In breve, il processo di funzionamento di un inverter fotovoltaico può essere suddiviso in tre fasi principali:raccolta e ottimizzazione della potenza, Conversione CC-CA, Eadattamento alla rete-connesso/non{1}}alla rete. Quella che segue è una ripartizione dettagliata dal punto di vista dei principi di base, dei moduli principali e delle tecnologie chiave:
I. Obiettivi di lavoro fondamentali
Le caratteristiche di uscita dei moduli fotovoltaici sono altamente sensibili all'illuminazione e alla temperatura, presentando una relazione non lineare tra tensione e corrente di uscita. Inoltre, la potenza DC generata direttamente non può essere collegata direttamente alla rete elettrica o alimentare carichi AC convenzionali. Pertanto, l’inverter deve raggiungere due obiettivi fondamentali:
Massimizza la potenza erogata: Traccia il punto di massima potenza di uscita dei moduli fotovoltaici in tempo reale attraverso la tecnologia MPPT per migliorare il più possibile l'efficienza della generazione di energia.
Forma d'onda e sincronizzazione: converte l'alimentazione CC in alimentazione CA sinusoidale che soddisfa gli standard di rete (con tensione, frequenza e fase coerenti con la rete elettrica) per garantire la sicurezza-connessa alla rete o il funzionamento stabile dei carichi-fuori rete.
II. Processo di funzionamento di base degli inverter fotovoltaici
Prendendo il più comuneinverter FV collegati alla rete-ad esempio, il processo lavorativo complessivo può essere suddiviso in quattro fasi:
Passaggio 1: input e filtro DC (elaborazione lato-DC)
La potenza CC in uscita dai moduli FV collegati in serie/parallelo- non è assolutamente stabile, con ondulazioni di tensione e fluttuazioni di corrente causate da cambiamenti di illuminazione e differenze nelle caratteristiche dei moduli.
L'inverter si collega innanzitutto all'alimentazione CC tramite aFusibile CC(per la protezione da sovracorrente) e aScaricatore di sovratensione CC(per la protezione contro le sovratensioni).
Quindi, un circuito di filtro composto daCondensatori/induttori del filtro CCviene utilizzato per attenuare le fluttuazioni della tensione CC, fornendo un ingresso CC stabile per la successiva fase di conversione.
Passaggio 2: monitoraggio del punto di massima potenza (MPPT)
Questo è un collegamento chiave per l'inverter per migliorare l'efficienza della generazione di energia. Il principio fondamentale è rilevare la tensione e la corrente di uscita dei moduli fotovoltaici in tempo realealgoritmi di controllo, calcolare la potenza di uscita corrente e regolare dinamicamente la tensione di ingresso CC dell'inverter per mantenere i moduli fotovoltaici sempre operativi al punto di massima potenza di uscita.
Algoritmi MPPT comuni: Perturbazione e Osservazione (P&O), Conduttanza Incrementale (INC). Tra questi, il metodo della conduttanza incrementale ha una precisione maggiore ed è adatto a scenari con rapidi cambiamenti di illuminazione.
Metodo di implementazione: Regolare la tensione CC tramite aConvertitore CC-CC(come un circuito boost-up). Quando la tensione di uscita dei moduli fotovoltaici è bassa, il circuito Boost la aumenta fino a raggiungere una tensione del bus CC adatta per l'inversione (ad esempio, un bus CC da 380 V corrispondente a un'uscita CA da 380 V).
Passaggio 3: conversione DC-AC (fase di inversione core)
Questa è la funzione principale dell'inverter, che converte essenzialmente l'alimentazione CC stabile in alimentazione CA simile a un'onda sinusoidale attraverso il funzionamento on-off ad alta frequenza didispositivi di commutazione elettronica di potenza. Secondo diverse strutture topologiche, è principalmente suddiviso ininverter mono-fase(per applicazioni civili a bassa-potenza) einverter tri-fase(per applicazioni industriali e commerciali ad alta-potenza), con principi fondamentali coerenti:
Commutazione dei dispositivi: Vengono adottati transistor bipolari a gate isolato (IGBT) o transistor a effetto di campo-a ossido di metallo-semiconduttore (MOSFET), che sono "interruttori elettronici" per la conversione di potenza e possono completare il controllo di accensione-in pochi microsecondi.
Topologia del ponte inverter: Il più comunemente usato è ilcircuito inverter a ponte intero-(con 4 dispositivi di commutazione per mono-fase e 6 per tri-fase). Prendendo come esempio il circuito a ponte intero-monofase-:
Il controller emetteSegnali di modulazione di larghezza di impulso (PWM).per controllare la sequenza di accensione-spegnimento e il ciclo di lavoro dei 4 IGBT.
Regolando l'ampiezza dell'impulso, il "treno di impulsi a onda quadra" emesso dai dispositivi di commutazione viene filtrato per formare un'alimentazione CA vicina a un'onda sinusoidale.
Filtraggio CA: L'alimentazione CA dopo l'inversione contiene armoniche ad alta-frequenza, che devono essere filtrate da unCircuito filtro LCcomposto da induttori e condensatori di filtro CA per ottenere pura potenza CA sinusoidale.
Passaggio 4: adattamento e protezione alla rete-connessa/fuori-griglia (elaborazione lato CA-)
1. Inverter connessi alla rete-: sincronizzazione e connessione alla rete
Se l'inverter viene utilizzato per la generazione di energia connessa alla rete-, è necessario garantire che la potenza CA in uscita sianella stessa frequenza, fase e tensionecome rete elettrica:
Rileva-in tempo reale la frequenza della tensione e la fase della rete elettricaTecnologia Phase-Locked Loop (PLL)., regolare la fase e la frequenza della potenza CA in uscita dall'inverter e ottenere una sincronizzazione precisa con la rete elettrica.
Collegarsi alla rete elettrica tramite unContattore CAe garantire la sicurezza-connessa alla reteprotezione in isola, protezione da sovratensione/sottotensione, protezione da sovracorrente, protezione di frequenza, ecc. (ad esempio, quando la rete elettrica è priva di alimentazione, l'inverter deve smettere immediatamente di funzionare per evitare che l'effetto isola metta in pericolo il personale addetto alla manutenzione).
2. Inverter off-grid: alimentazione diretta
Se l'inverter viene utilizzato in un sistema off-grid (ad esempio, alimentazione fotovoltaica in aree remote), l'alimentazione CA sinusoidale filtrata viene fornita direttamente ai carichi (ad esempio, elettrodomestici, apparecchiature industriali). Nel frattempo, può essere combinato con batterie di accumulo dell'energia per ottenere una regolazione stabile della tensione.
III. Principali tipologie di inverter fotovoltaici e differenze topologiche
Diversi tipi di inverter presentano lievi differenze nella topologia dello stadio di inversione e sono adatti a diversi scenari:
Invertitori centrali(alta-potenza, per uso industriale/commerciale e centrali fotovoltaiche):
Adottaretrasformatore di frequenza di alimentazione/trasformatore ad alta-frequenzatopologia. Alcuni tipi senza trasformatore (non-isolati) ottengono l'isolamento tramite condensatori, con una potenza che raggiunge diversi megawatt. Sono caratterizzati da un'elevata integrazione e da un funzionamento e una manutenzione convenienti.
Invertitori di stringa(media e piccola potenza, per uso domestico e impianti fotovoltaici distribuiti):
Ogni stringa FV è dotata di un controller MPPT indipendente e la fase di inversione adotta una topologia a ponte completo. Può tracciare il punto di potenza massima di ciascuna stringa in modo indipendente, adattandosi alle differenze di illuminazione tra le diverse stringhe (ad esempio, ombreggiatura).
Microinverter(bassa-potenza, per impianti fotovoltaici domestici):
Installato direttamente sul retro dei moduli fotovoltaici, con un microinverter corrispondente a un modulo, realizzando l'"inversione a livello di modulo-". Ha la massima precisione MPPT ed è adatto per ambienti di illuminazione complessi.
IV. Indicatori tecnici chiave e impatti sulle prestazioni
Efficienza di inversione: Gli inverter di alta-qualità possono raggiungere un'efficienza massima superiore al 98% (efficienza europea), che dipende principalmente dalla perdita di conduzione dei dispositivi di commutazione e dalla precisione di tracciamento dell'MPPT.
Distorsione armonica totale (THD): Gli inverter collegati alla rete-richiedono un THD inferiore o uguale al 5%. Più basso è il THD, più pura sarà l'onda sinusoidale in uscita e minore sarà l'interferenza con la rete elettrica.
Efficienza MPPT: Generalmente richiesto essere maggiore o uguale al 99%, che influisce direttamente sulla produzione di energia complessiva del sistema fotovoltaico.
Riepilogo
L'essenza di un inverter fotovoltaico è quella direalizzare la conversione della forma di potenza attraverso la modulazione ad alta-frequenza con dispositivi di commutazione elettronica di potenza come nucleo, ottenendo al contempo l’ottimizzazione della potenza e l’adattamento della rete attraverso algoritmi di controllo. Il nucleo del suo principio di funzionamento risiede in:realizzare l'ottimizzazione della potenza tramite convertitori CC-CC, ottenere la conversione CC-CA tramite ponti inverter modulati PWM-e garantire una connessione sicura alla rete tramite anelli ad aggancio di fase-e circuiti di protezione. Questo processo non solo utilizza le caratteristiche di commutazione rapida della tecnologia elettronica di potenza, ma combina anche la regolazione precisa della teoria del controllo, fungendo da collegamento chiave per l'utilizzo efficace dell'energia nei sistemi di generazione di energia fotovoltaica.
