O propósito dun inversor é transformar unha tensión de onda continua nun sinal de CA para inxectar enerxía a unha carga (por exemplo, a rede eléctrica) a unha frecuencia determinada e cun ángulo de fase pequeno (φ ≈0). Na figura móstrase un circuíto simplificado para unha modulación por ancho de pulso (PWM) unipolar monofásica2 (o mesmo esquema xeral pódese estender a un sistema trifásico). Neste esquema, un sistema fotovoltaico, que actúa como unha fonte de tensión continua con certa inductancia da fonte, convértese nun sinal de CA a través de catro interruptores IGBT en paralelo con díodos de roda libre. Estes interruptores contrólanse na porta mediante un sinal PWM, que normalmente é a saída dun circuíto integrado que compara unha onda portadora (normalmente unha onda sinusoidal da frecuencia de saída desexada) e unha onda de referencia a unha frecuencia significativamente maior (normalmente unha onda triangular a 5-20 kHz). A saída dos IGBT convértese nun sinal de CA axeitado para o seu uso ou inxección na rede mediante a aplicación de varias topoloxías de filtros LC.
Os inversores pertencen a un gran grupo de convertidores estáticos, que inclúe moitos dos actuais'dispositivos capaces de"converter"parámetros eléctricos de entrada, como a tensión e a frecuencia, para producir unha saída compatible cos requisitos da carga.
En termos xerais, os inversores son dispositivos capaces de converter a corrente continua en corrente alterna e son bastante comúns en aplicacións de automatización industrial e accionamentos eléctricos. A arquitectura e o deseño dos diferentes tipos de inversores varían segundo cada aplicación específica, mesmo se o núcleo do seu propósito principal é o mesmo (conversión de CC a CA).
1. Inversores autónomos e conectados á rede
Os inversores empregados en aplicacións fotovoltaicas divídense historicamente en dúas categorías principais:
:Inversores independentes
:Inversores conectados á rede
Os inversores independentes están destinados a aplicacións nas que a planta fotovoltaica non está conectada á rede principal de distribución de enerxía. O inversor é capaz de subministrar enerxía eléctrica ás cargas conectadas, garantindo a estabilidade dos principais parámetros eléctricos (tensión e frecuencia). Isto mantén as cargas dentro de límites predefinidos, capaces de soportar situacións de sobrecarga temporais. Nesta situación, o inversor está acoplado a un sistema de almacenamento de baterías para garantir un subministro de enerxía constante.
Os inversores conectados á rede, pola súa banda, son capaces de sincronizarse coa rede eléctrica á que están conectados porque, neste caso, a tensión e a frecuencia son"imposto"pola rede principal. Estes inversores deben poder desconectarse se falla a rede principal para evitar calquera posible subministración inversa da rede principal, o que podería representar un perigo grave.
- Figura 1: exemplo de sistema independente e sistema conectado á rede. Imaxe cortesía de Biblus.
2. Cal é a función do condensador de bus?
Figura 2: Modulación por ancho de pulsación (PWM) monofásicaconfiguración do inversor. Os interruptores IGBT, xunto co filtro de saída LC, configuran o sinal de entrada de CC nun sinal de CA utilizable. Isto induce unhaondulación de tensión nociva nos terminais fotovoltaicos. O busO condensador está dimensionado para reducir esta ondulación.
O funcionamento dos IGBT introduce unha ondulación de tensión no terminal da matriz fotovoltaica. Esta ondulación é prexudicial para o funcionamento do sistema fotovoltaico, xa que a tensión nominal aplicada aos terminais debe manterse no punto de máxima potencia (MPP) da curva IV para extraer a maior potencia. Unha ondulación de tensión nos terminais fotovoltaicos fará oscilar a potencia extraída do sistema, o que resultará en
unha potencia de saída media máis baixa (Figura 3). Engádese un condensador ao bus para suavizar a ondulación de tensión.
Figura 3: Unha ondulación de tensión introducida nos terminais fotovoltaicos polo esquema do inversor PWM despraza a tensión aplicada fóra do punto de máxima potencia (MPP) do conxunto fotovoltaico. Isto introduce unha ondulación na potencia de saída do conxunto, de xeito que a potencia de saída media é inferior á MPP nominal.
A amplitude (pico a pico) da ondulación de tensión está determinada pola frecuencia de conmutación, a tensión fotovoltaica, a capacitancia do bus e a inductancia do filtro segundo:
onde:
VPV é a tensión continua do panel solar,
Cbus é a capacitancia do condensador do bus,
L é a inductancia dos indutores do filtro,
fPWM é a frecuencia de conmutación.
A ecuación (1) aplícase a un condensador ideal que impide que a carga flúa a través del durante a carga e despois descarga a enerxía situada no campo eléctrico sen resistencia. En realidade, ningún condensador é ideal (Figura 4), senón que está composto por varios elementos. Ademais da capacitancia ideal, o dieléctrico non é perfectamente resistivo e unha pequena corrente de fuga flúe desde o ánodo ata o cátodo ao longo dunha resistencia shunt finita (Rsh), evitando a capacitancia dieléctrica (C). Cando a corrente flúe a través do condensador, os pines, as láminas e o dieléctrico non son perfectamente condutores e hai unha resistencia en serie equivalente (ESR) en serie coa capacitancia. Finalmente, o condensador almacena algo de enerxía no campo magnético, polo que hai unha inductancia en serie equivalente (ESL) en serie coa capacitancia e a ESR.
Figura 4: Circuíto equivalente dun condensador xenérico. Un condensador écomposto por moitos elementos non ideais, incluíndo a capacitancia dieléctrica (C), unha resistencia shunt non infinita a través do dieléctrico que evita o condensador, a resistencia en serie (ESR) e a inductancia en serie (ESL).
Mesmo nun compoñente aparentemente tan simple como un condensador, existen múltiples elementos que poden fallar ou degradarse. Cada un destes elementos pode afectar o comportamento do inversor, tanto no lado de CA como no de CC. Para determinar o efecto que a degradación dos compoñentes dos condensadores non ideais ten na ondulación de tensión introducida nos terminais fotovoltaicos, simulouse un inversor de ponte H unipolar PWM (Figura 2) usando SPICE. Os condensadores de filtro e os indutores mantéñense a 250 µF e 20 mH, respectivamente. Os modelos SPICE para os IGBT derivan do traballo de Petrie et al. O sinal PWM, que controla os interruptores IGBT, está determinado por un comparador e un circuíto comparador inversor para os interruptores IGBT do lado alto e baixo, respectivamente. A entrada para os controis PWM é unha onda portadora sinusoidal de 9,5 V e 60 Hz e unha onda triangular de 10 V e 10 kHz.
- Solución CRE
CRE é unha empresa de alta tecnoloxía especializada na produción de condensadores de película, centrándose na aplicación da electrónica de potencia.
CRE ofrece a solución madura de series de condensadores de película para inversores fotovoltaicos que inclúen enlace de CC, filtro de CA e amortecedor.
Data de publicación: 01-12-2023