Émulation solaire et test d'onduleurs

Vue d'ensemble

Les panneaux solaires produisent une sortie CC avec des caractéristiques non linéaires variant en fonction de la température et de l'irradiance. Les dispositifs directement connectés aux panneaux solaires, tels que les onduleurs solaires, tiennent compte de ces variations pour caractériser la sortie du panneau et maximiser la quantité d'énergie convertie. Les caractéristiques de sortie des panneaux solaires diffèrent considérablement d'une alimentation CC standard, nécessitant la mise en œuvre de contrôles supplémentaires pour qu'une alimentation CC puisse satisfaire ces exigences de test.

Caractéristiques des panneaux solaires

Les caractéristiques de tension et de courant des panneaux solaires fluctuent avec la température et l'irradiance des panneaux ; de manière générale, l'irradiance affecte le courant de sortie et la température affecte la tension de sortie. Les dispositifs connectés aux panneaux solaires, tels que les onduleurs solaires, doivent maximiser la puissance de sortie du panneau solaire en localisant le point de fonctionnement maximal. De plus, les dispositifs équipés d'un suivi du point de puissance maximale doivent également ajuster le point de fonctionnement pour tenir compte des fluctuations de température et d'ensoleillement.

Pourquoi Magna-Power Electronics

• Émulation de panneau solaire ou alimentation standard : Le logiciel Photovoltaic Power Profile Emulation de Magna-Power Electronics permet à toute alimentation Magna-Power Electronics d'émuler les caractéristiques non linéaires d'un panneau solaire et de faire varier ces caractéristiques en fonction du temps. Toute alimentation Magna-Power Electronics peut basculer entre le fonctionnement en alimentation standard, avec les modes CV et CC, et le fonctionnement en émulation solaire. Ce double fonctionnement permet une utilisation maximale de l'équipement de test pour une grande variété d'applications.
• Programmation et mesure précises : La précision de programmation et de mesure de Magna-Power Electronics est parmi les plus élevées de l'industrie. Les ingénieurs peuvent se fier aux mesures directement issues de l'alimentation pour la calibration, ce qui signifie moins d'instrumentation et de complications dans les environnements de test.
• Neutralisation harmonique : Magna-Power Electronics a été pionnier dans la technologie de neutralisation harmonique, permettant le test d'onduleurs centraux dans la gamme des multi-mégawatts avec des formes d'onde allant jusqu'à 48 impulsions produites par l'alimentation.
• Option taux de variation élevé (+HS) : L'option de taux de variation élevé, disponible pour tous les produits Magna-Power Electronics, offre une capacité de sortie réduite et l'utilisation de la technologie de condensateurs à film au lieu des condensateurs électrolytiques en aluminium standard. Pour le test d'onduleurs solaires, l'option de taux de variation élevé est fortement recommandée, car la capacité de sortie réduite signifie moins d'interaction avec les composantes d'ondulation de l'onduleur, tout en offrant à l'alimentation une bande passante plus élevée.

Logiciel d'émulation de panneau solaire

Le logiciel Photovoltaic Power Profile Emulation (PPPE) de Magna-Power Electronics génère des profils tension/courant (V/I) non linéaires basés sur la norme EN50530, permettant la variation de ces caractéristiques V/I en fonction de la température et de l'ensoleillement. Ces profils peuvent être envoyés séquentiellement à l'alimentation, permettant aux variations des paramètres solaires de modifier les caractéristiques de sortie de l'alimentation sur des intervalles définis par l'utilisateur. De plus, une fonction d'interpolation permet la génération automatisée de profils entre les courbes, pour des transitions fluides d'une condition de température et d'irradiance à une autre. Cette fonctionnalité peut être utilisée, par exemple, pour passer de conditions hivernales nuageuses à des conditions estivales ensoleillées. Alternativement, un profil peut être stocké en interne dans l'alimentation, pour une utilisation sans connexion à un ordinateur. En outre, une exportation de commandes est disponible pour exploiter la facilité de génération de profils solaires de PPPE depuis un environnement automatisé tel que LabVIEW ou Visual Studio.

Trois méthodes différentes sont fournies pour la génération de profils :

• Paramètres de référence : Si une cellule solaire de référence et les caractéristiques du panneau sont connues, les profils peuvent être générés en utilisant les valeurs des paramètres de la cellule solaire : T_ref, Ir_ref, V_mp, I_mp, V_oc, I_sc, β et α. Un menu déroulant est fourni pour sélectionner la technologie polysilicium (cSi) ou couche mince, afin de remplir automatiquement les valeurs β et α conformément à la norme EN50530. Après avoir renseigné les valeurs de référence, générer une nouvelle courbe est aussi simple que de spécifier une valeur de température et d'irradiance pour chaque nouvelle courbe.
• 4 paramètres : La méthode de génération de profils la plus simple, les profils peuvent être générés en utilisant uniquement le point de puissance maximale, la tension maximale (circuit ouvert) et le courant maximal (court-circuit) : V_mp, I_sc, V_oc et I_sc.
• Jusqu'à 50 points manuels : Une courbe manuelle peut être utilisée avec le logiciel PPPE, soit en entrant manuellement les points de tension et de courant, soit en important les valeurs à partir d'un fichier de valeurs séparées par des virgules (.csv). Un maximum de 50 points peut être entré, cependant, l'alimentation effectuera une approximation linéaire par morceaux entre ces points pendant le fonctionnement, assurant une haute résolution.

Un visualiseur de sortie en temps réel fournit une fenêtre plein écran affichant simultanément la tension, le courant et la puissance de sortie et suit ces paramètres dans le temps. Cette fenêtre offre une vue d'ensemble claire de la capacité de la charge connectée à suivre les changements de température et d'irradiance dans le temps. Une fonctionnalité d'enregistrement des données est fournie pour sauvegarder les valeurs de tension, courant et puissance de sortie ainsi que les caractéristiques de sortie définies dans le temps.

Gamme de produits étendue et modulaire

Magna-Power Electronics offre la plus large gamme d'alimentations CC programmables standard avec capacité d'émulation solaire. Les produits en rack de Magna-Power Electronics sont proposés à partir de 2 kW et les systèmes au sol jusqu'à 4 000 kW, avec des tensions allant jusqu'à 4 000 Vdc (flottant) et des courants allant jusqu'à 24 000 Adc. Toute la gamme de produits est dotée de commandes identiques et d'options de programmation identiques. Les unités sont livrées en standard avec un contrôle rotatif continu en face avant, une interface informatique RS-232 et un contrôle externe analogique/numérique isolé à 37 broches. Des options telles que LXI TCP/IP Ethernet (+LXI), IEEE 488.2 GPIB (+GPIB) et USB Edgeport (externe) (+USB) sont disponibles comme interfaces de programmation supplémentaires. Toutes les interfaces de programmation prennent en charge le jeu de commandes SCPI de base et sont compatibles avec le logiciel Photovoltaic Power Profile Emulation. De plus, le logiciel Remote Interface pour le contrôle en face avant par ordinateur et les pilotes IVI sont inclus, pour faciliter la programmation à distance. À mesure que les besoins en puissance augmentent, l'émulateur de panneau solaire peut également évoluer. Grâce aux blocs modulaires proposés par les alimentations Magna-Power Electronics, des unités peuvent être ajoutées en parallèle ou en série maître/esclave à tout moment. Pour une flexibilité maximale, les unités peuvent être utilisées individuellement, dans des systèmes maître/esclave plus petits, ou toutes ensemble dans un grand système, à condition que tous les modules soient des modèles identiques.

Pour le test d'onduleurs centraux, les produits MT Series sont proposés en modules de 100 kW, 150 kW et 250 kW. Les unités indépendantes MT Series à base d'IGBT comptent parmi les plus grandes alimentations à découpage standard du marché, minimisant le nombre de composants de commutation par rapport à des modules de plus petite taille. La mise à l'échelle dans la gamme des multi-mégawatts est réalisée à l'aide du dispositif UID47, qui fournit un contrôle maître/esclave : une alimentation prend le commandement des unités restantes, pour un véritable fonctionnement en système.

Toutes les alimentations Magna-Power Electronics peuvent être configurées pour un fonctionnement en parallèle ou en série maître/esclave avec d'autres alimentations de puissance équivalente. Le fonctionnement maître/esclave Plug & Play est assuré par le dispositif UID47, qui interconnecte les signaux de contrôle entre les alimentations.

Pour les applications de déverminage, les onduleurs centraux nécessitent des tensions élevées et des courants élevés, mais souvent pas simultanément. Par conséquent, disposer d'alimentations pouvant être reconfigurées dans différentes configurations de modules en série et en parallèle est avantageux et, de plus, offre la solution la plus rentable. Par exemple, considérons des exigences distinctes de déverminage d'onduleurs pour 2000 Vdc à 500 Adc et également 500 Vdc à 2000 Adc. Plutôt que de spécifier une alimentation capable à la fois de 2000 Vdc et 2000 Adc, une solution beaucoup plus petite et moins coûteuse peut être spécifiée en utilisant la configuration modulaire de Magna-Power Electronics, en changeant les alimentations du fonctionnement en série au fonctionnement en parallèle pour les exigences de test distinctes.

La reconfiguration de l'étage de sortie de l'alimentation de série à parallèle est réalisée au moyen d'un contacteur externe ou d'un commutateur à bascule économique. La reconfiguration ne doit pas avoir lieu lorsque les sorties sont sous tension ; l'alimentation doit être à zéro volt et zéro ampère. De plus, les câbles de contrôle UID47 doivent également être modifiés, car les unités esclaves reçoivent des signaux différents selon le fonctionnement en série ou en parallèle. Les ingénieurs d'application de Magna-Power Electronics sont disponibles pour accompagner les meilleures pratiques pour ce processus.

Option taux de variation élevé (+HS)

L'option de taux de variation élevé résout plusieurs limitations inhérentes à la conception des alimentations à découpage. Les transitions rapides de tension nécessitent que l'électronique interne fournisse l'énergie pour charger et décharger les condensateurs de sortie. Les courants de crête internes à l'alimentation définissent le taux de variation ; l'utilisation d'une capacité moindre permet des transitions de tension en des périodes plus courtes. De plus, moins de capacité réduit les exigences de décharge lors des conditions de circuit ouvert.

L'étage de sortie standard des alimentations Magna-Power Electronics a été conçu pour fournir la tension d'ondulation de sortie la plus faible possible dans les limites des composants disponibles, de la taille et du coût. Une partie de l'étage de sortie est constituée d'une banque de condensateurs électrolytiques en aluminium qui possède les propriétés électriques souhaitées pour assurer cette fonction. Ces composants nécessitent des résistances de décharge pour évacuer toute tension lorsque l'alimentation est sans charge et désactivée. Bien que la présence de ces composants et les performances qui en résultent soient normalement acceptées dans l'industrie, il existe des applications où une capacité de sortie plus faible et des résistances de décharge à moindres pertes sont extrêmement souhaitables et une tension d'ondulation plus élevée est acceptable. Pour répondre à ce besoin, une option de taux de variation élevé est disponible, dotée d'un étage de sortie composé de condensateurs à film et de condensateurs électrolytiques en aluminium à faible capacité.

Pour les applications d'émulation photovoltaïque, une bande passante plus élevée et une capacité de sortie plus faible permettent des performances améliorées avec des algorithmes de suivi du point de puissance maximale plus rapides. Le circuit de suivi du point de puissance maximale dévie le point de fonctionnement des panneaux photovoltaïques pour déterminer la puissance de sortie maximale. Des sources d'émulation à réponse lente peuvent poser problème lorsque la vitesse de l'algorithme dépasse celle de la source. De plus, avec une capacité de sortie plus faible, les changements du point de fonctionnement et les transitoires, causés par le court-circuit de l'entrée de l'onduleur solaire, produisent des courants d'entrée indésirables plus faibles.

Option sortie à isolation élevée (+ISO)

Lors de la connexion d'unités en série, il est important de noter la tension d'isolation de sortie du produit, qui varie selon la série et le modèle du produit, conformément aux spécifications du produit. L'isolation du produit ne doit pas être dépassée par un système d'alimentations configurées en série. Le tableau suivant fournit une référence rapide pour les tensions d'isolation de sortie disponibles :

L'isolation standard pour les produits XR Series, TS Series et MS Series Une option d'isolation élevée (+ISO) est disponible pour les produits TS Series et MS Series de 1000 Vdc et moins, permettant une isolation de sortie jusqu'à 2000 Vdc + Vo/2 entièrement flottante, où Vo est la tension de sortie nominale du produit. Les produits MT Series de 400 Vdc et plus sont disponibles avec une isolation de sortie de 4000 Vdc.

Recyclage d'énergie des onduleurs centraux

Le développement et la production d'onduleurs centraux à l'échelle du mégawatt imposent des exigences uniques en matière d'équipement de test et d'installations électriques. La sortie CA de l'onduleur peut être réinjectée dans l'entrée de l'alimentation CC, permettant le recyclage de l'énergie. La sortie de l'onduleur solaire est couramment recyclée dans l'entrée de l'alimentation CC, permettant au système d'alimentation d'être dimensionné pour fournir uniquement les pertes globales ; une petite fraction de la conversion de puissance totale. Avec ce type de configuration, les harmoniques de puissance jouent un rôle critique sur les performances et la fiabilité des tests.

Les harmoniques de courant d'entrée sont un sous-produit de presque toutes les alimentations. La puissance ne peut être délivrée à la charge que si la fréquence et la phase de la tension et du courant correspondent. Pour une alimentation triphasée utilisant un redresseur d'entrée triphasé, le courant d'entrée a un spectre théorique de 6n±1 où n est un entier incrémenté à partir de 1 ; ceci est connu sous le nom de forme d'onde à 6 impulsions. Cela signifie qu'une alimentation avec un redresseur d'entrée triphasé produira des courants d'entrée à 1, 5, 7, 11, 13, 17, 19 ... fois la fréquence fondamentale. L'amplitude théorique décroît comme l'inverse de la composante harmonique. Les composantes harmoniques du 5e et du 7e rang ont des amplitudes de 20 % et 14 % de la composante fondamentale, respectivement.

Les courants harmoniques dans les systèmes électriques peuvent trouver des chemins inhabituels et peuvent causer des problèmes si l'amplitude est significative et s'il existe des charges sensibles aux fréquences harmoniques. Par exemple, les ballasts d'éclairage ont des condensateurs et des inductances connectés en série qui peuvent être excités par les courants harmoniques. L'IEEE a introduit la norme IEEE 519, qui définit les limites recommandées. La mise en œuvre de cette norme nécessite une connaissance du système électrique et des autres charges produisant des harmoniques. Malheureusement, la norme peut permettre à la même alimentation de dépasser les limites dans une application et non dans une autre. De la même manière, une alimentation peut ou non causer un problème lié aux harmoniques avec ou sans conformité à l'IEEE 519. La meilleure solution pour minimiser le risque d'un problème harmonique est d'éliminer le courant harmonique à la source.

Les neutraliseurs harmoniques de Magna-Power Electronics suppriment des familles d'harmoniques en augmentant le nombre de phases de puissance. Ils peuvent être utilisés lorsque plusieurs alimentations sont utilisées en série ou en parallèle et sont chargées de manière égale. Les neutraliseurs harmoniques peuvent produire des formes d'onde à 12 impulsions, 18 impulsions, 24 impulsions ou 48 impulsions ayant des composantes de courant harmonique de l'ordre de 12n±1, 18n±1, 24n±1 ou 48n±1, respectivement. La Figure 1 montre la différence théorique entre les formes d'onde à 6 impulsions et 12 impulsions ; les formes d'onde à 18 impulsions sont similaires, mais avec davantage de paliers. La Figure 2 montre les différences spectrales résultantes. Les neutraliseurs harmoniques HN Series sont protégés par un disjoncteur de taille appropriée.

Tous les produits MT Series de 250 kW sont livrés avec un neutraliseur harmonique intégré à 12 impulsions, ce qui signifie que les sources de 250 kW produiront des formes d'onde CA à 12 impulsions en standard. Pour atteindre des niveaux de puissance plus élevés, plusieurs unités MT Series de 250 kW sont connectées ensemble en parallèle et/ou en série maître/esclave à l'aide du dispositif UID47. Pour les onduleurs centraux dans la gamme des multi-mégawatts, Magna-Power Electronics propose un neutraliseur harmonique de 500 kW à 24 impulsions, HN500, ou un neutraliseur harmonique à 48 impulsions, HN1000, pour répondre aux exigences harmoniques les plus strictes. Lorsque cette option est fournie avec un grand système MT Series, un dispositif HN500 est utilisé avec chaque paire d'alimentations de 250 kW ou un HN1000 est utilisé avec chaque groupe de quatre alimentations de 250 kW. L'alimentation CA entrante est fournie au primaire du HN500/HN1000 pour un point d'entrée unique. Le câblage du côté secondaire du HN500/HN1000 à l'entrée CA de l'alimentation est fourni par Magna-Power Electronics.

Résumé

Magna-Power Electronics offre une large gamme de solutions pour les exigences de test d'onduleurs solaires. Le logiciel Photovoltaic Power Profile Emulation fournit une génération de courbes V/I non linéaires conformément à la norme EN50530, un enregistrement des données, ainsi qu'une émulation séquentielle de courbes via une alimentation Magna-Power Electronics. Des options telles que la sortie à taux de variation élevé (+HS) et la sortie à isolation élevée (+ISO) offrent des améliorations de sortie pour des exigences spécifiques de test d'onduleurs solaires. Enfin, la technologie innovante de neutralisation harmonique de Magna-Power Electronics permet des formes d'onde CA propres, même en utilisant la technologie d'alimentation à découpage dans la gamme des multi-mégawatts.