Proiectanții de sisteme care generează energie electrică din energia solară – foto-voltaice sau PV – se confruntă cu unele dintre aceleași probleme ca și omologii lor din orice altă tehnologie legată de putere; trebuie să îmbunătățească în mod constant performanța, fiabilitatea, longevitatea și mai presus de toate, eficiența. Ca în orice demers de inginerie, performanțele îmbunătățite impun ca măsurătorile să fie de calitate superioară și mai precise.
de Stéphane Rollier & Bernard Richard, LEM
Dintre aproape toate instalațiile răspândite în lume care alimentează în mod activ puterea în rețelele electrice naționale și trans-naționale, aproximativ 40% din capacitatea totală instalată este situată în Europa; și de fapt, cea mai mare bază națională instalată este în Germania. În 2011, capacitatea de generare foto-voltaică (PV) cumulată în Germania a fost aproape de 25GW, iar în anul 2012 centralele sale electrice fotovoltaice au generat aproximativ 18 TWh (tera-Watt-ore) pentru rețeaua germană.
Rapida ascensiune a instalațiilor fotovoltaice poate fi judecată din faptul că, deși capacitatea de conectare a rețelei de generare datează de la începutul anilor 1990, “primul GW” figurează că a fost atins în Germania doar în 2004, iar capacitatea instalată a crescut cu 7,5GW în 2010 – 2011. Alte țări au văzut cum crește aportul instalațiilor fotovoltaice într-un ritm similar.
Această creștere aproape exponențială a fost parțial determinată de tarifele generoase disponibile pentru cei care au contractat pentru a furniza energie solară la rețea, la începutul adoptării tehnologiei. În multe teritorii, acești termeni inițiali atractivi nu mai sunt disponibili, și crește presiunea asupra proiectanților de sisteme pentru a oferi mai multă putere în rețea de la fiecare unitate de radiație solară incidentă, astfel că sistemele devin mai puternice, pentru a face acest lucru în condiții de siguranță. Eficiența sistemului de energie PV provine dintr-o serie de surse; inginerii specializați în semiconductoare se străduiesc să sporească în continuare eficiența de conversie a celulelor pe bază de siliciu, dar o atenție mai mare se concentrează pe arhitectura invertorului și pe control.
Maximizarea performanței invertorului se bazează pe măsurători precise de curent și tensiune, cât și pe măsurări de precizie ale parametrilor de bază care stau la baza mai multor funcții ale invertorului solar. Cel mai evident este indicatorul fiscal, contorizând exact cât de multă energie facturabilă a fost generată și transferată la rețea într-o anumită perioadă de timp. În continuare, este necesară maximizarea la conversia puterii, și, în sfârșit, este necesar de a monitoriza căile posibile de scurgeri de curent pentru a se asigura că panourile solare și invertoarele lor sunt sigure pentru cei care lucrează cu ele și în jurul lor.
Tehnologia de măsurare izolată
La toate punctele din lanțul de conversie a energiei, este avantajos să se efectueze măsurători cu tehnologii non-intruzive, care sunt posibile doar cu senzori care nu sunt conectați direct în circuitul de măsurare. Acest lucru este oferit de izolarea galvanică față de potențialele – posibil foarte mari – din calea de generare a puterii; și se elimină, de asemenea, pierderile de I2R asociate cu inserarea senzorilor rezistivi pe căi de circulație a puterii.
Cheia eficienței de conversie este menținerea punctului de transfer maxim al puterii – Maximum Peak Power Transfer (MPPT). Puterea de ieșire din aria de panouri PV este produsul (V×I), dintre tensiunea la borne și curentului DC livrat. Ca la orice sursă de curent continuu care are o impedanță proprie, tensiunea scade pe măsură ce crește curentul. În celulele solare, relația nu este liniară, și, de asemenea, variază în funcție de nivelul de energie luminoasă care ajunge pe celule. Algoritmii care controleaza invertorul trebuie să adapteze în mod constant punctul de operare pentru a menține funcționarea la MPPT. Valorile DC care determină schimbarea MPPT se schimbă relativ lent, iar precizia de măsurare moderată este suficientă pentru a determina punctul optim de funcționare și, prin urmare, aceste măsurători ale curenților DC pot fi realizate cu traductoare de curent care utilizează tehnologie bazată pe efect Hall, în buclă deschisă sau închisă.
Un număr de scheme sau modele de invertor sunt folosite în instalațiile fotovoltaice. Pentru scop comercial și pe site-uri industriale sau agricole cu arii extinse de PV, sunt de obicei conectate în serie panouri solare pentru a oferi o tensiune DC mare la un invertor de mare putere, cu o singură conectare către rețeaua în care se injectează putere. Pentru instalațiile mai mici, de obicei domestice sau comerciale, se lucrează continuu pentru a optimiza conceptul de micro-invertor, în care trecerea spre tensiunea de rețea se face la fiecare panou. Astăzi micro-invertoarele nu sunt eficiente la cost în comparație cu tehnologia tradițională. Monitorizarea globală a rețelei AC alimentată în acest aranjament prezintă o provocare separată de măsurare.
Conectarea ariei solare printr-un invertor la rețea se poate face, fie prin utilizarea unui transformator, fie direct, fără transformator. Instalațiile fără transformator nu au nicio izolare galvanică, deci au un risc de scurgeri la pământ. Ambele configurații pot fi, de asemenea, utilizate cu sau fără stocarea energiei într-o baterie.
Figurile 1a) b) c) d): Patru modele principale de invertor frecvent întâlnite cu măsurătorile lor curente (cu transformator și fără transformator)
Patru modele principale de invertor sunt frecvent întâlnite. Două modele folosesc un transformator (la frecvență redusă sau ridicată) iar două modele sunt fără transformator, cu sau fără un “chopper” DC sau step-up convertor. Proiectul cu transformator de joasă frecvență comută puterea DC din aria PV la frecvența de 50Hz a rețelei, iar transformatorul (în funcție de potențialul disponibil DC) o ridică până la tensiunea de rețea. Acest lucru oferă izolare, elimină posibilitatea de injectare DC în rețea, dar implică un transformator mare, și nu este extrem de eficient. Este nevoie de măsurători la ieșirea panoului solar și la ieșirea către rețeaua AC. O alternativă este de a comuta DC, la o frecvență mai mare (zeci de kHz), într-un transformator step-up, de a redresa la un potențial intermediar DC la nivelul rețelei și de a folosi apoi un element de comutare pentru a genera curent alternativ sincronizat cu rețeaua. Acest lucru este mult mai complex, și în funcție de exactitatea comutării la ieșire, se poate injecta putere DC în rețea. Arhitecturile fără transformator comută un potențial DC, fie direct de la aria PV, fie printr-un etaj “chopper”, sincronizat AC, care este alimentat în mod direct (prin intermediul unui filtru) la rețea. Fiindcă nu există nicio izolare galvanică între panoul PV și rețea, pierderile și căile de scurgere pot expune personalul care lucrează pe și în jurul panourilor la tensiuni periculoase sau letale.
Toate aceste configurații de invertor impun realizarea unor măsurători de curent și tensiune, atât de la ieșirea din aria PV cât și la ieșirea de curent alternativ a invertorului, atât pentru controlul invertorului, cât și pentru a detecta condiții de avarie. Din nou, traductoare bazate pe efectul Hall în buclă închisă și deschisă pot oferi precizia necesară, cu moduri de răspuns rapid care asigură protecție la scurt-circuit.
Abordând exact această clasă de aplicare, LEM a introdus recent seria de traductoare HO cu buclă deschisă bazate pe efect Hall, care măsoară până la 25A DC, AC sau curent în pulsuri, cu o precizie bună, 1% la +25°C. Seria HO este formată din dispozitive programabile și configurabile şi oferă proiectanților o flexibilitate mare deoarece o parte a dispozitivului poate efectua multiple sarcini. O funcție separată de detectare a supracurentului se poate adăuga, de asemenea, ca nivel suplimentar de siguranță și de protecție a circuitului.
Detectarea DC-la-rețea și a scurgerilor de curent
În proiectele fără transformator și în configurații de înaltă frecvență cu transformator, curentul DC injectat în rețea trebuie să fie limitat la o valoare maximă între 10mA și 1A, în conformitate cu diferite standarde care se aplică în diferite țări (standardele relevante includ IEC 61727, IEEE 1547, UL 1741 și VDE 0126-1, IEC 62109-2). Aceasta necesită utilizarea de traductoare cu o precizie foarte mare și derive foarte mici pentru offset și câștig; o tehnologie ideală este traductorul Fluxgate în buclă închisă.
Invertoare fără transformator, fără izolare galvanică, au un posibilitatea de a avea curenți de scurgere și este o cerință de a monitoriza curentul de scurgere. Orice curenți de scurgere AC, 50/60Hz, vor fi mici, și trebuie să fie mai mici de 300mA, în funcție de capacitatea generată de configurația acoperiș- panou-solar și se măsoară ca o componentă reziduală rămasă de la o măsurare diferențială a curenților în mai multe conductoare. O persoană care ar contacta un panou într-o stare de defecțiune va genera
o modificare bruscă a curentului de scurgere, iar această condiție trebuie să fie recunoscută. În ceea ce privește traductorul de curent, acesta necesită precizie și, mai ales, mici derive pentru offset și câștig, pentru a asigura rezoluția de măsurare a acestor curenți mici; din punct de vedere fizic, aceasta înseamnă abilitatea de a cuprinde mai multe conductoare, pentru a satisface un sistem monofazat sau trei faze în cadrul deschiderii din traductor.
Cereri similare se aplică pentru detectarea curentului scurs la pământ, care rezultă dintr-un defect de izolație. Traductorul utilizat pentru măsurarea scurgerii la pământ trebuie să fie capabil să măsoare semnale de curent alternativ și curent continuu ca defect de scurgere ce ar putea fi AC sau DC, în funcție de cazul în care defectarea (de exemplu, un scurt-circuit) are loc, și în funcție de faptul că panoul PV este legat la pământ sau nu.
Pentru a atinge obiectivele în ceea ce privește precizia la curenti mici, LEM a aplicat tehnologia Closed Loop Fluxgate și a creat gama de traductor de curent LEM “CTSR” (figura alăturată).
Traductoare de curent cu buclă închisă măsoară curentul peste game largi de frecvență, inclusiv DC. Acestea oferă cuplare fără contact la curentul care trebuie să fie măsurat, în plus asigură izolare galvanică în condiții de siguranță și fiabilitate ridicată. Principiul lor de funcționare în buclă închisă, împreună cu procesarea sofisticată a semnalului intern, asigură un traductor care realizează măsurarea precisă a curenților reziduali foarte mici DC sau AC, cu foarte mici derive de offset și câștig într-o gamă largă de temperaturi de funcționare de la -40°C până la +105°C.
Capabilitatea de măsurare de curent rezidual se aplică la suma tuturor curenților care curg instantaneu prin deschiderea traductorului, în configurații unice sau cu trei faze, cu o suprasarcină ce poate fi foarte mare, de până la 3300A, pentru o durată a pulsului de 100μsec și cu o viteză de creștere de 500A/μsec. Conductoarele pot să transporte curenți primari de până la 30A/fir, AC sau DC.
www.lem.com