Per convertitori statici si intendono tutti quei dispositivi di potenza in grado di convertire alcune delle grandezza elettriche in ingresso,solitamente tensione e frequenza,in altre disponibili all’uscita.
Nelle applicazioni fotovoltaiche i convertitori più utilizzati sono gli inverter cc/ca per la conversione da corrente continua a corrente alternata. A seconda poi dello utilizzo i costruttori hanno realizzato delle linee di prodotti espressamente dedicate per il funzionamento in parallelo alla rete elettrica (on-grid) e per il funzionamento in isola (stand-alone) , con sistema di accumulo tramite batterie.
Pur mantenendo gli stessi principi di funzionamento queste due tipologie presentano caratteristiche e performance diverse dovute al fatto che lato generazione vengono interfacciati con dispositivi diversi : nella prima direttamente i moduli fotovoltaici nella seconda le batterie di accumulo. Per gli inverter dedicati al funzionamento in parallelo alla rete elettrica i valori di tensione e frequenza vengono imposti dalla rete,imponendone a sua volta la sincronizzazione come un vero e proprio generatore, pressoché ideale di corrente alternata.
Questo tipo di inverter solitamente dispone poi di un apposito circuito MPPT (Maximum Power Point Tracker) in grado di individuare istante per istante il punto di massima potenza (caratteristica I-V ), del generatore fotovoltaico permettendo il più alto trasferimento di energia verso il carico situato a valle.
Sebbene la precisione dell'MPPT sia estremamente importante(tipicamente tra il 99-99,6% della massima disponibile), il tempo di assestamento lo è ancor di più. Nelle giornate con nuvolosità variabile ,si verificano infatti, sbalzi di potenza solare ampi e repentini in grado di portare la radiazione incidente sui moduli anche da 100W/m² a 1000-1200W/m² in meno di 2 secondi.
In queste condizioni, che sono molto frequenti, un inverter con tempi di assestamento minori di 5 secondi riesce a produrre fino al 15%-20% di energia in più di uno lento.
Il cuore del convertitore è il ponte di conversione in grado di trasformare la corrente continua in alternata,facendo uso di dispositivi semiconduttori pilotati con sequenze di impulsi di comando controllati; tramite la frequenza di rete o con tecnica PWM (Pulse With Modulation) , in grado di approssimare la forma d’onda in uscita ad una sinusoidale con treni di impulsi a larghezza variabile.
Negli inverter è possibile poi , individuare alcuni componenti e blocchi funzionali che si ripetono , attualmente infatti questi dispositivi molto compatti ospitano al proprio interno:
- Un converitore di potenza;
- Un trasformatore ad alta frequenza isolato in classe II;
- Il sistema di raffreddamento;
- Il circuito MPPT con ingressi multipli;
- Il controllo centrale a microprocessore;
- le protezioni di interfaccia rete;
- Il dispositivo di rilevamento per guasto a terra;
- le protezioni a varistore per sovratensioni;
- la porta di comunicazione.
La scelta degli inverter non ricade solo sul prodotto dalle migliori performance o dalla migliore efficienza di conversione cc/ca, ma deve soddisfare determinati requisiti atti a rendere il più efficiente e sicuro possibile l’intero processo di produzione.
In fase di progetto occorre stabilire i valori minimi e massimi della tensione di uscita dal generatore fotovoltaico contestualizzata nelle condizioni operative limite previste e valutare il possibile accoppiamento con le caratteristiche di ingresso degli inverter.
Negli inverter attualmente disponibili,collegabili alla rete, i costruttori indicano la tensione minima e massima in corrispondenza del punto di massima potenza inseguita (funzione MPPT) in quel preciso istante (VmpptMin e VmmptMax ) e la tensione massima applicabile in ingresso (Vmax ).
Per quanto riguarda i moduli invece sono fondamentali: la tensione a vuoto (VOC) ,la tensione misurata nel punto di massima potenza in condizioni standard (VM) ed il coefficiente di dipendenza temperatura-tensione in mV/°C ( anche %/°C) ( Ktv ) del modulo.
Negli inverter attualmente disponibili,collegabili alla rete, i costruttori indicano la tensione minima e massima in corrispondenza del punto di massima potenza inseguita (funzione MPPT) in quel preciso istante (VmpptMin e VmmptMax ) e la tensione massima applicabile in ingresso (Vmax ).
Per quanto riguarda i moduli invece sono fondamentali: la tensione a vuoto (VOC) ,la tensione misurata nel punto di massima potenza in condizioni standard (VM) ed il coefficiente di dipendenza temperatura-tensione in mV/°C ( anche %/°C) ( Ktv ) del modulo.
Considerando la situazione peggiore con i limiti di temperatura rispettivamente di Tmin = -10°C e Tmax = 70 °C, possiamo impostare tre disequazioni in grado di determinare i corretti valori di tensione per l’accoppiamento inverter moduli, una volta acquisiti i parametri dei costruttori.
- VOC (Tmin )* n = VOC * [ 1 – Ktv * ( Tmin – 25°C ) ] * n < Vmax
La tensione a vuoto della stringa nelle condizioni peggiori (-10°C ) deve essere minore della tensione massima sopportabile dall’inverter .
- VM (Tmax)* n = VM * [ 1 – Ktv * (Tmax – 25°C ) ] * n > VmpptMin
La tensione minima MPPT dell’inverter deve essere minore di quella minima prodotta dal pannello nelle condizioni peggiori (70°C) .
- VM (Tmin)* n = VM * [ 1 – Ktv * (Tmin – 25°C ) ] * n < VmmptMax
La tensione massima MPPT dell’inverter deve essere maggiore di quella massima prodotta dal pannello nelle condizioni migliori (-10°C) .
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