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Paolo Mattavelli SISTEMI DI ALIMENTAZIONE ED SISTEMI DI ALIMENTAZIONE ED ELETTRONICA DI POTENZA PER ELETTRONICA DI POTENZA PER APPLICAZIONI FOTOVOLTAICHE APPLICAZIONI FOTOVOLTAICHE
Indice Indice 1. Sistemi fotovoltaici 2. Sistemi PV connessi alla rete elettrica 3. Analisi e simulazioni sistema fotovoltaico doppio stadio 4. Algoritmo MPPT 5. Incentivi e realizzazioni 6. Conclusioni
1.Sistemi fotovoltaici
Leffetto fotoelettrico Leffetto fotoelettrico Raggio luminoso fornisce energia agli elettroni Nasce una coppia elettrone-lacuna (EHP) Il campo elettrico, nella zona di ricombinazione, separa le EHP Circolazione della corrente nel circuito esterno Modello circuitale Modello circuitale In assenza di luce la cella opera come un diodo Se illuminata, si schematizza con un generatore di corrente in parallelo ad un diodo Rsh data dalle correnti di perdita (trascurabile) Rs data dalle perdite ohmiche sulla superficie
Modello della cella Modello della cella VOC = Tensione a circuito aperto ISC = Corrente di cortocircuito Pm = Potenza al punto di massima potenza (MPP) = VPM*IPM 硫 = Coefficiente di temperatura della VCO 留 = Coefficiente di temperatura della ISC FF (Fill Factor) = Pm/(VOC*ISC) 侶 = Efficienza di conversione = EPRODOTTA/ESOLARE ) 1 ( ) ( 0 I R V T K A q l S e I I I 0 0 )] 25 ( ) ( [ G G T G I I l l T T K B E q T T I I r GO r r 1 1 exp 3 0 0 Parametri Parametri
Diodi di bypass e di blocco Diodi di bypass e di blocco 1 1 n i OC Oscurata Cella V V Connessione in serie Connessione in parallelo Stessa corrente cella oscurata forza la corrente delle altre. Diodi di BYPASS Stessa tensione la cella o la stringa forniscono un modesto contributo alla potenza totale. Se la cella 竪 in CC, la potenza si annulla! Diodi di BLOCCO
Materiali utilizzati per la costruzione Materiali utilizzati per la costruzione Silicio monocristallino (sc-Si) -wafer dello spessore di 200-400 袖m, forma cristallina -elevata efficienza di conversione 侶 (~15-20%) -costo elevato dovuto al processo produttivo
Materiali utilizzati per la costruzione Materiali utilizzati per la costruzione Silicio policristallino -formate da pi湛 cristalli di silicio aggregati tra loro (100袖m) -efficienza di conversione 侶 13% -costo contenuto rispetto al monocristallino
Materiali utilizzati per la costruzione Materiali utilizzati per la costruzione Silicio amorfo -deposizione del materiale a basse temperature su qualsiasi substrato (vetro,plastica) -la giunzione n-i-p coincide con lo spessore della cella (10 袖m) + impurit ,> intensit del campo,< spessore -basse qualit elettroniche ed efficienze allo stato stabile 侶 6-7%
Configurazioni dei sistemi fotovoltaici Configurazioni dei sistemi fotovoltaici DC Direct-Drive PV Systems: il carico 竪 collegato direttamente al pannello fotovoltaico. Si usano quando non 竪 necessaria una costante fornitura di energia. Stand Alone DC PV Systems: forniscono energia in modo continuativo, pertanto necessitano di un accumulatore. Off-Grid AC PV Systems: sono costituiti da: -convertitore corrente continua corrente alternata -banco di batterie -circuiti di condizionamento carica/scarica batterie Grid-Connected PV Systems Grid-Connected PV Systems: : sono collegati alla rete elettrica, che funge da serbatoio energetico nei periodi in cui il sistema non produce. Son costituiti da: -convertitore corrente continua corrente alternata -trasformatore disolamento (eventuale)
2.Sistemi PV connessi alla rete elettrica
Configurazione degli array di moduli PV Configurazione degli array di moduli PV Central Inverter: Usato per potenze elevate 10-250 KW Vantaggi: -alte efficienze e bassi costi dellinverter Svantaggi: -notevoli cablaggi lato continua -scarsa possibilit di ottimizzare lestrazione della Pm -poca flessibilit
Configurazione degli array di moduli PV Configurazione degli array di moduli PV String Inverter: Usato per applicazioni residenziali 1.5-5 KW Vantaggi rispetto al Central Inverter: -non sono necessari i diodi di blocco -ottimizzazione della Pm estratta dalla stringa
Configurazione degli array di moduli PV Configurazione degli array di moduli PV Multi string Inverter: Vantaggi rispetto Central Inverter: -unico inverter -ottimizzazione della Pm estratta dalla stringa grazie ai convertitori DC-DC -maggiore flessibilit
Configurazione degli array di moduli PV Configurazione degli array di moduli PV AC Module: Ogni pannello ha il proprio convertitore Vantaggi: -non necessari cablaggi lato continua -ottimizza al massimo lestrazione della Pm -massima flessibilit Svantaggi: -bassa efficienza dellinverter -maggior manutenzione
Configurazioni dei convertitori Configurazioni dei convertitori DOPPIO STADIO Il valore di tensione data dai moduli PV non 竪 abbastanza alto: necessit di introdurre un convertitore innalzatore Senza isolamento Con isolamento LF Con isolamento HF
Configurazioni dei convertitori Configurazioni dei convertitori DOPPIO STADIO con isolamento HF Full bridge isolated DC-DC boost converter(FB) Single inductor boost push-pull converter (SIC): Svantaggio: -elevato numero di componenti utilizzati Vantaggio: -maggiore efficienza Svantaggi: -costruzione pi湛 difficile del trasformatore -aumento della tensione che devon sopportare gli switch
Configurazioni dei convertitori Configurazioni dei convertitori SINGOLO STADIO La tensione data dai moduli PV 竪 sufficientemente alta Senza isolamento Con isolamento DOPPIO STADIO con isolamento HF Double inductor boost push-pull converter (DIC): Vantaggi ulteriori rispetto al SIC: - < ripple sulla corrente IFC -costruzione pi湛 facile del trasformatore - < tensione sugli switch Svantaggio: -utilizzo di due induttori
Algoritmi MPPT Algoritmi MPPT Perturbe & Observe Perturbe & Observe: al MPP si ha che dP/dv=0. V e dP/dV Y ci si sta muovendo verso il punto di massima potenza. Svantaggio: -oscillazione attorno al valore di V relativo al MPP -per rapide variazioni dirraggiamento ci si pu嘆 allontanare dal MPP Sistema non lineare e tempo variante Si vuole estrarre sempre la massima potenza dai moduli Sono necessari degli algoritmi che forniscano un riferimento di tensione o di corrente relativo al MPP
Algoritmi MPPT Algoritmi MPPT Costant voltage Costant voltage: considerando costante il rapporto Vmpp/VOC, impone una tensione proporzionale alla VOC. Svantaggi: -per il tempo di misurazione della VOC il carico devessere disconnesso -il rapporto preso come costante non 竪 sempre tale al variare delle condizioni operative Parasitic capacitance Parasitic capacitance: 竪 una rifinitura dellIncremental Conductance. Sfruttando le capacit parassite dei moduli viene calcolata la conduttanza incrementale, attraverso perturbazioni introdotte dal MPPT.
2.Analisi e simulazioni sistema 2.Analisi e simulazioni sistema fotovoltaico doppio stadio fotovoltaico doppio stadio
Specifiche generali Specifiche generali sistema per basse potenze in ingresso (300 W) quindi pensato per essere connesso ad uno o due moduli al massimo (Modulo AC) prestazioni in termini di efficienza , THD e PF paragonabili con i sistemi per potenze maggiori Rispetto della normativa sulle emissioni di corrente in rete CEI EN 61000-3-2 Scelte effettuate: sono stati scelti e connessi in serie, 2 moduli Sharp ND-160E1 da 160 Wp ciascuno per un totale, quindi di 320 Wp adottata la soluzione doppio stadio con convertitore BOOST continua-continua ed INVERTER, vista la bassa tensione fornita dai moduli
Stringa di moduli Stringa di moduli n属celle 96 sislicio policristallino dimensioni 1318x1988x46mm 2.62m2 peso 32 kg VOC 56.8 V Vmp 45.6 V G0= ISC 8.04 A 1000 W/m2 Imp 7.02 A T = 25属C Pm 320 W 侶 12.2 PARAMETRI DELLA CONNESSIONE SERIE GRAFICI OTTENUTI DALLA SIMULAZIONE DEL MODELLO MATEMATICO
Convertitore DC-DC Boost Convertitore DC-DC Boost CARATTERISTICHE: Frequenza di commutazione FSWB=100 kHz Ripple sulla corrente dingresso IL= 140 mA Cb= 1.1 亮F ed Lb= 2.82 mH. Controllo con regolatore PI, frequenza di taglio pari ad 1/10 della FSWB e margine di fase pari a 60属 Specifiche: -innalzare il valore di tensione Ui fino ad un valore > 230揃2 = 325.27 , (360 V) -controllare la corrente dingresso in modo che segua il riferimento Iirif Risposta ad una variazione a gradino del riferimento di corrente data da una variazione di potenza da 320 W a 183.5 W
Convertitore DC-AC Inverter e Filtro Convertitore DC-AC Inverter e Filtro Specifiche: -mantenere il valore desiderato di tensione in ingresso U0 (360 V) -immettere in rete una corrente IS proporzionale alla tensione -filtrare le componenti ondulatorie date dallinverter e diverse dalla frequenza di rete CARATTERISTICHE: Inverter full-bridge con PWM a tre livelli -frequenza della portante Fsw = 20 kHz
Filtro LC -ripple massimo sulla corrente di linea IS pari a 80 mA, L = 5.72 mH e C = 1 袖F Controllo della corrente immessa in rete -controllo con regolatore PI, frequenza di taglio 2 kHz pari ad 1/10 della Fsw, margine di fase 60属 -con il voltage feed-forward miglioramento della dinamica e quindi del PF ma lieve peggioramento dei valori di THD Convertitore DC-AC Inverter e Filtro Convertitore DC-AC Inverter e Filtro
Controllo della tensione U0 in ingresso allinverter -controllo con regolatore PI, frequenza di taglio 2 Hz, margine di fase 60属 -power feed-forward per migliorare la risposta alle variazioni della potenza fornita dai moduli Risposta ad una variazione a gradino della potenza in Ingresso da 320 a 32 W Convertitore DC-AC Inverter e Filtro Convertitore DC-AC Inverter e Filtro
Sistemi ad aggancio di fase (PLL) Sistemi ad aggancio di fase (PLL) Scopo: sincronizzare la corrente immessa in rete con la tensione Elementi da cui sono costituite: -comparatore di fase -filtro (regolatore PI) -oscillatore controllato in tensione Possibile realizzazione per sistema monofase: ) ( o d sen V ) cos( o q V Componente ortogonale: -segnale dingresso filtrato -si adatta alle variazioni di frequenza -struttura semplice
Risultati Risultati Potenza* 100% 50% 30% 10% Is[A] 1.3817 0.6936 0.4170 0.140 THD (Is) [%] 1.45 2.45 3.9324 11.5 Us[V] 231.6 230.8 230.5 230.1 THD (Us) [V] 0.166 0.167 0.167 0.168 PF 0.9999 0.9997 0.9992 0.9934 * Valore di partenza 320 W Valori RMS, THD e PF La normative IEC 61727 impone un PF > 0.9 per potenze erogate superiori al 50% della nominale
Spettro della corrente immessa in rete Spettro della corrente di rete IS di valore efficace 1.38A per un valore di potenza in ingresso pari a 320 W Risultati Risultati ORDINE DELLE ARMONICHE VALORI EFFICACI MASSIMI AMMESSI [A] Armoniche di ordine dispari 3 2.30 5 1.14 7 0.77 9 0.40 11 0.33 13 0.21 15n39 0.15x15/n Armoniche di ordine pari 2 1.08 4 0.43 6 0.30 8n40 0.23x8/n Limiti per le armoniche immesse in rete imposti dalla normativa EN61000-3-2
Risultati Risultati Spettro della corrente di rete IS di valore efficace 1.38A per un valore di potenza in ingresso pari a 320 W, rispetto alla fondamentale a 50 Hz Limiti per le armoniche immesse in rete imposti dalla normativa IEC 61727 < 5%
Algoritmo MPPT
5.Incentivi 5.Incentivi
Conto energia Conto energia Finanziamento per lenergia prodotta e venduta al gestore della rete elettrica o consumata sul posto Impianto Fotovoltaico Potenza [kW] Tariffe [/kWh] Classe 1 1P20 0.445 (servizio di scambio sul posto) 0.460 Classe 2 20P50 0.460 Classe 3 50P1000 0.490 (valore massimo soggetto a gara) Durata incentivo 20 anni Le domande vengono accettate fino al limite massimo annuale di 85 MW dal 2006 al 2012 o fino al limite massimo complessivo di 500 MW:
Impianto da 4 kWp Impianto da 4 kWp Posizione geografica Energia Prodotta Allanno Potenza di picco Energia Prodotta impianto Incentivo Risparmio acquisto Energia dall'ENEL Risparmio energetico Totale Costo Impianto Tempo ritorno capitale investito kWh / kWp Wp kWh/ anno / anno / anno / anno Anni Nord 950 3.850 3.658 1.682 585 2.268 26.118 11.8 Centro 1100 4.235 1.948 678 2.626 9.8 Sud 1.257 4.839 2.226 774 3.000 8.7 Incentivo sull'energia prodotta = Tariffa media Enel = 0,445 / kWh 0,16 / kWh -N属 22 Pannelli fotovoltaici SHARP NT 175 E1 (28,6 m2 ) -Inverter FRONIUS IG40
Grazie per lattenzione Grazie per lattenzione
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6.Conclusioni
Panoramica su sistemi fotovoltaici ed in particolare su quelli connessi alla rete Sistema fotovoltaico modulare 320 Wp -rispetto della normativa CEI EN 61000-3-2 (Limiti per le emissioni di corrente armonica) -bassi valori del THD e PF prossimo a 1, confrontabili con le realizzazioni in commercio Simulato algoritmo MPPT col metodo della corrente di cortocircuito Incentivi e bilancio per un sistema da 4 kWp
Configurazioni dei sistemi fotovoltaici Configurazioni dei sistemi fotovoltaici DC Direct-Drive PV Systems: il carico 竪 collegato direttamente al pannello fotovoltaico. Si usano quando non 竪 necessaria una costante fornitura di energia. Stand Alone DC PV Systems: forniscono energia in modo continuativo, pertanto necessitano di un accumulatore. Viene affiancato anche un sistema di condizionamento per la carica e scarica della batteria. Off-Grid AC PV Systems: sono sistemi che alimentano carichi in corrente alternata. Sono costituiti da: -convertitore corrente continua corrente alternata -banco di batterie -circuiti di condizionamento carica/scarica batterie Grid-Connected PV System Grid-Connected PV System: : sono collegati alla rete elettrica, che funge da serbatoio energetico nei periodi in cui il sistema non produce. Son costituiti da: -convertitore corrente continua corrente alternata -trasformatore disolamento (eventuale)
Configurazione degli array di moduli PV Configurazione degli array di moduli PV Central Inverter: garantisce elevate potenze (> 10kW) ed elevate tensioni. Necessita di un unico inverter. Svantaggi: -notevoli cablaggi lato continua -scarsa possibilit di ottimizzare lestrazione della Pm -poca flessibilit String Inverter: garantisce elevate tensioni grazie alla connessione in serie di pi湛 moduli. Usata per potenze fino ai 5kW. Vantaggi rispetto alla soluzione precedente: -non necessari i diodi di blocco -ottimizzazione della Pm estratta dalla stringa Multi string Inverter: ogni stringa 竪 connessa ad un convertitore continua- continua. Vantaggi rispetto Central Inverter: -unico inverter -ottimizzazione della Pm estratta dalla stringa grazie ai convertitori DC-DC -maggiore flessibilit AC Module: ogni modulo 竪 connesso al suo convertitore. Usato per piccole potenze (500 W), necessita di un convertitore DC-DC. Vantaggi: -non necessari cablaggi lato continua -ottimizza al massimo lestrazione della Pm -massima flessibilit Svantaggi: -bassa efficienza dellinverter -maggior manutenzione
Controllo della corrente immessa in rete Controllo della corrente immessa in rete Scopo: iniettare in rete una corrente proporzionale alla tensione CONTROLLORE PI Svantaggi: -errore a regime per riferimento sinusoidale -limitata reiezione ai disturbi e voltage feed- forward, portano ad un aumento THD CONTROLLORE PR+HC Vantaggi: -errore a regime nullo per un riferimento sinusoidale -maggior reiezione ai disturbi -banda passante e margine di fase restano inalterati rispetto al PI s K K s G I P PI ) ( 2 0 2 ) ( s s K K s G I P c 2 0 2 .. 7 , 5 , 3 ) ( ) ( h s s K s G h I h h
Convertitore DC-AC Inverter e Filtro Convertitore DC-AC Inverter e Filtro Specifiche: -mantenere il valore desiderato di tensione in ingresso U0 (360 V) -immettere in rete una corrente IS proporzionale alla tensione -filtrare le componenti ondulatorie date dallinverter e diverse dalla frequenza di rete CARATTERISTICHE: Inverter full-bridge con PWM a tre livelli -a parit di potenza fornita al carico, si dimezza la corrente sugli switch rispetto half-bridge -a parit di frequenza della portante, raddoppia la frequenza di commutazione rispetto PWM classica -frequenza della portante Fsw = 20 kHz
Conto energia Conto energia Finanziamento per lenergia prodotta e venduta al gestore della rete elettrica (30 Sett. 2005) stato individuato il GRTN (Gestore del sistema elettrico) quale "soggetto attuatore" che eroga le tariffe incentivanti. Impianto Fotovoltaico Potenza [kW] Tariffe [/kWh] Classe 1 1P20 0.445 (servizio di scambio sul posto) 0.460 Classe 2 20P50 0.460 Classe 3 50P1000 0.490 (valore massimo soggetto a gara) Le domande vengono accettate fino al limite massimo annuale di 85 MW dal 2006 al 2012 : - 60 MW per la Classe 1 e 2, 40 MW per la Classe 3 o fino al limite massimo complessivo di 500 MW: - 360 MW per la Classe 1 e 2, 140 MW per la Classe 3.

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  • 1. Paolo Mattavelli SISTEMI DI ALIMENTAZIONE ED SISTEMI DI ALIMENTAZIONE ED ELETTRONICA DI POTENZA PER ELETTRONICA DI POTENZA PER APPLICAZIONI FOTOVOLTAICHE APPLICAZIONI FOTOVOLTAICHE
  • 2. Indice Indice 1. Sistemi fotovoltaici 2. Sistemi PV connessi alla rete elettrica 3. Analisi e simulazioni sistema fotovoltaico doppio stadio 4. Algoritmo MPPT 5. Incentivi e realizzazioni 6. Conclusioni
  • 4. Leffetto fotoelettrico Leffetto fotoelettrico Raggio luminoso fornisce energia agli elettroni Nasce una coppia elettrone-lacuna (EHP) Il campo elettrico, nella zona di ricombinazione, separa le EHP Circolazione della corrente nel circuito esterno Modello circuitale Modello circuitale In assenza di luce la cella opera come un diodo Se illuminata, si schematizza con un generatore di corrente in parallelo ad un diodo Rsh data dalle correnti di perdita (trascurabile) Rs data dalle perdite ohmiche sulla superficie
  • 5. Modello della cella Modello della cella VOC = Tensione a circuito aperto ISC = Corrente di cortocircuito Pm = Potenza al punto di massima potenza (MPP) = VPM*IPM 硫 = Coefficiente di temperatura della VCO 留 = Coefficiente di temperatura della ISC FF (Fill Factor) = Pm/(VOC*ISC) 侶 = Efficienza di conversione = EPRODOTTA/ESOLARE ) 1 ( ) ( 0 I R V T K A q l S e I I I 0 0 )] 25 ( ) ( [ G G T G I I l l T T K B E q T T I I r GO r r 1 1 exp 3 0 0 Parametri Parametri
  • 6. Diodi di bypass e di blocco Diodi di bypass e di blocco 1 1 n i OC Oscurata Cella V V Connessione in serie Connessione in parallelo Stessa corrente cella oscurata forza la corrente delle altre. Diodi di BYPASS Stessa tensione la cella o la stringa forniscono un modesto contributo alla potenza totale. Se la cella 竪 in CC, la potenza si annulla! Diodi di BLOCCO
  • 7. Materiali utilizzati per la costruzione Materiali utilizzati per la costruzione Silicio monocristallino (sc-Si) -wafer dello spessore di 200-400 袖m, forma cristallina -elevata efficienza di conversione 侶 (~15-20%) -costo elevato dovuto al processo produttivo
  • 8. Materiali utilizzati per la costruzione Materiali utilizzati per la costruzione Silicio policristallino -formate da pi湛 cristalli di silicio aggregati tra loro (100袖m) -efficienza di conversione 侶 13% -costo contenuto rispetto al monocristallino
  • 9. Materiali utilizzati per la costruzione Materiali utilizzati per la costruzione Silicio amorfo -deposizione del materiale a basse temperature su qualsiasi substrato (vetro,plastica) -la giunzione n-i-p coincide con lo spessore della cella (10 袖m) + impurit ,> intensit del campo,< spessore -basse qualit elettroniche ed efficienze allo stato stabile 侶 6-7%
  • 10. Configurazioni dei sistemi fotovoltaici Configurazioni dei sistemi fotovoltaici DC Direct-Drive PV Systems: il carico 竪 collegato direttamente al pannello fotovoltaico. Si usano quando non 竪 necessaria una costante fornitura di energia. Stand Alone DC PV Systems: forniscono energia in modo continuativo, pertanto necessitano di un accumulatore. Off-Grid AC PV Systems: sono costituiti da: -convertitore corrente continua corrente alternata -banco di batterie -circuiti di condizionamento carica/scarica batterie Grid-Connected PV Systems Grid-Connected PV Systems: : sono collegati alla rete elettrica, che funge da serbatoio energetico nei periodi in cui il sistema non produce. Son costituiti da: -convertitore corrente continua corrente alternata -trasformatore disolamento (eventuale)
  • 11. 2.Sistemi PV connessi alla rete elettrica
  • 12. Configurazione degli array di moduli PV Configurazione degli array di moduli PV Central Inverter: Usato per potenze elevate 10-250 KW Vantaggi: -alte efficienze e bassi costi dellinverter Svantaggi: -notevoli cablaggi lato continua -scarsa possibilit di ottimizzare lestrazione della Pm -poca flessibilit
  • 13. Configurazione degli array di moduli PV Configurazione degli array di moduli PV String Inverter: Usato per applicazioni residenziali 1.5-5 KW Vantaggi rispetto al Central Inverter: -non sono necessari i diodi di blocco -ottimizzazione della Pm estratta dalla stringa
  • 14. Configurazione degli array di moduli PV Configurazione degli array di moduli PV Multi string Inverter: Vantaggi rispetto Central Inverter: -unico inverter -ottimizzazione della Pm estratta dalla stringa grazie ai convertitori DC-DC -maggiore flessibilit
  • 15. Configurazione degli array di moduli PV Configurazione degli array di moduli PV AC Module: Ogni pannello ha il proprio convertitore Vantaggi: -non necessari cablaggi lato continua -ottimizza al massimo lestrazione della Pm -massima flessibilit Svantaggi: -bassa efficienza dellinverter -maggior manutenzione
  • 16. Configurazioni dei convertitori Configurazioni dei convertitori DOPPIO STADIO Il valore di tensione data dai moduli PV non 竪 abbastanza alto: necessit di introdurre un convertitore innalzatore Senza isolamento Con isolamento LF Con isolamento HF
  • 17. Configurazioni dei convertitori Configurazioni dei convertitori DOPPIO STADIO con isolamento HF Full bridge isolated DC-DC boost converter(FB) Single inductor boost push-pull converter (SIC): Svantaggio: -elevato numero di componenti utilizzati Vantaggio: -maggiore efficienza Svantaggi: -costruzione pi湛 difficile del trasformatore -aumento della tensione che devon sopportare gli switch
  • 18. Configurazioni dei convertitori Configurazioni dei convertitori SINGOLO STADIO La tensione data dai moduli PV 竪 sufficientemente alta Senza isolamento Con isolamento DOPPIO STADIO con isolamento HF Double inductor boost push-pull converter (DIC): Vantaggi ulteriori rispetto al SIC: - < ripple sulla corrente IFC -costruzione pi湛 facile del trasformatore - < tensione sugli switch Svantaggio: -utilizzo di due induttori
  • 19. Algoritmi MPPT Algoritmi MPPT Perturbe & Observe Perturbe & Observe: al MPP si ha che dP/dv=0. V e dP/dV Y ci si sta muovendo verso il punto di massima potenza. Svantaggio: -oscillazione attorno al valore di V relativo al MPP -per rapide variazioni dirraggiamento ci si pu嘆 allontanare dal MPP Sistema non lineare e tempo variante Si vuole estrarre sempre la massima potenza dai moduli Sono necessari degli algoritmi che forniscano un riferimento di tensione o di corrente relativo al MPP
  • 20. Algoritmi MPPT Algoritmi MPPT Costant voltage Costant voltage: considerando costante il rapporto Vmpp/VOC, impone una tensione proporzionale alla VOC. Svantaggi: -per il tempo di misurazione della VOC il carico devessere disconnesso -il rapporto preso come costante non 竪 sempre tale al variare delle condizioni operative Parasitic capacitance Parasitic capacitance: 竪 una rifinitura dellIncremental Conductance. Sfruttando le capacit parassite dei moduli viene calcolata la conduttanza incrementale, attraverso perturbazioni introdotte dal MPPT.
  • 21. 2.Analisi e simulazioni sistema 2.Analisi e simulazioni sistema fotovoltaico doppio stadio fotovoltaico doppio stadio
  • 22. Specifiche generali Specifiche generali sistema per basse potenze in ingresso (300 W) quindi pensato per essere connesso ad uno o due moduli al massimo (Modulo AC) prestazioni in termini di efficienza , THD e PF paragonabili con i sistemi per potenze maggiori Rispetto della normativa sulle emissioni di corrente in rete CEI EN 61000-3-2 Scelte effettuate: sono stati scelti e connessi in serie, 2 moduli Sharp ND-160E1 da 160 Wp ciascuno per un totale, quindi di 320 Wp adottata la soluzione doppio stadio con convertitore BOOST continua-continua ed INVERTER, vista la bassa tensione fornita dai moduli
  • 23. Stringa di moduli Stringa di moduli n属celle 96 sislicio policristallino dimensioni 1318x1988x46mm 2.62m2 peso 32 kg VOC 56.8 V Vmp 45.6 V G0= ISC 8.04 A 1000 W/m2 Imp 7.02 A T = 25属C Pm 320 W 侶 12.2 PARAMETRI DELLA CONNESSIONE SERIE GRAFICI OTTENUTI DALLA SIMULAZIONE DEL MODELLO MATEMATICO
  • 24. Convertitore DC-DC Boost Convertitore DC-DC Boost CARATTERISTICHE: Frequenza di commutazione FSWB=100 kHz Ripple sulla corrente dingresso IL= 140 mA Cb= 1.1 亮F ed Lb= 2.82 mH. Controllo con regolatore PI, frequenza di taglio pari ad 1/10 della FSWB e margine di fase pari a 60属 Specifiche: -innalzare il valore di tensione Ui fino ad un valore > 230揃2 = 325.27 , (360 V) -controllare la corrente dingresso in modo che segua il riferimento Iirif Risposta ad una variazione a gradino del riferimento di corrente data da una variazione di potenza da 320 W a 183.5 W
  • 25. Convertitore DC-AC Inverter e Filtro Convertitore DC-AC Inverter e Filtro Specifiche: -mantenere il valore desiderato di tensione in ingresso U0 (360 V) -immettere in rete una corrente IS proporzionale alla tensione -filtrare le componenti ondulatorie date dallinverter e diverse dalla frequenza di rete CARATTERISTICHE: Inverter full-bridge con PWM a tre livelli -frequenza della portante Fsw = 20 kHz
  • 26. Filtro LC -ripple massimo sulla corrente di linea IS pari a 80 mA, L = 5.72 mH e C = 1 袖F Controllo della corrente immessa in rete -controllo con regolatore PI, frequenza di taglio 2 kHz pari ad 1/10 della Fsw, margine di fase 60属 -con il voltage feed-forward miglioramento della dinamica e quindi del PF ma lieve peggioramento dei valori di THD Convertitore DC-AC Inverter e Filtro Convertitore DC-AC Inverter e Filtro
  • 27. Controllo della tensione U0 in ingresso allinverter -controllo con regolatore PI, frequenza di taglio 2 Hz, margine di fase 60属 -power feed-forward per migliorare la risposta alle variazioni della potenza fornita dai moduli Risposta ad una variazione a gradino della potenza in Ingresso da 320 a 32 W Convertitore DC-AC Inverter e Filtro Convertitore DC-AC Inverter e Filtro
  • 28. Sistemi ad aggancio di fase (PLL) Sistemi ad aggancio di fase (PLL) Scopo: sincronizzare la corrente immessa in rete con la tensione Elementi da cui sono costituite: -comparatore di fase -filtro (regolatore PI) -oscillatore controllato in tensione Possibile realizzazione per sistema monofase: ) ( o d sen V ) cos( o q V Componente ortogonale: -segnale dingresso filtrato -si adatta alle variazioni di frequenza -struttura semplice
  • 29. Risultati Risultati Potenza* 100% 50% 30% 10% Is[A] 1.3817 0.6936 0.4170 0.140 THD (Is) [%] 1.45 2.45 3.9324 11.5 Us[V] 231.6 230.8 230.5 230.1 THD (Us) [V] 0.166 0.167 0.167 0.168 PF 0.9999 0.9997 0.9992 0.9934 * Valore di partenza 320 W Valori RMS, THD e PF La normative IEC 61727 impone un PF > 0.9 per potenze erogate superiori al 50% della nominale
  • 30. Spettro della corrente immessa in rete Spettro della corrente di rete IS di valore efficace 1.38A per un valore di potenza in ingresso pari a 320 W Risultati Risultati ORDINE DELLE ARMONICHE VALORI EFFICACI MASSIMI AMMESSI [A] Armoniche di ordine dispari 3 2.30 5 1.14 7 0.77 9 0.40 11 0.33 13 0.21 15n39 0.15x15/n Armoniche di ordine pari 2 1.08 4 0.43 6 0.30 8n40 0.23x8/n Limiti per le armoniche immesse in rete imposti dalla normativa EN61000-3-2
  • 31. Risultati Risultati Spettro della corrente di rete IS di valore efficace 1.38A per un valore di potenza in ingresso pari a 320 W, rispetto alla fondamentale a 50 Hz Limiti per le armoniche immesse in rete imposti dalla normativa IEC 61727 < 5%
  • 34. Conto energia Conto energia Finanziamento per lenergia prodotta e venduta al gestore della rete elettrica o consumata sul posto Impianto Fotovoltaico Potenza [kW] Tariffe [/kWh] Classe 1 1P20 0.445 (servizio di scambio sul posto) 0.460 Classe 2 20P50 0.460 Classe 3 50P1000 0.490 (valore massimo soggetto a gara) Durata incentivo 20 anni Le domande vengono accettate fino al limite massimo annuale di 85 MW dal 2006 al 2012 o fino al limite massimo complessivo di 500 MW:
  • 35. Impianto da 4 kWp Impianto da 4 kWp Posizione geografica Energia Prodotta Allanno Potenza di picco Energia Prodotta impianto Incentivo Risparmio acquisto Energia dall'ENEL Risparmio energetico Totale Costo Impianto Tempo ritorno capitale investito kWh / kWp Wp kWh/ anno / anno / anno / anno Anni Nord 950 3.850 3.658 1.682 585 2.268 26.118 11.8 Centro 1100 4.235 1.948 678 2.626 9.8 Sud 1.257 4.839 2.226 774 3.000 8.7 Incentivo sull'energia prodotta = Tariffa media Enel = 0,445 / kWh 0,16 / kWh -N属 22 Pannelli fotovoltaici SHARP NT 175 E1 (28,6 m2 ) -Inverter FRONIUS IG40
  • 36. Grazie per lattenzione Grazie per lattenzione
  • 39. Panoramica su sistemi fotovoltaici ed in particolare su quelli connessi alla rete Sistema fotovoltaico modulare 320 Wp -rispetto della normativa CEI EN 61000-3-2 (Limiti per le emissioni di corrente armonica) -bassi valori del THD e PF prossimo a 1, confrontabili con le realizzazioni in commercio Simulato algoritmo MPPT col metodo della corrente di cortocircuito Incentivi e bilancio per un sistema da 4 kWp
  • 40. Configurazioni dei sistemi fotovoltaici Configurazioni dei sistemi fotovoltaici DC Direct-Drive PV Systems: il carico 竪 collegato direttamente al pannello fotovoltaico. Si usano quando non 竪 necessaria una costante fornitura di energia. Stand Alone DC PV Systems: forniscono energia in modo continuativo, pertanto necessitano di un accumulatore. Viene affiancato anche un sistema di condizionamento per la carica e scarica della batteria. Off-Grid AC PV Systems: sono sistemi che alimentano carichi in corrente alternata. Sono costituiti da: -convertitore corrente continua corrente alternata -banco di batterie -circuiti di condizionamento carica/scarica batterie Grid-Connected PV System Grid-Connected PV System: : sono collegati alla rete elettrica, che funge da serbatoio energetico nei periodi in cui il sistema non produce. Son costituiti da: -convertitore corrente continua corrente alternata -trasformatore disolamento (eventuale)
  • 41. Configurazione degli array di moduli PV Configurazione degli array di moduli PV Central Inverter: garantisce elevate potenze (> 10kW) ed elevate tensioni. Necessita di un unico inverter. Svantaggi: -notevoli cablaggi lato continua -scarsa possibilit di ottimizzare lestrazione della Pm -poca flessibilit String Inverter: garantisce elevate tensioni grazie alla connessione in serie di pi湛 moduli. Usata per potenze fino ai 5kW. Vantaggi rispetto alla soluzione precedente: -non necessari i diodi di blocco -ottimizzazione della Pm estratta dalla stringa Multi string Inverter: ogni stringa 竪 connessa ad un convertitore continua- continua. Vantaggi rispetto Central Inverter: -unico inverter -ottimizzazione della Pm estratta dalla stringa grazie ai convertitori DC-DC -maggiore flessibilit AC Module: ogni modulo 竪 connesso al suo convertitore. Usato per piccole potenze (500 W), necessita di un convertitore DC-DC. Vantaggi: -non necessari cablaggi lato continua -ottimizza al massimo lestrazione della Pm -massima flessibilit Svantaggi: -bassa efficienza dellinverter -maggior manutenzione
  • 42. Controllo della corrente immessa in rete Controllo della corrente immessa in rete Scopo: iniettare in rete una corrente proporzionale alla tensione CONTROLLORE PI Svantaggi: -errore a regime per riferimento sinusoidale -limitata reiezione ai disturbi e voltage feed- forward, portano ad un aumento THD CONTROLLORE PR+HC Vantaggi: -errore a regime nullo per un riferimento sinusoidale -maggior reiezione ai disturbi -banda passante e margine di fase restano inalterati rispetto al PI s K K s G I P PI ) ( 2 0 2 ) ( s s K K s G I P c 2 0 2 .. 7 , 5 , 3 ) ( ) ( h s s K s G h I h h
  • 43. Convertitore DC-AC Inverter e Filtro Convertitore DC-AC Inverter e Filtro Specifiche: -mantenere il valore desiderato di tensione in ingresso U0 (360 V) -immettere in rete una corrente IS proporzionale alla tensione -filtrare le componenti ondulatorie date dallinverter e diverse dalla frequenza di rete CARATTERISTICHE: Inverter full-bridge con PWM a tre livelli -a parit di potenza fornita al carico, si dimezza la corrente sugli switch rispetto half-bridge -a parit di frequenza della portante, raddoppia la frequenza di commutazione rispetto PWM classica -frequenza della portante Fsw = 20 kHz
  • 44. Conto energia Conto energia Finanziamento per lenergia prodotta e venduta al gestore della rete elettrica (30 Sett. 2005) stato individuato il GRTN (Gestore del sistema elettrico) quale "soggetto attuatore" che eroga le tariffe incentivanti. Impianto Fotovoltaico Potenza [kW] Tariffe [/kWh] Classe 1 1P20 0.445 (servizio di scambio sul posto) 0.460 Classe 2 20P50 0.460 Classe 3 50P1000 0.490 (valore massimo soggetto a gara) Le domande vengono accettate fino al limite massimo annuale di 85 MW dal 2006 al 2012 : - 60 MW per la Classe 1 e 2, 40 MW per la Classe 3 o fino al limite massimo complessivo di 500 MW: - 360 MW per la Classe 1 e 2, 140 MW per la Classe 3.

Editor's Notes

  • #2: Gli argomenti trattati sono i seguenti: si parte con una classificazione dei sistemi fotovoltaici e delle parti che li compongono. Si passa poi La terza parte riguarda Si 竪 poi analizzato e simulato un Infine sono stati trattati.
  • #13: Ciao
  • #14: Ciao
  • #15: Ciao
  • #16: Ciao
  • #23: A partire dai riferimenti al punto di massima potenza forniti dal MPPT si hanno 2 soluzioni diverse a seconda che il sistema sia doppio o singolo stadio.
  • #40: Attualmente gli incentivi vengono dati sotto forma di
  • #50: Attualmente gli incentivi vengono dati sotto forma di