Inverter – Come ottenere la tensione adatta

Per proporsi come una valida alternativa ai combustibili fossili, le fonti rinnovabili devono produrre una potenza contraddistinta da un elevato livello qualitativo.

E' necessario quindi garantire una transizione il più possibile fluida e uniforme dall'energia prodotta dai combustibili fossili a quella generata tramite fonti rinnovabili in modo che risulti assolutamente trasparente per gli utilizzatori. Non bisogna infatti dimenticare che queste due tipologie di energia devono coesistere tra di loro.

Qualità della potenza ed efficienza energetica

I generatori alimentati tramite fonti rinnovabili devono perlomeno fornire una potenza alla tensione e alla frequenza corrette per alimentare la rete. Le problematiche correlate alle fonti di energia rinnovabile che oggigiorno alimentano le reti sono d'altronde ben note: le celle fotovoltaiche producono una tensione di uscita continua (DC) molto bassa mentre l'uscita di un generatore a turbina può essere caratterizzata dalla presenza di armoniche e di variazioni di frequenza.

Queste forme di energia che si possono definire “grezze” devono essere ovviamente convertite in elettricità contraddistinta da un livello qualitativo adeguato per poter essere utilizzata dalla rete: questa conversione deve avvenire ai massimi livelli di efficienza possibili e in conformità agli standard cui devono ottemperare le apparecchiature connesse alla rete. In ultima analisi le società preposte all'erogazione della potenza devono soddisfare i codici di rete (grid code) definiti da un organismo competente, come a esempio il gestore del sistema nazionale.

La topologia del sistema per il condizionamento della potenza ha un impatto significativo sia sull'efficienza energetica sia sulla conformità ai codici di rete.

Condizionamento della potenza di impianti fotovoltaici

Le dimensioni di una matrice (array) di pannelli fotovoltaici possono variare in maniera considerevole: si passa infatti dai piccoli impianti per uso domestico ai parchi fotovoltaici in grado di produrre parecchi MegaWatt di potenza. Per il condizionamento dell'uscita in DC di un pannello fotovoltaico, compreso il PPT (Power Point Tracking – ovvero l'inseguimento del punto di massima potenza), è possibile ricorrere a un singolo convertitore DC/DC o all'inverter che gestisce la transizione dalla corrente continua prodotta dall'impianto fotovoltaico alla corrente alternata adatta per la connessione alla rete. Nel caso si utilizzi questa seconda opzione, l'implementazione può essere sotto forma di micro-inverter (connessi a un singolo pannello fotovoltaico) oppure di inverter di stringa (ovvero collegato a una stringa di pannelli). Un'altra alternativa possibile è il ricorso a un inverter centralizzato.

La soluzione ottimale dipende da parecchi fattori come la potenza nominale, il costo e la possibilità di procedere a un futuro ampliamento dell'installazione. L'utilizzo dei micro-inverter garantisce una maggiore semplicità di adattamento, anche se il costo può risultare abbastanza alto in quanto una configurazione di questo tipo prevede l'uso di un micro-inverter per ciascun pannello. Un unico inverter, d'altra parte, rappresenta un singolo punto di guasto del sistema e la trasmissione della potenza in continua attraverso la matrice di pannelli può comportare l'insorgere problematiche legate ai rischi di incendio e alla sicurezza.

I cambiamenti delle topologie delle turbine eoliche

Per quanto riguarda le turbine eoliche, le configurazioni più diffuse sono i generatori DF (Doubly-Fed, ovvero a doppia alimentazione) e le topologie FC (Full Converter). I generatori DF sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni offshore. Lo statore dei generatori è direttamente connesso alla rete mentre il rotore è collegato attraverso una rete formata da convertitore/inverter. In una configurazione di questo tipo, la frequenza di uscita del generatore corrisponde a quella della rete. Oltre a ciò, solo 1/3 della potenza generata passa attraverso la combinazione convertitore/inverter, assicurando in tal modo perdite di potenza ridotte e consentendo la realizzazione di apparecchiature di dimensioni inferiori e quindi più economiche. Generatori di questo tipo sono adatti per installazioni con potenze massime di circa 6 MW.

Nel caso delle topologie FC, il generatore è completamente disaccoppiato dalla rete mediante un convertitore/inverter che trasporta tutta la potenza generata. Il vantaggio principale di questo approccio è la protezione del generatore dai disturbi presenti sulla rete. Senza dimenticare il fatto che un sistema FC è in grado di assicurare la conformità ai più recenti requisiti relativi alla tolleranza ai guasti, come l'insensibilità agli abbassamenti e agli innalzamenti di tensione (LVRT e HVRT rispettivamente).

In questi sistemi il generatore deve restare connesso anche quando si verificano disturbi, provocati dalla connessione o disconnessione di carichi di notevoli entità, che danno origine a significative fluttuazioni nella tensione di rete. Topologie di questo tipo possono essere utilizzate per installazioni dove le potenze in gioco sono dell'ordine di 10 MW.

Storicamente, i generatori eolici potevano disconnettersi dalla rete quando si verificavano eventi come quelli appena sopra descritti e tentare di ricollegarsi in un secondo momento. Poiché la fornitura di energia prodotta da fonti eoliche sta assumendo un'importanza sempre maggiore, la disconnessione dei generatori potrebbe avere effetti negativi, dando origine a possibili blackout. In un prossimo futuro è auspicabile che sistemi FC in grado di soddisfare i più recenti requisiti in termini di insensibilità alle variazioni della tensione possano essere installati in numero sempre maggiore per fornire energia eolica in impianti sia offshore sia onshore.




Maggiore affidabilità ed efficienza grazie a SiC e GaN

Dopo la definizione della topologia, l'altro aspetto di fondamentale importanza da tenere in considerazione è l'efficienza del sistema. La grande disponibilità di semiconduttori di potenza ad ampia banda proibita (WBG - Wide BandGap), come a esempio:

• i MOSFET trench in carburo di silicio (SiC) della linea CoolSiC di Infineon
• i moduli LMG341xR050 in nitruro di gallio (GaN) di Texas Instruments

consentono ai progettisti di aumentare in modo significativo i livelli di efficienza e di incrementare la densità di potenza.

La serie di MOSFET CoolSiC di Infineon comprende dispositivi con tensioni nominali fino a 1200 V in grado di supportare frequenze di commutazione più elevate e caratterizzati da una maggiore immunità nei confronti di inneschi parassiti (ovvero indesiderati). I circuiti integrati per il pilotaggio del gate della serie EiceDRIVER di Infineon permettono di semplificare la generazione dei segnali di commutazione asimmetrici richiesti da questi dispositivi.

Progetti più semplici grazie ai moduli

Sul mercato sono anche reperibili moduli che abbinano MOSFET SiC con diodi a barriera Schottky sempre realizzati in SiC disponibili in varie configurazioni come i moduli CoolSiC di Infineon e i moduli a semi-pontedi Rohm Semiconductor. Grazie a questi moduli è possibile semplificare i progetti e ridurre in maniera significativa le perdite di commutazione rispetto ai moduli IGBT, a parità di valori nominali.

Lo stadio di potenza integrato LMG341xR050 di Texas Instruments abbina in un singolo modulo un MOSFET da 600 V, il circuito di pilotaggio e funzionalità di protezione in modo da semplificare la progettazione del circuito e ridurre le problematiche in fase di layout. Poiché a differenza dei MOSFET di tipo tradizionale, i dispositivi GaN non presentano il diodo intrinseco (body diode), le perdite di energia in fase di conduzione inversa diminuiscono drasticamente. Tra gli altri vantaggi legati all'uso di questa tecnologia si possono annoverare i bassi valore delle capacità di ingresso e di uscita, che contribuiscono a migliorare le prestazioni di commutazione, e i bassi valori delle interferenze elettromagnetiche (EMI).

Considerazioni conclusive

Per poter utilizzare l'energia prodotta da fonti rinnovabili è necessario fornire la tensione corretta nel modo più efficiente possibile e nel rispetto degli standard che definiscono la qualità dell'energia e le prestazioni delle apparecchiature connesse alla rete. A causa dell'evoluzione in atto nel settore delle energie rinnovabili questi standard tendono inevitabilmente a cambiare e i progettisti devono quindi necessariamente tenersi aggiornati sui requisiti più recenti e sulle tecnologie disponibili per soddisfarli nel migliore dei modi.

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