WP4 - Sistemi di conversione per generatori fotovoltaici

Obiettivi

Task 4.1: Studio di algoritmi di ricerca del punto di massima potenza

La ricerca ha come oggetto le tecniche di controllo dei convertitori di front-end dei generatori fotovoltaici finalizzate alla massimizzazione della potenza estratta (strategie di Maximum Power Point Tracking - MPPT). Come noto, infatti, la caratteristica potenza-tensione (pp-vp) di un pannello fotovotaico o di una stringa di pannelli fotovoltaici (identici e uniformemente illuminati) è caratterizzata da un punto di massimo della potenza generata. Il punto di massima potenza corrisponde alla coppia di coordinate IMPP-VMPP, così come mostrato in Figura 1, che cambiano al variare delle condizioni ambientali, quali irraggiamento e temperatura. L'algoritmo di MPPT ha dunque lo scopo di mantenere il pannello (o la stringa) in tale punto di lavoro al variare delle condizioni ambientali. Un aspetto interessante e ancora poco investigato di tali algoritmi di MPPT riguarda il loro comportamento dinamico in presenza di variazioni rapide delle condizioni di irraggiamento (ombreggiatura) oppure nel caso in cui i moduli connessi in serie siano sottoposti a differenti livelli di irraggiamento (ombreggiatura parziale). In tal caso infatti, la caratteristica pp-vp mostra più punti di massimo, come evidenziato in Figura 2 nel caso della serie di due pannelli. In entrambe le situazioni, le prestazioni della tecnica di MPPT possono risultare fortemente penalizzate.

Task 4.2: Topologie per l’interfacciamento diretto di moduli fotovoltaici con la rete elettrica

La connessione alla rete elettrica di moduli fotovoltaici nelle applicazione domestiche avviene, attualmente, mediante la connessione serie di più moduli fotovoltaici (stringa) fino ad ottenere tensioni a vuoto dell'ordine di 400-700 V. Le stringhe sono poi connesse ad un inverter centralizzato dotato di convertitore DC-DC di front-end, che implementa l'algoritmo di MPPT. Tale configurazione non risulta ottimale, in quanto richiede che i singoli moduli siano sottoposti alle stesse condizioni di irraggiamento. In caso di ombreggiatura parziale, infatti, il modulo in ombra impone la corrente di stringa e forza gli altri moduli ad operare lontano dal proprio punto di massima potenza. Una possibile soluzione è quella che prevede l'utilizzo di un sistema di conversione dedicato al singolo modulo fotovoltaico (microinverter). In questo caso, si necessita di un convertitore DC-DC che, oltre a implementare la funzione di MPPT, riesce ad adattare la tensione del singolo pannello (25‑50 V) alla tensione necessaria all'inverter per iniettare potenza in rete (400 V). Tale convertitore è seguito da un inverter di piccola potenza (@ 300 W) connesso alla rete elettrica (vedi figura 3a).

Una soluzione alternativa è costituita dall'utilizzo di convertitori DC-DC ad elevato guadagno di tensione, accoppiati a ciascun modulo fotovoltaico e connessi ad un bus comune ad alta tensione. Tale bus alimenta un unico inverter centralizzato, così come mostrato in figura 3b. L'attività di ricerca in questo settore si concentra sulle topologie per lo stadio di conversione DC-DC, isolate e non isolate, caratterizzate da un elevato guadagno statico ed in grado di garantire, oltre ad una elevata efficienza, anche elevata affidabilità e tempi di vita paragonabili a quelli propri del modulo fotovoltaico.

Task 4.3: Controllo cooperativo di generatori fotovoltaici interfacciati con la stessa rete

I generatori fotovoltaici costituiscono elementi fondamentali delle smart grids, dove coesistono diverse sorgenti di green energy connesse alla rete pubblica attraverso interfacce elettroniche di potenza (EPP, Electronic Power Processors), la cui struttura generale è mostrata in figura 4.

Il controllo coordinato e cooperativo di queste unità, al fine di migliorare la power quality, ridurre le perdite di distribuzione e garantire la stabilità della rete (sia in funzionamento connesso a rete che a isola), è un aspetto fondamentale della progettazione e della gestione dei generatori fotovoltaici e delle loro interfacce elettroniche.

In particolare la ricerca di questo task è rivolta allo sviluppo di un’architettura distribuita di comunicazione e controllo che consenta di inserire e disinserire ciascun EPP con modalità plug & play. Ciò conferirà alle smart grid caratteristiche di flessibilità e scalabilità, come richiesto dalla diffusione sempre più pervasiva delle sorgenti rinnovabili. Inoltre, l’applicazione delle moderne teorie di controllo distribuito consentirà di operare le smart grid senza necessità di dispacciatori centralizzati, consentendo un adattamento automatico ed efficiente alle condizioni di esercizio e una robustezza strutturale alle variazioni parametriche.

Per le finalità della ricerca il polo DEI/DIE si è dotato di un sistema di monitoraggio distribuito (http://energy.dei.unipd.it/pincushion/index.asp) e sta realizzando una micro-rete pilota (http://smartgrid.dei.unipd.it/index.php/sg-lab) che consentirà di sperimentare le tecniche di comunicazione e controllo sviluppate nel corso dell’attività.

I risultati fin qui ottenuti mostrano che le perdite di distribuzione possono essere ridotte fino a un ordine di grandezza con l’adozione di tecniche di controllo distribuito, con conseguente miglioramento della hosting capacity della rete. Inoltre i parametri del controllo ottimo possono essere derivati localmente con tecniche di identificazione.

WP4 - Sistemi di conversione per generatori fotovoltaici Responsabile: prof. Giorgio Spiazzi University of Padua Department of Information Engineering, Via Gradenigo, 6/B - 35131 Padova Telefono +39 049 827 7755 - Email: spiazzi[at]dei.unipd.it