modo da avere una doppia giunzione p-n;il transistor Darlington è un transistor composto da due BJT posti in cascata;i tiristori sono

dispositivi di potenza elettricamente uguali ai diodi con la differenza che la conduzione diretta avviene solo dopo aver applicato un opportuno innesco ad un terzo terminale detto gate. Sono costituiti da quattro strati di materiale semiconduttore avente drogaggio p-n-p-n;il MOSFET è un particolare transistor di potenza costituito da un condensatore costituito da tre strati di materiali diversi,affiancati da due terminali detti source e drain. Il condensatore è composto da due elettrodi detti substrato (in materiale semiconduttore drogato) e gate (in materiale conduttore) separati da un sottile strato di isolante detto ossido di gate. I terminali di source e drain sono anch’essi costituiti da materiale semiconduttore drogato anche se in modo opposto al substrato;l’IGBT è un particolare transistor di potenza che possiede caratteristiche elettriche simili all’unione di un BJT e un MOSFET. Nei moderni inverter, i MOSFET e gli IGBT sono i dispositivi più usati anche se per inverter di grande potenza i tiristori trovano ancora larga applicazione.

Schema di principio di un ponte di conversione

Nello schema di principio sono evidenziati i quattro dispositivi semiconduttori comandati (I1-I2-I3-I4). Il principio di funzionamento consiste nel comandare le coppie diagonali di dispositivi con sequenze di impulsi controllati,ciò vuol dire che quando la coppia I1-I4 è in conduzione la coppia I2-I3 sarà interdetta e viceversa; in questo modo si ottiene la conversione da corrente continua a corrente alternata. La commutazione del ponte può avvenire alla tensione di rete o ad una frequenza maggiore;nel primo caso si avrà un segnale ad onda quadra mentre nel secondo un segnale che si può approssimare ad una forma sinusoidale utilizzando il sistema PWM. Il filtro presente all’uscita del ponte di conversione ha lo scopo di controllare l’ampiezza massima desiderata delle armoniche uscenti.

-Trasformatore (opzionale),ha una duplice funzione:quella di adeguare la tensione di uscita dal ponte con la tensione richiesta dal carico e quella di separazione galvanometrica tra generatore fotovoltaico e l’utenza.

-Protezione di massima corrente,avviene all’interno dell’inverter sezionando i contatti di potenza quando viene superata una determinata soglia di corrente. In genere ogni macchina possiede anche un dispositivo di protezione magneto-termico preposto alla protezione dell’inverter stesso.

-Protezioni di interfaccia con la rete elettrica,si effettuano con dei dispositivi che disconnettono automaticamente l’impianto fotovoltaico dalla rete quando i valori di tensione e frequenza rilevati differiscono da quelli nominali oppure quando vi sono disfunzioni della rete come ad esempio avviene un’interruzione della fornitura energetica.

Inverter per impianti stand-alone

Questi dispositivi sono costituiti dal ponte di conversione e da un regolatore che mantiene costanti i valori di tensione e frequenza d’uscita. Dopo lo stadio di conversione c’è quello di filtraggio delle armoniche ed infine quello delle protezioni.

Schema a blocchi di un inverter per applicazioni

stand-alone

Inverter per impianti grid-connected

In questi dispositivi è sempre presente la funzione MPPT e la macchina deve poter variare la propria impedenza di ingresso

per poter assumente quella ottimale per ottenere il massimo trasferimento di potenza. Questa funzione è svolta da un primo ponte di conversione comandato dall’unità di controllo;è molto importante che il ponte non dia eccessive variazioni nell’assorbimento di corrente per questo motivo c’è una prima zona di filtraggio lato continua. Un secondo ponte di conversione sincronizzato alla frequenza di rete provvederà a dare la potenza di uscita con le caratteristiche di tensione e frequenza richieste dal carico. In questo stadio viene realizzata la regolazione della tensione di uscita in modo che l’inverter sia visto come un generatore di corrente dalla rete. Il trasformatore può essere posto tra i due ponti di conversione o all’uscita del secondo;dopodiché vi è un secondo stadio di filtraggio per le armoniche e infine,le protezioni dal lato carico,costituite da un dispositivo di intervento per massima corrente a da un dispositivo di protezione di interfaccia con la rete.

Schema a blocchi di un inverter per applicazioni

grid-connected

Allacciamento alla rete

Per gli impianti fotovoltaici allacciati alle reti in b.t. e M.T. vi sono dei dispositivi di protezione da inserire in caso di malfunzionamento:

-nella rete di distribuzione a cui l’impianto è collegato (dispositivo di interfaccia);

-nella rete eventualmente presente in isola (dispositivo generale);

-direttamente a livello del generatore (dispositivo di generatore).

Schema dell’allacciamento

di un impianto fotovoltaico

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Bibliografia: Francesco Groppi - Carlo Zuccaro - Impianti solari fotovoltaici a norme CEI - UTET - Editoriale Delfino