In molti impianti fotovoltaici, gli inverter fotovoltaici devono essere protetti da sovratensioni non solo in ingresso, ma anche in uscita. La “semplice” installazione di una protezione contro le sovratensioni standard spesso non funziona a causa dell’elettronica di potenza presente nei convertitori di corrente.
Sono necessari dispositivi di protezione sviluppati specificatamente per questa applicazione sono in grado di risolvere il problema.
Gli inverter fotovoltaici sfruttano l’elettronica di potenza per generare la tensione di uscita sinusoidale dalla tensione continua in ingresso, accendendo e spegnendo l’elettronica di potenza in una determinata sequenza temporale per creare un andamento sinusoidale della tensione (Figura 1).
Figura 1 – L’inverter trasforma la tensione continua in ingresso (verde) in tensione di clock (grigio) che viene attenuata tra l’altro con l’aiuto di condensatori. Il valore istantaneo della risultante tensione sinusoidale (blu) dipende dal tempo per il quale uDC rimane applicata: maggiore è la durata di applicazione di uDC, più alta è la tensione risultante. Il filtro riduce i segmenti della tensione con frequenze oltre i 150 kHz
A causa della frequenza di clock, alla tensione d’uscita si sovrappongono picchi di tensione, effetto rientrante nell’ambito della compatibilità elettromagnetica (EMC).
Le apparecchiature elettriche ed elettroniche commercializzate o importate in Europa devono soddisfare i requisiti della direttiva EMC 2014/30/CE. Per evitare disturbi reciproci e non previsti, tale direttiva impone ai dispositivi che:
Le norme settoriali di base contenute nella direttiva sulle emissioni elettromagnetiche definiscono i valori limite in funzione della frequenza. In entrambe le norme sono considerate frequenze oltre i 150 kHz, in anche frequenze da 0 … 2 kHz. Per ridurre i disturbi in questi intervalli di frequenza vengono introdotte varie contromisure, come l’impiego di filtri.
Tuttavia, le frequenze di clock degli inverter si trovano nel “selvaggio West dell’EMC”, vale a dire nell’intervallo di kHz ad una sola cifra oppure nel range più basso dei valori kHz a due cifre. Le emissioni elettromagnetiche, causate dal clocking dell’elettronica di potenza, non sono quindi soggette ad alcuna limitazione normativa.
C’è da aspettarsi, dunque, che possano verificarsi disturbi sotto forma di sovratensioni che, a seconda del circuito, si presentano in misura maggiore tra conduttori attivi e conduttore di protezione/terra rispetto a quelli tra conduttori attivi. A seconda della topologia dell’inverter, della tensione d’ingresso, dei tipi di filtro, eccetera possono raggiungere ampiezze di 1000 V ed oltre (Figura 2).
Figura 2 -La tensione di uscita sinusoidale (blu) è sovrapposta a ripetuti picchi di tensione (grigio) la cui ampiezza può corrispondere alla tensione fotovoltaica (vedasi curva verde in figura 1). I picchi di tensione compaiono alla tensione di clock dell’elettronica di potenza dell’inverter e si sommano al valore istantaneo della tensione di uscita sinusoidale.
I dispositivi di protezione contro le sovratensioni –noti come SPD (Surge Protective Device) – sono in grado di limitare tali sovratensioni.
Sono concepiti per limitare sovratensioni transitorie della durata fino ad un millisecondo, tuttavia non possono farlo in modo continuativo perché, riscaldandosi ad ogni operazione di limitazione, devono anche nuovamente raffreddarsi. Quando un SPD standard basato su varistore è esposto ai ripetuti picchi di tensione descritti, li limita senza interruzioni e non è più in grado di raffreddarsi sufficientemente, con la conseguenza di un rapido invecchiamento ed il rischio di un potenziale guasto nel giro di pochi giorni o mesi anziché di molti anni.
Perché un SPD possa funzionare su un inverter deve quindi resistere ai picchi di tensione ripetuti. Nel caso di sovratensioni accoppiate deve limitare la tensione a valori tali da non danneggiare i dispositivi da proteggere.
Questa attenuazione viene gestita da due SPD di Phoenix Contact, entrambi costruiti in modo da rispondere solo a partire da una certa soglia di tensione. Le tensioni di risposta dinamica vengono scelte in modo tale che gli SPD siano di fatto isolati ai tipici picchi di tensione che si presentano ad una determinata tensione nominale. In questo modo, non vi è alcun surriscaldamento né alcun precoce invecchiamento. Essi scaricano le sovratensioni accoppiate, limitando la tensione ad un livello compatibile con gli impianti.
Le applicazioni fotovoltaiche implicano potenze elevate. Per mantenere le correnti più basse possibili viene selezionata una tensione fotovoltaica elevata, vale a dire ≥ 1000 V DC. A seconda della messa a terra dell’impianto FV e della topologia dell’inverter, sulla tensione di uscita possono verificarsi ripetuti picchi di tensione. Ne sono soggetti soprattutto inverter FV senza isolamento galvanico, quindi senza trasformatore, perché non vi è il suo effetto attenuante.
In combinazione con un sistema fotovoltaico con cavo DC messo a terra, ad esempio con moduli a film sottile, alla tensione di uscita sinusoidale dell’inverter si sovrappongono picchi di tensione la cui ampiezza può corrispondere alla piena tensione fotovoltaica (figura 3). Il maggior valore istantaneo della tensione di uscita può corrispondere anche al picco della tensione di uscita sinusoidale (L-PE) più la tensione DC con temporizzazione dell’impianto fotovoltaico.
Figura 3 – In impianti con linea fotovoltaica messa a terra (in questo caso è presente la linea tratteggiata) la linea DC ed il lato AC utilizzano la stessa terra. Con questo accoppiamento, i picchi di tensione in uscita potrebbero salire fino al livello della piena tensione fotovoltaica, soggetti quindi alla protezione contro le sovratensioni AC
In combinazione con un sistema fotovoltaico senza linea DC messa a terra, l’ampiezza dei picchi di tensione può corrispondere a metà della tensione DC, a causa di una “messa a terra indiretta” delle linee DC in seguito ad effetti capacitivi – ad esempio linee lunghe, filtri DC o protezione da sovratensioni.
Una protezione contro le sovratensioni sviluppata per il lato di uscita di inverter fotovoltaici aumenta la disponibilità a lungo termine degli impianti FV
Con una tensione fotovoltaica di 1000 V DC ed una tensione di uscita di 230/400 V risulta un valore di picco (L-PE) fino a 1.324 V in impianti con linea DC messa a terra e fino a 824 V in impianti senza linea DC messa a terra. In questi casi, lo scaricatore di sovratensione VAL-MS 400/3+0/VF-FM di Phoenix Contact con una tensione di risposta dinamica di almeno 1,5 kV può essere utilizzato senza problemi.
In impianti più potenti con tensioni fotovoltaiche di 1500 V DC e tensioni di uscita di 400/690, anche i picchi (L-PE) salgono fino a valori di 2123 V in impianti con linea DC messa a terra e fino a 1373 V in impianti senza linea DC messa a terra. Per tali applicazioni risulta adatto lo scaricatore VAL-MS 800/30 VF/FM avente una tensione di risposta dinamica di almeno 2,2 kV.
In queste applicazioni, l’SPD esercita ma senza essere influenzato dai ripetitivi picchi di tensione, evitando con ciò il proprio prematuro l’invecchiamento.
La risposta a questa domanda è sì, funziona! Nel range delle frequenze di clock, le emissioni elettromagnetiche non sono regolate da normative. Ridurle sarà, nella maggior parte dei casi, difficile o economicamente privo di senso. Tuttavia, in queste applicazioni, i descritti dispositivi di protezione contro le sovratensioni possono essere impiegati senza problemi. Per completare la protezione, anche il lato fotovoltaico dell’inverter dovrebbe essere dotato di SPD (figura 3).
L’impiego di una apposita protezione contro le sovratensioni sull’inverter
Riferimento bibliografico
EN 61000-6-3:2007/A1:2011 – Compatibilità elettromagnetica (EMC) — Parte 6-3: Norme generiche – Emissione per gli ambienti residenziali, commerciali e dell’industria leggera
EN 61000-6-4:2007/A1:2011 – Compatibilità elettromagnetica (EMC) — Parte 6-4: Norme generiche – Emissione per gli ambienti industriali
Articolo redatto da Ing. industr. Julian Saele, Marketing Prodotti Protezione contro le sovratensioni, Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg, Germania
