El propósito de un inversor es transformar un voltaje de forma de onda de CC en una señal de CA para inyectar energía a una carga (por ejemplo, la red eléctrica) a una frecuencia determinada y con un ángulo de fase pequeño (φ ≈0). En la Figura se muestra un circuito simplificado para una modulación por ancho de pulso (PWM) unipolar monofásica.2 (El mismo esquema general se puede extender a un sistema trifásico). En este esquema, un sistema fotovoltaico, que actúa como fuente de tensión continua con cierta inductancia, se transforma en una señal alterna mediante cuatro interruptores IGBT en paralelo con diodos de rueda libre. Estos interruptores se controlan en la puerta mediante una señal PWM, que suele ser la salida de un circuito integrado (CI) que compara una onda portadora (normalmente una onda sinusoidal de la frecuencia de salida deseada) con una onda de referencia a una frecuencia significativamente mayor (normalmente una onda triangular de 5-20 kHz). La salida de los IGBT se transforma en una señal alterna (CA) apta para su uso o inyección a la red mediante la aplicación de diversas topologías de filtros LC.
Los inversores pertenecen a un gran grupo de convertidores estáticos, que incluyen muchos de los actuales'dispositivos s capaces de“convertir"parámetros eléctricos en la entrada, como voltaje y frecuencia, para producir una salida que sea compatible con los requisitos de la carga.
En general, los inversores son dispositivos capaces de convertir corriente continua en corriente alterna y son bastante comunes en aplicaciones de automatización industrial y accionamientos eléctricos. La arquitectura y el diseño de los diferentes tipos de inversores varían según la aplicación, aunque su propósito principal sea el mismo (conversión de CC a CA).
1. Inversores autónomos y conectados a la red
Los inversores utilizados en aplicaciones fotovoltaicas se dividen históricamente en dos categorías principales:
:Inversores autónomos
:Inversores conectados a la red
Los inversores autónomos se utilizan en aplicaciones donde la planta fotovoltaica no está conectada a la red principal de distribución de energía. El inversor suministra energía eléctrica a las cargas conectadas, garantizando la estabilidad de los principales parámetros eléctricos (tensión y frecuencia). Esto los mantiene dentro de límites predefinidos, lo que les permite soportar sobrecargas temporales. En este caso, el inversor se combina con un sistema de almacenamiento de baterías para garantizar un suministro de energía constante.
Los inversores conectados a la red, por otro lado, son capaces de sincronizarse con la red eléctrica a la que están conectados porque, en este caso, el voltaje y la frecuencia son“impuesto"Por la red principal. Estos inversores deben poder desconectarse si falla la red principal para evitar un posible suministro inverso, lo que podría representar un grave peligro.
- Figura 1 - Ejemplo de sistema autónomo y sistema conectado a la red. Imagen cortesía de Biblus.
2.¿Cuál es la función del condensador del bus?
Figura 2: Modulación de ancho de pulso (PWM) monofásicaConfiguración del inversor. Los interruptores IGBT, junto con el filtro de salida LC, transforman la señal de entrada de CC en una señal de CA utilizable. Esto induce unaondulación de tensión perjudicial en los terminales fotovoltaicos. El busEl condensador está dimensionado para reducir esta ondulación.
El funcionamiento de los IGBT introduce una ondulación de tensión en los terminales del campo fotovoltaico. Esta ondulación es perjudicial para el funcionamiento del sistema fotovoltaico, ya que la tensión nominal aplicada a los terminales debe mantenerse en el punto de máxima potencia (MPP) de la curva IV para extraer la máxima potencia. Una ondulación de tensión en los terminales fotovoltaicos hará oscilar la potencia extraída del sistema, lo que resulta en...
Una potencia de salida promedio más baja (Figura 3). Se añade un condensador al bus para suavizar la ondulación de voltaje.
Figura 3: Una ondulación de tensión introducida en los terminales fotovoltaicos por el esquema del inversor PWM desplaza la tensión aplicada fuera del punto de máxima potencia (MPP) del conjunto fotovoltaico. Esto introduce una ondulación en la potencia de salida del conjunto, de modo que la potencia de salida media es inferior al MPP nominal.
La amplitud (pico a pico) de la ondulación de voltaje está determinada por la frecuencia de conmutación, el voltaje fotovoltaico, la capacitancia del bus y la inductancia del filtro de acuerdo con:
dónde:
VPV es el voltaje de CC del panel solar,
Cbus es la capacitancia del capacitor del bus,
L es la inductancia de los inductores del filtro,
fPWM es la frecuencia de conmutación.
La ecuación (1) se aplica a un condensador ideal que impide que la carga fluya a través de él durante la carga y luego descarga la energía ubicada en el campo eléctrico sin resistencia. En realidad, ningún condensador es ideal (Figura 4), sino que está compuesto de múltiples elementos. Además de la capacitancia ideal, el dieléctrico no es perfectamente resistivo y una pequeña corriente de fuga fluye del ánodo al cátodo a lo largo de una resistencia de derivación finita (Rsh), evitando la capacitancia dieléctrica (C). Cuando fluye corriente a través del condensador, los pines, las láminas y el dieléctrico no son perfectamente conductores y existe una resistencia en serie equivalente (ESR) en serie con la capacitancia. Finalmente, el condensador almacena algo de energía en el campo magnético, por lo que existe una inductancia en serie equivalente (ESL) en serie con la capacitancia y la ESR.
Figura 4: Circuito equivalente de un condensador genérico. Un condensador escompuesto de muchos elementos no ideales, incluida la capacitancia dieléctrica (C), una resistencia de derivación no infinita a través del dieléctrico que evita el capacitor, la resistencia en serie (ESR) y la inductancia en serie (ESL).
Incluso en un componente aparentemente tan simple como un condensador, existen múltiples elementos que pueden fallar o degradarse. Cada uno de estos elementos puede afectar el comportamiento del inversor, tanto en el lado de CA como en el de CC. Para determinar el efecto que la degradación de los componentes de condensadores no ideales tiene en la ondulación de tensión introducida a través de los terminales fotovoltaicos, se simuló un inversor PWM unipolar de puente H (Figura 2) utilizando SPICE. Los condensadores de filtro y los inductores se mantienen a 250 µF y 20 mH, respectivamente. Los modelos SPICE para los IGBT se derivan del trabajo de Petrie et al. La señal PWM, que controla los interruptores IGBT, se determina mediante un comparador y un circuito comparador inversor para los interruptores IGBT de lado alto y bajo, respectivamente. La entrada para los controles PWM son una onda portadora sinusoidal de 9,5 V, 60 Hz y una onda triangular de 10 V, 10 kHz.
- Solución CRE
CRE es una empresa de alta tecnología especializada en la producción de condensadores de película, centrándose en la aplicación de la electrónica de potencia.
CRE ofrece la solución madura de la serie de condensadores de película para inversores fotovoltaicos que incluye enlace de CC, filtro de CA y amortiguador.
Hora de publicación: 01-dic-2023