Gli impianti fotovoltaici sono relativamente costosi nel mercato delle tecnologie di generazione di energia. I componenti di bassa tensione e il cablaggio delle stringhe rappresentano una parte significativa del costo delle installazioni fotovoltaiche. Molti studi hanno concluso che l’aumento della tensione del sistema da 1000 V a 1500 V offre opportunità per ridurre il costo iniziale dell’impianto, riducendo il numero di componenti a bassa tensione e il cablaggio totale necessario. Il sistema risulterà più efficiente lato rete o lato Dc (le perdite ohmiche sono minori). Il 1500 V sta diventando dunque il nuovo standard per gli inverter solari (centrali e di stringa): questa nuova tensione richiede un’attenta valutazione rispetto ai moduli di potenza (per creepage e clearance) e ai Dc Link impiegati. Inoltre, l’inverter solare deve operare a fattore di potenza zero. Questi aspetti vanno tenuti in considerazione quando si selezionano i moduli.
Conseguenze a livello di inverter
Aumentando la tensione di sistema da 1000 V a 1500 V aumenta la tensione di uscita dell’inverter. Mentre la tensione a circuito aperto è di 1500 V, a piena potenza la tensione varia da sistema a sistema. Quindi, questo influirà sulla selezione delle topologie appropriate per soddisfare i requisiti del sistema. Questo a sua volta influenza la scelta dei moduli di potenza. Sono disponibili diverse topologie per arrivare a tensioni Dc più alte. La topologia a due livelli con dispositivi da 1700 V è la configurazione più comune. Le sue prestazioni e i limiti sono da imputarsi alle forme d’onda, allo sforzo richiesto per il filtraggio Emi e alle basse efficienze ottenibili. Per migliorare le prestazioni delle installazioni solari, possono essere utilizzate topologie a tre livelli. Una soluzione consiste nell’adottare la topologia 3L-Tnpc che si ottiene inserendo due switch nella configurazione emitter comune tra il terminale Ac e il punto medio del Dc link. Un’altra opzione consiste nella topologia 3L-Npc che dispone di due diodi aggiuntivi che consentono di applicare la metà della tensione del Dc link sugli switch. Le topologie a tre livelli offrono i seguenti vantaggi rispetto a quelle a due livelli: la forma d’onda di uscita Ac sintetizzata ha una risoluzione più alta (forma d’onda 3L); i duty cycle degli switch sono distribuiti sui vari interruttori e quindi si ha una migliore distribuzione del calore da dissipare; si ha l’effetto di raddoppio della frequenza e minori perdite di switching.
Scegliere la giusta topologia
In questa sezione, con un esempio concreto, vengono confrontate diverse topologie nelle stesse condizioni operative. Le condizioni sono le seguenti: Pnom = 640kW, Vout = 550V, cos (φ) = 0,95, Vdc = 900-1200V, fsw = 2-6kHz e Rth(s-a) = 0,088K/W per modulo (raffreddato ad aria). In questo esempio vengono considerati moduli della piattaforma SEMiX di Semikron.
La piattaforma SEMiX è flessibile e adatta per soddisfare i vari requisiti in un unico package. Trattasi di moduli standard a livello industriale che consentono di progettare inverter compatti. Qui, la topologia a due livelli è implementata con un modulo SEMiX3 e le topologie a tre livelli (Npc o Tnpc) vengono invece realizzate con i moduli SEMiX5. Entrambi i moduli sono disponibili in versione press-fit per facilitare l’assemblaggio e la ripetibilità in produzione. I moduli montano chip Igbt Trench 4 (tipo E4) e diodi CAL4F di Semikron. I risultati mostrano che le topologie a tre livelli hanno perdite di switching minori quando la frequenza di commutazione è superiore a 3 kHz. Schematizzando pro e contro di ogni topologia:
- 2L con Igbt da 1700 V: è la soluzione che si può sviluppare più rapidamente in quanto è possibile riutilizzare sistemi esistenti adattandoli. Tuttavia, ha una scarsa efficienza quando la frequenza di commutazione supera 2 kHz.
- 3L-Npc con Igbt da 1200 V: non ha limiti di funzionamento fino a 1500 V e ha elevata efficienza oltre la frequenza di commutazione di 5 kHz.
- 3L-Tnpc con Igbt da 1700/1200 V: è una configurazione più semplice e ha buone prestazioni a frequenza di commutazione media e tensioni Dc più basse.
Concludiamo che la topologia 3L-Npc da 1200 V rimane la soluzione preferenziale dal punto di vista di affidabilità quando è necessario operare a tensioni Dc più elevate per ottimizzare la produzione di energia dai pannelli PV.
Soluzioni per inverter da 1500 V
Semikron offre un portfolio completo di moduli per applicazioni PV a 1500 V. Questi moduli sono pronti per essere utilizzati in inverter di stringa e centrali, andando a coprire un’ampia gamma di potenze nelle installazioni solari. Le piattaforme Semitop e MiniSKiiP sono adatte per applicazioni di piccole e medie potenze. Le piattaforme SEMiX, SKiM e SKiiP sono una buona scelta per i convertitori di media potenza. Le soluzioni basate su Semitrans10 sono invece ideali per applicazioni ad alta potenza.
Un approccio innovativo per 3L-Npc 1200 V
Semikron ha recentemente introdotto una soluzione efficace per far fronte alle problematiche associate all’utilizzo in parallelo di inverter 3L-Npc. Questo approccio è adatto per costruire rami di inverter scalabili e modulari. Il concetto Semikron sfrutta la simmetria della topologia Npc andando a utilizzare due topologie Npc a metà chiamate Mli Top e Mli Bot. Ogni metà Npc viene implementata in un modulo specifico. Sono disponibili due diverse piattaforme per implementare il 3L-Npc con questo approccio. Nella prima viene utilizzato il modulo Semitop E2 di seconda generazione mentre la seconda è basata sul modulo Semitrans10. Entrambi questi moduli sono degli standard industriali e sono adatti per inverter solari a 1500 V.
Semitrans10 Mli per inverter centralizzati
Negli inverter centralizzati la tendenza è quella di aumentare le tensioni per aumentare la produzione annua di energia. Come già detto, la topologia 3-L Npc è la soluzione migliore. Per questi tipi di inverter Semikron ha introdotto i moduli Semitrans10 Mli in cui la topologia Npc è suddivisa in due metà. Con una corrente pari a 1200 A e usando Igbt E4 a 1200 V insieme ai diodi Semikron CAL4F, il Semitrans10 Mli consente di sviluppare un inverter di potenza pari a 750 kW raffreddato ad aria, senza dover parallelizzare i moduli. Come per tutti i moduli standard Semitrans10 di Semikron, anche queste versioni Mli utilizzano un processo di saldatura avanzato per il baseplate che le rende molto robuste per quanto riguarda cicli termici passivi, con una maggiore durata nel tempo anche in ambienti di utilizzo gravosi. Per dimostrare i vantaggi di questa topologia splittata Semikron ha sviluppato due diversi sistemi utilizzando il Semitrans10 Mli: uno stack trifase da 750 kW senza parallelizzazione dei moduli e uno stack monofase da 1.500 kW con due moduli paralleli. Questa soluzione compatta basata su due moduli Semitrans10 Mli consente una facile connessione al Dc link e induttanze a bassa perdita (circa 24nH per gli Igbt esterni e 64nH per quelli interni) che portano a un abbassamento delle sovratensioni nell’inverter. Rispetto alle soluzioni concorrenti che utilizzano tre moduli nello stesso package, questo porta vantaggi significativi: perdite minori, minore ingombro e design più semplice. L’efficienza può raggiungere il 98,8% @ fsw = 5 kHz arrivando fino al 99,0% con fsw = 3 kHz, e i moduli presentano temperature di giunzione fino al 15% inferiori rispetto ad analoghe soluzioni della concorrenza. Anche a livello di driver lo sforzo richiesto è minore, andando a utilizzare solo due moduli per la topologia Npc invece che tre. Per un time-to-market più rapido, oltre ai moduli di potenza, Semikron può fornire le schede adattatori per un paio di moduli Semitrans10 Mli (top + bottom) compresi due driver Skyper 42 LJ. Queste schede includono resistenze di gate, circuiti di monitoraggio della VCEsat per tutti gli Igbt, active clamping e gestione degli errori. I moduli sono disponibili anche con phase change material preapplicato sul baseplate per una migliore conduzione termica e un processo di produzione più rapido e ripetibile.
