ITUD20120218A1

ITUD20120218A1 - Apparato di controllo di un impianto fotovoltaico e relativo metodo di controllo

Info

Publication number: ITUD20120218A1
Application number: IT000218A
Authority: IT
Inventors: Martino Bailoni; Lorenzo Branz; Alberto Tessarolo
Original assignee: Univ Degli Studi Trieste
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2014-06-19
Also published as: WO2014097190A2; WO2014097190A3

Description

"APPARATO DI CONTROLLO DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO E RELATIVO METODO DI CONTROLLO"

CAMPO DI APPLICAZIONE

Il presente trovato si riferisce ad un apparato di controllo di un impianto fotovoltaico predisposto per determinare il suo funzionamento ottimale almeno nella fase di avvio o riavvio dell'impianto. In particolare, il presente apparato si può applicare, ad esempio, ad impianti fotovoltaici tipo multistringa, intendendo per stringa una schiera di moduli, o pannelli fotovoltaici, collegati uno in serie all'altro e, a loro volta, in ingresso ad un convertitore elettrico, quale un inverter.

Il presente trovato si riferisce anche al relativo metodo di controllo del funzionamento dell'impianto fotovoltaico .

STATO DELLA TECNICA

Sono noti impianti fotovoltaici comprendenti una pluralità di pannelli fotovoltaici collegati ad un convertitore di energia, o inverter, il quale è associato, a sua volta, alla rete elettrica.

L'inverter è normalmente controllato da un apparato di controllo che implementa algoritmi idonei a determinare condizioni di funzionamento ottimale dell'impianto .

Sono noti, ad esempio, algoritmi denominati MPPT, o "Maximum Power Point Tracker", che permettono di portare l ' inverter a funzionare sempre nel punto di massima potenza erogabile che varia in funzione del livello di radiazione solare sulle superfici dei pannelli.

È pure noto che gli impianti fotovoltaici oggi più comuni comprendono una pluralità di moduli fotovoltaici collegati fra loro in serie a formare le cosiddette stringhe, ciascuna delle quali è collegata a sua volta in ingresso dell'inverter.

Un inconveniente di questi apparati di controllo si può verificare nella fase di avvio dell'impianto, nell'eventualità in cui alcuni pannelli fotovoltaici siano anche parzialmente ombreggiati.

In questo caso, infatti, dato che ciascuna stringa collega in serie una pluralità di moduli fotovoltaici, la corrente circolante in ciascun modulo di una stringa viene limitata da quella del modulo ombreggiato.

Da ciò deriva che l'erogazione di corrente elettrica dell'intera stringa è strozzata dal modulo che genera meno corrente.

Uno scopo del presente trovato è quello di realizzare un apparato di controllo per un impianto fotovoltaico in grado di aumentare la sua efficienza di funzionamento, anche nella condizione di avviamento con uno o più pannelli ombreggiati.

Un ulteriore scopo è quello di mettere a punto un metodo di controllo del funzionamento di un impianto fotovoltaico che permetta di ottimizzare l'efficienza complessiva di funzionamento almeno nella condizione di avvio dell'intero impianto con uno o più pannelli ombreggiati.

Per ovviare agli inconvenienti della tecnica nota e per ottenere questi ed ulteriori scopi e vantaggi, la Richiedente ha studiato, sperimentato e realizzato il presente trovato.

ESPOSIZIONE DEL TROVATO

Il presente trovato è espresso e caratterizzato nelle rivendicazioni indipendenti. Le rivendicazioni dipendenti espongono altre caratteristiche del presente trovato o varianti dell'idea di soluzione principale.

In accordo con i suddetti scopi, un apparato secondo il presente trovato è utilizzato per controllare un impianto fotovoltaico che comprende almeno una stringa di moduli fotovoltaici collegati ad un convertitore di energia elettrica, quale un inverter.

La stringa comprende una pluralità di moduli fotovoltaici collegati in serie fra loro e provvisti ciascuno di uno o più diodi, idonei a by-passare il rispettivo modulo fotovoltaico o parte di esso nel caso in cui ai capi di ciascun diodo si instauri una differenza di potenziale negativa.

Secondo un aspetto del presente trovato, l'apparato di controllo comprende un interruttore collegato in parallelo alla stringa ed al convertitore di energia elettrica.

L'interruttore è selettivamente chiudibile ed apribile per determinare rispettivamente una prima condizione in cui la stringa di moduli fotovoltaici viene posta in una condizione di cortocircuito ed una seconda condizione in cui la stringa è direttamente collegata al convertitore di energia elettrica.

In questo modo quando l'interruttore è chiuso la stringa viene cortocircuitata e si genera essa una orrente di cortocircuito erogata dai moduli fotovoltaici funzionanti e non ombreggiati. Nel caso in cui, ad esempio causa un guasto od un parziale ombreggiamento di uno o più moduli di una stringa, alcuni moduli fotovoltaici producano ai loro capi una tensione prossima a zero, il diodo di by-pass ad essi associato entra in conduzione per consentire il ricircolo della corrente di cortocircuito.

Con l'apertura dell'interruttore si prevede poi di riportare la stringa in collegamento con il convertitore di energia elettrica per determinare il trasferimento dell'energia prodotta dall'impianto fotovoltaico alla rete. All'apertura dell'interruttore, la stringa si trova in una condizione di funzionamento diversa da quella precedente alla chiusura dell'interruttore, condizione caratterizzata dal fatto che i diodi di by-pass associati ai moduli fotovoltaici ombreggiati sono momentaneamente in conduzione.

Forme di realizzazione prevedono che l'apparato comprenda un controllore configurato per comandare almeno la chiusura ed apertura dell'interruttore. In questo modo è possibile determinare automaticamente gli istanti di apertura e chiusura dell'interruttore affinché i processi sopra p verificarsi .

Forme realizzative prevedono che l'apparato comprenda una impedenza collegata in serie all'interruttore per evitare il raggiungimento nella stringa di correnti di cortocircuito eccessive quando l'interruttore viene chiuso.

Ulteriori forme di realizzazione prevedono che al controllore sia associato un dispositivo di temporizzazione predisposto per determinare almeno gli istanti temporali di apertura e chiusura dell'interruttore .

In altre forme di realizzazione ancora, l'apparato comprende un dispositivo di misura scelto in un gruppo comprendente almeno uno fra un voltmetro, un amperometro, un wattmetro predisposti per rilevare rispettive grandezze elettriche dell'impianto fotovoltaico al fine di determinare, ad esempio, l'istante di avvio.

Il presente trovato è relativo anche ad un metodo di controllo di un impianto fotovoltaico associato ad un convertitore di energia elettrica.

Forme realizzative del metodo comprendono almeno una prima fase in cui la stringa di moduli fotovoltaici viene posta in una condizione di cortocircuito ed una successiva seconda fase in cui la stringa viene direttamente collegata al convertitore di energia elettrica per fornire l'energia elettrica prodotta dall'impianto fotovoltaico alla rete.

In particolare, secondo forme di realizzazione del metodo di controllo, il passaggio dalla prima fase alla seconda fase viene determinato mediante chiusura e rispettivamente apertura di un interruttore collegato in parallelo con la stringa.

II presente trovato si riferisce, inoltre, anche all'impianto fotovoltaico che comprende un apparato di controllo come sopra descritto.

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI

Queste ed altre caratteristiche del presente trovato appariranno chiare dalla seguente descrizione di una forma di realizzazione, fornita a titolo esemplificativo, non limitativo, con riferimento agli annessi disegni in cui:

- la fig. 1 è una rappresentazione schematica dell'applicazione di un apparato di controllo ad un impianto fotovoltaico;

- la fig. 2 è una rappresentazione schematica di un apparato di controllo applicato ad un impianto fotovoltaico secondo una forma di realizzazione.

DESCRIZIONE DI UNA FORMA DI REALIZZAZIONE Con riferimento alla fig. 1, un apparato di controllo è indicato nel suo complesso con il numero di riferimento 10 ed è collegato in parallelo fra un impianto fotovoltaico 11 ed un convertitore di energia elettrica 14, o inverter, predisposto per convertire l'energia elettrica, prodotta dall'impianto fotovoltaico 11, da continua ad alternata.

In particolare, l'impianto fotovoltaico 11, nella condizione di apparato di controllo disattivato, è collegato elettricamente con 1'inverter 14, mediante collegamenti elettrici.

L'impianto fotovoltaico 11 comprende una pluralità di moduli fotovoltaici 12, nella fattispecie pannelli fotovoltaici, nel seguito indicati semplicemente con il termine di pannelli 12.

In particolare, gruppi di più pannelli 12 sono collegati fra loro in serie uno con l'altro a formare una stringa 13 di pannelli 12.

Nella forma di realizzazione di fig. 1, l'impianto fotovoltaico 11 comprende, ad esempio tre stringhe 13 di quattro pannelli 12 collegati in serie l'un l'altro, anche se sono possibili configurazioni in cui ciascuna stringa 13 comprende due, tre, cinque o più pannelli 12, ed inoltre, in cui possono essere presenti una, due, quattro, o più stringhe 13.

In forme di realizzazione (figg. 1 e 2) 1'inverter 14 può comprendere un controllore 14a configurato per implementare un algoritmo MPPT al fine di ottimizzare l'erogazione di energia elettrica durante il normale funzionamento dell'impianto 11.

La fig. 2 è relativa ad un'ulteriore forma realizzativa del presente trovato, in cui per semplicità di comprensione l'impianto fotovoltaico 11 comprende un'unica stringa 13 associata, come sopra indicato, all'inverter 14.

A ciascun pannello 12 è collegato, in modo noto, ed in parallelo, almeno un diodo 15 a semiconduttore, od altro equivalente dispositivo elettrico di by-pass, predisposto per porre in corto circuito il rispettivo pannello 12 quando su esso viene applicata una tensione di verso opposto rispetto a quella prodotta dal pannello 12.

La stringa 13 è provvista di terminali 16 i quali sono collegati sia all'apparato di controllo 10, secondo il presente trovato, sia all'inverter 14.

In una forma di realizzazione, l'apparato di controllo 10 comprende un interruttore 18 collegato in parallelo fra la stringa 13 e 1'inverter 14.

Forme di realizzazione prevedono che l'interruttore 18 sia di tipo elettromeccanico o di tipo elettronico, ad esempio un dispositivo elettronico a semiconduttore.

Nella condizione di interruttore 18 aperto l'inverter 14 è collegato direttamente in serie con la stringa 13 e l'impianto 11 si porta a funzionare con le modalità note.

Nella condizione di interruttore 18 chiuso, la stringa 13, l'interruttore 18 e l'inverter 14 si dispongono in una configurazione di collegamento in parallelo e l'interruttore 18 pone la stringa 13 in una condizione di cortocircuito o comunque in una condizione di collegamento a bassa impedenza. Per bassa impedenza si intende un collegamento in cui l'impedenza ha un valore ridotto, a solo titolo esemplificativo di qualche ohm.

In forme di realizzazione, in serie con l'interruttore 18 è previsto il collegamento di una resistenza 20.

La resistenza 20 permette di evitare il danneggiamento dei pannelli 12 o di eventuali ulteriori dispositivi elettrici/elettronici previsti nella stringa 13, causa l'instaurarsi di una elevata corrente elettrica.

In alcune forme di realizzazi 20 è del tipo variabile, quale ad esempio un reostato, il cui valore può essere impostato dall'utente, ad esempio mediante un cursore, in funzion delle caratteristiche dell'impianto fotovoltaico 11 Forme realizzative del presente trovato prevedono che l'apparato 10 comprenda un controllore 19 configurato per causare almeno la chiusura ed apertura dell'interruttore 18.

Il controllore 19 può essere configurato anche per regolare il valore della resistenza 20 qualora essa sia di tipo variabile.

Forme realizzative possono prevedere che il controllore 19 sia collegato con il controllore 14a dell'inverter 14. In ulteriori forme di realizzazione ancora, il controllore 19 è lo stesso controllore 14a previsto per 1'inverter 14.

In forme di realizzazione, al controllore 19 è associato, inoltre, un dispositivo di temporizzazione 21, o timer, il quale cooperando con il controllore 19 determina gli istanti di apertura, e/o chiusura dell'interruttore 18.

In una forma di realizzazione, le funzioni realizzate dal controllore 19 e/o dal timer 21 possono essere implementate da dispositivi elettronici digitali, oppure

opportuna circuiteria elettrica o elettromeccanica. Ulteriori forme di realizzazione prevedono che l'apparato di controllo 10 comprenda un dispositivo di misura 17 di una grandezza elettrica della stringa 13

Il dispositivo di misura 17, nel caso di specie ad esempio un wattmetro, è predisposto per rilevare la potenza erogata dalla stringa 13 di pannelli 12 e può essere di qualsiasi tipo noto.

In una variante di realizzazione, il dispositivo di misura 17 è un voltmetro collegato in parallelo ai terminali 16 e predisposto per rilevare la tensione elettrica.

In un'ulteriore variante realizzativa il dispositivo di misura 17 è un amperometro collegato in serie con la stringa 13 e predisposto per misurare la corrente elettrica.

Il dispositivo di misura 17 può essere associato al controllore 19 per controllare ed elaborare i dati che vengono acquisiti dal dispositivo di misura 17. In particolare, il controllore 19, almeno durante l'intervallo di tempo in cui l'interruttore 18 viene chiuso, rileva le grandezze elettriche relative alla stringa 13, e nel caso in cui si raggiungano dei valori di dette grandezze non accettabili, comanda l'apertura dell'interruttore 18 stesso per evitare il danneggiamento dei pannelli 12 o di eventuali componenti elettrici od elettronici ad essi associati.

L'inverter 14 può essere collegato a sua volta ad una rete elettrica 22 per fornire ad una o più utenze l'energia elettrica prodotta dall'impianto fotovoltaico 11.

In forme di realizzazione, un metodo di controllo dell'impianto fotovoltaico 11 prevede una fase di avvio dell'impianto fotovoltaico 11 che determina l'inizio della generazione di energia elettrica.

Durante tale fase di avvio è prevista l'attivazione dell'inverter 14 per dare avvio alla generazione di energia elettrica per la rete elettrica 22.

Forme di realizzazione prevedono che l'attivazione dell'inverter 14 avvenga con modalità manuale ed a discrezione dell'utente.

Una volta che il controllore 19 riconosce il raggiungimento di una soglia di potenza Wmin, ad esempio rilevata dal dispositivo di misura 17, e trascorso un primo intervallo di tempo Tl, si prevede una fase di cortocircuitazione durante la quale la stringa 13 di pannelli 12 viene posta in una condizione di cortocircuito.

Il primo intervallo di tempo Tl viene conteggiato dal timer 21 ed è impostabile dall'utente in modo da garantire che 1'inverter 14 abbia completato la sua procedura di avvio, e si possa successivamente procedere cortocircuitando la stringa 13.

In particolare, durante la fase cortocircuitazione il controllore 19 comanda la chiusura dell'interruttore 18.

In questo modo, attraverso la stringa 13 inizia a circolare una corrente elettrica generata dai pannelli 12 non ombreggiati.

Nel caso in cui uno o più pannelli 12 di una stringa 13 siano ombreggiati, ai loro capi si instaura una differenza di potenziale negativa. Detti pannelli 12 ombreggiati, infatti, non sono in grado di fornire la stessa corrente elettrica erogata dai pannelli 12 non ombreggiati.

La differenza di potenziale negativa ai capi di ciascuno dei pannelli 12 ombreggiati porta in conduzione i rispettivi diodi 15. Ciascun diodo 15 attivato determina una condizione di by-pass del rispettivo pannello 12 nella stringa 13 cui è associato .

Trascorso un secondo intervallo di tempo T2 dalla chiusura dell'interruttore 18, ovvero dall'avvio di detta fase di cortocircuitazione, viene dato avvio ad una seconda fase durante la quale il controllore 19 determina l'apertura dell'interruttore 18 stesso ponendo la stringa 13 collegata direttamente all'inverter 14.

Anche in questo caso, il secondo intervallo di tempo T2 viene conteggiato dal timer 21 ed è impostabile dall'utente.

A solo titolo esemplificativo, il secondo intervallo di tempo T2 è un valore variabile fra 1 e 20 secondi, preferibilmente fra 1 e 10 secondi, ancor più preferibilmente fra 1 e 5 secondi.

Quando l'interruttore 18 viene aperto, la stringa 13 di pannelli 12 viene collegata direttamente all'inverter 14 per l'erogazione della potenza elettrica desiderata.

Anche quando l'interruttore 18 viene aperto, i diodi 15 relativi ai pannelli 12 ombreggiati rimangono in conduzione, cortocircuitando i pannelli stessi.

In questo modo, la singola stringa 13 non si porta più in una condizione di funzionamento adeguata a quella del pannello 12 che produce meno energia elettrica, come nella tecnica nota, ma nella condizione di funzionamento più vantaggiosa, ovvero quella dei pannelli 12 non ombreggiati, ed in grado di erogare la massima potenza elettrica. In questo modo l'algoritmo MPPT considera la stringa 13 come formata dai soli pannelli 12 non ombreggiati e quindi raggiunge il punto di lavoro attuale a maggiore efficienza per quel numero di pannelli 12 non ombreggiati .

La suddetta condizione di cortocircuito da parte dei suddetti diodi 15 può rimane attivata fino a quando il pannello 12 non è in grado di fornire una corrente comparabile a quella degli altri pannelli 12 appartenenti alla stringa. Oltre questa condizione, infatti, ai capi del pannello 12 che era ombreggiato si ristabilisce una differenza di potenziale positiva che disattiva l'azione di cortocircuito del rispettivo diodo 15.

Con il presente trovato, inoltre, gli algoritmi MPPT solitamente implementati dall'inverter 14 sono in grado di riconoscere l'effettiva potenza erogabile dall'impianto fotovoltaico 11 e quindi portarlo a funzionare, sin dalla sua fase di avvio anche se in presenza di pannelli 12 ombreggiati, in una condizione ottimale, cioè di massima potenza erogabile, in relazione al numero di pannelli 12 effettivamente non ombreggiati.

È chiaro che all'apparato di controllo 10 ed al metodo di controllo per un impianto fotovoltaico 11 fin qui descritto possono essere apportate modifiche e/o aggiunte di parti, senza per questo uscire dall'ambito del presente trovato.

Ad esempio si può prevedere che l'apparato di controllo 10 sopra descritto anziché essere un componente esterno o separato rispetto all'inverter 14, sia parte integrante di quest'ultimo.

In altre parole si può prevedere che le suddette funzioni eseguite dall'apparato 10 vengano implementate direttamente dall'inverter 14 stesso, usando i suoi interruttori elettronici e modificando opportunamente il software di gestione e di controllo dell'inverter 14 stesso, per comprendere al suo interno le funzioni eseguite dal controllore 19 e dal timer 21.

Forme di realizzazione, inoltre, possono prevedere l'azionamento dell'interruttore 18 anche con modalità manuale. In questo caso l'utente può decidere di attivare l'apparato 10 secondo il presente trovato, anche dopo l'avvio dell'impianto, ad esempio per verificarne il funzionamento.

Forme di realizzazione del metodo di controllo possono essere incluse in un programma per computer memorizzabile in un mezzo leggibile da un computer che contiene le istruzioni che, quando eseguite dal controllore 19, determinano l'esecuzione del metodo di controllo mediante l'apparato di controllo 10 secondo il presente trovato.

È anche chiaro che, sebbene il presente trovato sia stato descritto con riferimento ad alcuni esempi specifici, una persona esperta del ramo potrà senz'altro realizzare molte altre forme equivalenti di apparto di controllo 10 e metodo di controllo per un impianto fotovoltaico 11, aventi le caratteristiche espresse nelle rivendicazioni e quindi tutte rientranti nell'ambito di protezione da esse definito.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Apparato per controllare un impianto fotovoltaico (11) comprendente almeno una stringa (13) di moduli fotovoltaici (12) collegata ad un convertitore di energia elettrica (14), caratterizzato dal fatto che comprende un interruttore (18) collegato in parallelo a detta stringa (13) ed a detto convertitore di energia elettrica (14).
2. Apparato come nella rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che comprende un controllore (19) configurato per comandare almeno la chiusura ed apertura di detto interruttore (18).
3. Apparato come nella rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che comprende una resistenza (20) collegata in serie con detto interruttore (18).
4. Apparato come nella rivendicazione 2 e 3, caratterizzato dal fatto che detta resistenza (20) è di tipo variabile e selettivamente impostabile da detto controllore (19).
5. Apparato come nella rivendicazione 2 o 4, caratterizzato dal fatto che a detto controllore (16) è associato un dispositivo di temporizzazione (21).
6. Apparato come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende un dispositivo di misura (17) scelto in un gruppo comprendente almeno uno fra un voltmetro, un amperometro, un wattmetro predisposti per rilevare rispettive grandezze elettriche di detto impianto fotovoltaico (11).
7. Apparato come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti moduli fotovoltaici (12) sono collegati reciprocamente in serie e sono provvisti ciascuno di almeno un diodo di by-pass (15) idoneo a cortocircuitare il rispettivo modulo fotovoltaico (12) nel caso in cui fra di esso si instauri una differenza di potenziale negativa.
8. Apparato come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto convertitore di energia elettrica (14) comprende un controllore configurato per implementare un algoritmo MPPT.
9. Impianto fotovoltaico comprendente un apparato (10) come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
10. Metodo di controllo di un impianto fotovoltaico (11) comprendente almeno una stringa (13) di moduli fotovoltaici (12) ed associato ad un convertitore di energia elettrica (14), caratterizzato dal fatto che comprende almeno una prima fase in cui detta stringa (13) viene posta in una condizione di cortocircuito per porre in una condizione di by-pass almeno uno di detti moduli fotovoltaici (12) ed una successiva seconda fase in cui detta stringa (13) viene collegata in serie con detto convertitore di energia elettrica (14).
11. Metodo come nella rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detta prima fase e detta seconda fase vengono determinate mediante chiusura e rispettivamente apertura di un interruttore (18) collegato in parallelo con detta stringa (13).
12. Metodo come nella rivendicazione 10 o 11, caratterizzato dal fatto che detta condizione di bypass viene causata portando in conduzione un diodo di by-pass (15) collegato in parallelo a ciascuno di detti moduli fotovoltaici (12).
13. Metodo come in una qualsiasi delle rivendicazioni da 10 a 12, caratterizzato dal fatto che detta prima fase viene avviata dopo un primo intervallo di tempo (Tl) dall'avviamento di detto convertitore di energia elettrica (14), detto primo intervallo di tempo (Tl) essendo correlato al tempo di avvio di detto convertitore di energia elettrica (14).
14. Metodo come in una qualsiasi delle rivendicazioni da 10 a 12 caratterizzato dal fatto che detta fase viene avviata subito dopo l'avvio di detto convertitore di energia elettrica (14).
15. Metodo come in una qualsiasi delle rivendicazioni da 10 a 14, caratterizzato dal fatto che detta prima fase ha una durata temporale determinabile in un intervallo di tempo compreso fra 1 e 20 secondi.
16. Apparato come in una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8 comprendente un mezzo leggibile da un computer che contiene istruzioni che, quando eseguite da un controllore (19), determinano l'esecuzione di un metodo di controllo come in una qualsiasi delle rivendicazioni da 10 a 15 utilizzando detto apparato.