Emulazione solare e collaudo degli inverter

Panoramica

I pannelli solari producono un'uscita in corrente continua con caratteristiche non lineari che variano in funzione della temperatura e dell'irradiamento. I dispositivi direttamente collegati ai pannelli solari, come gli inverter solari, tengono conto di queste variazioni sia per caratterizzare l'uscita del pannello sia per massimizzare la potenza convertita. Le caratteristiche di uscita dei pannelli solari differiscono significativamente da un alimentatore DC standard, richiedendo l'implementazione di controlli aggiuntivi affinché un alimentatore DC possa soddisfare questi requisiti di test.

Caratteristiche dei pannelli solari

Le caratteristiche di tensione e corrente dei pannelli solari fluttuano con la temperatura e l'irradiamento dei pannelli; in termini generali, l'irradiamento influenza la corrente di uscita e la temperatura influenza la tensione di uscita. I dispositivi collegati ai pannelli solari, come gli inverter solari, devono massimizzare la potenza di uscita del pannello individuando il punto operativo massimo. Inoltre, i dispositivi dotati di inseguimento del punto di massima potenza devono anche regolare il punto operativo per compensare le fluttuazioni di temperatura e luce solare.

Perché Magna-Power Electronics

• Emulazione di pannelli solari o alimentatore standard: Il software Photovoltaic Power Profile Emulation di Magna-Power Electronics consente a qualsiasi alimentatore Magna-Power Electronics di emulare le caratteristiche non lineari di un pannello solare e di variare tali caratteristiche in funzione del tempo. Qualsiasi alimentatore Magna-Power Electronics può passare dall'operatività come alimentatore standard, con modalità CV e CC, all'operatività in emulazione solare e viceversa. Questa doppia operatività consente il massimo utilizzo delle apparecchiature di test per un'ampia varietà di applicazioni.
• Programmazione e misurazione accurate: La precisione di programmazione e misurazione di Magna-Power Electronics è tra le più elevate nel settore. Gli ingegneri possono fare affidamento sulle misurazioni direttamente dall'alimentatore per la calibrazione, il che significa meno strumentazione e complessità negli ambienti di test.
• Neutralizzazione armonica: Magna-Power Electronics è stata pioniera nella tecnologia di neutralizzazione armonica, consentendo il collaudo di inverter centralizzati nella gamma dei multi-megawatt con forme d'onda fino a 48 impulsi prodotte dall'alimentatore.
• Opzione alta velocità di variazione (+HS): L'opzione alta velocità di variazione, disponibile per tutti i prodotti Magna-Power Electronics, offre una capacità di uscita ridotta e l'utilizzo di tecnologia a condensatori a film anziché elettrolitici in alluminio standard. Per il collaudo degli inverter solari, l'opzione alta velocità di variazione è altamente raccomandata, poiché la capacità di uscita ridotta comporta una minore interazione con le componenti di ripple dell'inverter, garantendo al contempo una maggiore larghezza di banda all'alimentatore.

Software di emulazione di pannelli solari

Il software Photovoltaic Power Profile Emulation (PPPE) di Magna-Power Electronics genera profili non lineari tensione/corrente (V/I) basati sullo standard EN50530, consentendo la variazione di queste caratteristiche V/I in funzione della temperatura e della luce solare. Questi profili possono essere inviati sequenzialmente all'alimentatore, permettendo alle variazioni dei parametri solari di modificare le caratteristiche di uscita dell'alimentatore a intervalli definiti dall'utente. Inoltre, una funzione di interpolazione consente la generazione automatica di profili tra le curve, per transizioni fluide da una condizione di temperatura e irradiamento a un'altra. Questa funzionalità può essere utilizzata, ad esempio, per passare da condizioni invernali nuvolose a condizioni estive soleggiate. In alternativa, un profilo può essere memorizzato internamente nell'alimentatore, per l'uso quando è disconnesso da un computer. È inoltre disponibile un'esportazione di comandi per sfruttare la facilità di generazione di profili solari del PPPE da un ambiente automatizzato come LabVIEW o Visual Studio.

Sono disponibili tre diversi metodi per la generazione dei profili:

• Parametri di riferimento: Se sono note le caratteristiche della cella solare e del pannello di riferimento, i profili possono essere generati utilizzando i valori dei parametri della cella solare: T_ref, Ir_ref, V_mp, I_mp, V_oc, I_sc, β e α. È disponibile un menu a tendina per selezionare la tecnologia in polisilicio (cSi) o a film sottile, per popolare automaticamente i valori β e α in conformità con lo standard EN50530. Dopo aver inserito i valori di riferimento, generare una nuova curva è semplice come specificare un valore di temperatura e irradiamento per ogni nuova curva.
• 4 parametri: Il metodo di generazione profili più semplice. I profili possono essere generati utilizzando solo il punto di massima potenza, la tensione massima (a circuito aperto) e la corrente massima (di cortocircuito): V_mp, I_sc, V_oc e I_sc.
• Fino a 50 punti manuali: È possibile utilizzare una curva manuale con il software PPPE, inserendo manualmente i punti di tensione e corrente oppure importando i valori da un file con valori separati da virgola (.csv). È possibile inserire un massimo di 50 punti; tuttavia, l'alimentatore eseguirà un'approssimazione lineare a tratti tra questi punti durante il funzionamento, garantendo un'alta risoluzione.

Un visualizzatore dell'uscita in tempo reale fornisce una finestra a schermo intero che mostra simultaneamente tensione, corrente e potenza di uscita e traccia questi parametri nel tempo. Questa finestra offre una panoramica chiara della capacità del carico collegato di seguire le variazioni di temperatura e irradiamento nel tempo. È disponibile una funzionalità di registrazione dati per salvare i valori di tensione, corrente e potenza in uscita, nonché le caratteristiche di uscita definite nel tempo.

Gamma di prodotti ampia e modulare

Magna-Power Electronics offre la più ampia gamma di alimentatori DC programmabili standard con capacità di emulazione solare. I prodotti da rack di Magna-Power Electronics partono da 2 kW e i sistemi a pavimento arrivano fino a 4.000 kW, con tensioni fino a 4.000 Vdc (flottante) e correnti fino a 24.000 Adc. L'intera linea di prodotti presenta controlli identici e opzioni di programmazione identiche. Le unità sono fornite di serie con controllo rotativo senza scatti sul pannello frontale, interfaccia computer RS-232 e controllo esterno analogico/digitale isolato a 37 pin. Opzioni come LXI TCP/IP Ethernet (+LXI), IEEE 488.2 GPIB (+GPIB) e USB Edgeport (esterno) (+USB) sono disponibili come interfacce di programmazione aggiuntive. Tutte le interfacce di programmazione supportano il set di comandi SCPI di base e sono compatibili con il software Photovoltaic Power Profile Emulation. Inoltre, sono inclusi il software Remote Interface per il controllo da pannello frontale tramite computer e i driver IVI, per una facile programmazione remota. Con la crescita dei requisiti di potenza, può crescere anche l'emulatore di pannelli solari. Con i blocchi modulari offerti dagli alimentatori Magna-Power Electronics, è possibile aggiungere unità in parallelo o in serie master/slave in qualsiasi momento. Per la massima flessibilità, le unità possono essere utilizzate singolarmente, in sistemi master/slave più piccoli o tutte insieme in un unico grande sistema, a condizione che tutti i moduli siano modelli equivalenti.

Per il collaudo degli inverter centralizzati, i prodotti della Serie MT sono offerti in moduli da 100 kW, 150 kW e 250 kW. Le unità indipendenti basate su IGBT della Serie MT sono tra i più grandi alimentatori switching standard sul mercato, minimizzando il numero di componenti di commutazione rispetto a moduli di dimensioni inferiori. Il dimensionamento nella gamma dei multi-megawatt è ottenuto tramite il dispositivo UID47, che fornisce il controllo master/slave: un alimentatore assume il comando sulle unità rimanenti, per un vero funzionamento di sistema.

Tutti gli alimentatori Magna-Power Electronics possono essere configurati per il funzionamento master/slave in parallelo o in serie con altri alimentatori di pari potenza nominale. Il funzionamento master/slave Plug & Play è fornito dal dispositivo UID47, che interconnette i segnali di controllo tra gli alimentatori.

Per le applicazioni di rodaggio, gli inverter centralizzati richiedono alte tensioni e alte correnti, ma spesso non simultaneamente. Pertanto, disporre di alimentatori in grado di essere riconfigurati in diverse configurazioni di moduli in serie e in parallelo è vantaggioso e, inoltre, offre la soluzione più economica. Ad esempio, si considerino requisiti distinti di rodaggio per inverter a 2000 Vdc a 500 Adc e anche a 500 Vdc a 2000 Adc. Anziché specificare un alimentatore in grado di fornire sia 2000 Vdc sia 2000 Adc, è possibile specificare una soluzione molto più piccola e meno costosa utilizzando la configurazione modulare di Magna-Power Electronics, passando gli alimentatori dal funzionamento in serie a quello in parallelo per i distinti requisiti di test.

La riconfigurazione dello stadio di uscita dell'alimentatore da serie a parallelo si ottiene tramite un contattore esterno o un interruttore a basso costo. La riconfigurazione non deve essere effettuata mentre le uscite sono sotto tensione; l'alimentatore deve invece trovarsi a zero volt e ampere. Inoltre, devono essere modificati anche i cavi di controllo del UID47, poiché le unità slave ricevono segnali diversi a seconda del funzionamento in serie o in parallelo. Gli ingegneri applicativi di Magna-Power Electronics sono disponibili per fornire assistenza sulle migliori pratiche per questo processo.

Opzione alta velocità di variazione (+HS)

L'opzione alta velocità di variazione risolve diverse limitazioni intrinseche nella progettazione degli alimentatori switching. Le transizioni rapide di tensione richiedono che l'elettronica interna fornisca l'energia per caricare e scaricare i condensatori di uscita. Le correnti di picco interne all'alimentatore definiscono la velocità di variazione; l'utilizzo di una capacità inferiore consente transizioni di tensione in periodi di tempo più brevi. Inoltre, una capacità inferiore riduce i requisiti di scarica durante le condizioni a circuito aperto.

Lo stadio di uscita standard degli alimentatori Magna-Power Electronics è stato progettato per fornire la minima tensione di ripple in uscita possibile entro i vincoli dei componenti disponibili, delle dimensioni e dei costi. Parte dello stadio di uscita è costituita da un banco di condensatori elettrolitici in alluminio che possiede le proprietà elettriche desiderate per svolgere questa funzione. Questi componenti richiedono resistenze di scarica per scaricare qualsiasi tensione quando l'alimentatore è senza carico e disabilitato. Sebbene la presenza di questi componenti e le relative prestazioni siano normalmente accettate nel settore, esistono applicazioni in cui una capacità di uscita inferiore e resistenze di scarica con minori perdite sono estremamente desiderabili e una tensione di ripple più elevata è accettabile. Per soddisfare questa esigenza, è disponibile un'opzione ad alta velocità di variazione dotata di uno stadio di uscita composto da condensatori a film e condensatori elettrolitici in alluminio a bassa capacità.

Per le applicazioni di emulazione fotovoltaica, una maggiore larghezza di banda e una minore capacità di uscita consentono prestazioni migliori con algoritmi di inseguimento del punto di massima potenza più veloci. Il circuito di inseguimento del punto di massima potenza devia il punto operativo dei pannelli fotovoltaici per determinare la massima potenza di uscita. Fonti di emulazione a risposta lenta possono presentare un problema quando la velocità dell'algoritmo supera quella della sorgente. Inoltre, con una capacità di uscita inferiore, le variazioni del punto operativo e i transitori, causati dal cortocircuito dell'ingresso dell'inverter solare, producono correnti di ingresso indesiderate inferiori.

Opzione uscita ad alto isolamento (+ISO)

Quando si collegano unità in serie, è importante notare il valore di isolamento in uscita del prodotto, che varia a seconda della serie e del modello del prodotto, come da specifiche del prodotto. L'isolamento del prodotto non deve essere superato da un sistema di alimentatori configurati in serie. La tabella seguente fornisce un riferimento rapido per i valori di isolamento in uscita disponibili:

L'isolamento standard per i prodotti XR Series, TS Series e MS Series. Un'opzione ad alto isolamento (+ISO) è disponibile per i prodotti TS Series e MS Series fino a 1000 Vdc, consentendo un isolamento in uscita fino a 2000 Vdc + Vo/2 completamente flottante, dove Vo è la tensione nominale di uscita del prodotto. I prodotti MT Series da 400 Vdc e oltre sono disponibili con isolamento in uscita di 4000 Vdc.

Riciclo energetico per inverter centralizzati

Lo sviluppo e la produzione di inverter centralizzati nella scala dei megawatt impongono requisiti unici sulle apparecchiature di test e sulle installazioni elettriche. L'uscita AC dell'inverter può essere reimmessa nell'ingresso dell'alimentatore DC, consentendo il riciclo dell'energia. L'uscita dell'inverter solare viene comunemente riciclata nell'ingresso dell'alimentatore DC, permettendo al sistema di potenza di essere dimensionato per fornire solo le perdite complessive; una piccola frazione della conversione di potenza totale. Con questo tipo di configurazione, le armoniche di potenza svolgono un ruolo critico sulle prestazioni e l'affidabilità del test.

Le armoniche di corrente in ingresso sono un sottoprodotto di quasi tutti gli alimentatori. L'energia può essere fornita al carico solo se la frequenza e la fase della tensione e della corrente corrispondono. Per un alimentatore trifase con raddrizzatore di ingresso trifase, la corrente di ingresso ha uno spettro teorico di 6n±1 dove n è un intero crescente a partire da 1; questa è nota come forma d'onda a 6 impulsi. Ciò significa che un alimentatore con raddrizzatore di ingresso trifase produrrà correnti di ingresso a 1, 5, 7, 11, 13, 17, 19 ... volte la frequenza fondamentale. L'ampiezza teorica decresce come il reciproco della componente armonica. Le componenti armoniche di 5° e 7° ordine hanno ampiezze rispettivamente del 20% e del 14% della componente fondamentale.

Le correnti armoniche nei sistemi di potenza possono trovare percorsi insoliti e causare problemi se l'ampiezza è significativa e sono presenti carichi sensibili alle frequenze armoniche. Ad esempio, i reattori per illuminazione hanno condensatori e induttori collegati in serie che possono essere eccitati dalle correnti armoniche. L'IEEE ha introdotto lo standard IEEE 519, che definisce i limiti raccomandati. L'implementazione di questo standard richiede la conoscenza del sistema di potenza e degli altri carichi che producono armoniche. Purtroppo, lo standard può consentire allo stesso alimentatore di superare i limiti in un'applicazione e non in un'altra. Allo stesso modo, un alimentatore può o non può causare un problema legato alle armoniche con o senza il rispetto dello standard IEEE 519. La soluzione migliore per minimizzare il rischio di un problema armonico è eliminare la corrente armonica alla sorgente.

I neutralizzatori armonici di Magna-Power Electronics sopprimono famiglie di armoniche aumentando il numero di fasi di potenza. Possono essere utilizzati quando più alimentatori sono impiegati in serie o in parallelo e sono caricati in modo uniforme. I neutralizzatori armonici possono produrre forme d'onda a 12 impulsi, 18 impulsi, 24 impulsi o 48 impulsi con componenti di corrente armonica dell'ordine di 12n±1, 18n±1, 24n±1 o 48n±1, rispettivamente. La Figura 1 mostra la differenza teorica tra forme d'onda a 6 impulsi e 12 impulsi; le forme d'onda a 18 impulsi sono simili, ma con più gradini. La Figura 2 mostra le differenze spettrali risultanti. I neutralizzatori armonici HN Series sono protetti con interruttori automatici di dimensioni appropriate.

Tutti i prodotti MT Series da 250 kW sono dotati di un neutralizzatore armonico a 12 impulsi integrato, il che significa che le sorgenti da 250 kW producono forme d'onda AC a 12 impulsi come standard. Per raggiungere livelli di potenza superiori, più unità MT Series da 250 kW vengono collegate in parallelo e/o serie master/slave tramite il dispositivo UID47. Per inverter centralizzati nella gamma dei multi-megawatt, Magna-Power Electronics offre un neutralizzatore armonico a 24 impulsi da 500 kW, HN500, o un neutralizzatore armonico a 48 impulsi, HN1000, per soddisfare anche i requisiti armonici più esigenti. Quando questa opzione viene fornita con un grande sistema MT Series, un dispositivo HN500 viene utilizzato ogni due alimentatori da 250 kW o un HN1000 viene utilizzato ogni quattro alimentatori da 250 kW. L'alimentazione AC in ingresso viene fornita al primario dell'HN500/HN1000 per un unico punto di ingresso. I cavi dal secondario dell'HN500/HN1000 all'ingresso AC dell'alimentatore sono forniti da Magna-Power Electronics.

Riepilogo

Magna-Power Electronics offre un'ampia gamma di soluzioni per i requisiti di collaudo degli inverter solari. Il software Photovoltaic Power Profile Emulation fornisce la generazione di curve V/I non lineari in conformità con lo standard EN50530, la registrazione dei dati e l'emulazione sequenziale delle curve tramite un alimentatore Magna-Power Electronics. Opzioni come l'uscita ad alta velocità di variazione (+HS) e l'uscita ad alto isolamento (+ISO) offrono miglioramenti dell'uscita per requisiti specifici di collaudo degli inverter solari. Infine, l'innovativa tecnologia di neutralizzazione armonica di Magna-Power Electronics consente forme d'onda AC pulite, anche utilizzando la tecnologia degli alimentatori switching nella gamma dei multi-megawatt.