I trasduttori di corrente utilizzati negli inverter fotovoltaici devono seguire queste tendenze: devono essere compatti e offrire prestazioni equivalenti o superiori a un costo inferiore rispetto ai trasduttori che sostituiscono. Gli impianti fotovoltaici utilizzano tipicamente trasduttori di corrente in tre punti. Uno è situato sul lato CC per il sistema di inseguimento del punto di massima potenza (MPPT). Gli altri due sono situati sul lato CA: il primo per definire i parametri della forma d'onda della corrente di uscita e il secondo per motivi di sicurezza per misurare la corrente residua (RCM) in uscita, generata dalla dispersione verso terra e che può causare l'arresto del sistema se necessario. Questo articolo presenta un nuovo trasduttore compatto progettato specificamente per la misurazione della corrente residua.
1. INTRODUZIONE
La Figura 1 mostra i componenti principali che circondano l'inverter in un impianto fotovoltaico tipicamente utilizzato in installazioni residenziali fino a circa 20 kW. Diversi inverter di questo tipo possono essere combinati per creare un sistema completo, che viene collegato alla rete elettrica tramite contatori.
Figura 2. Tensioni e correnti residue nell'impianto fotovoltaico.
Nel corso dell'ultimo decennio, i nuovi MOSFET al silicio sono stati integrati negli inverter e, in futuro, i MOSFET a base di SiC e GaN inizieranno a sostituire quelli a base di silicio. Ciò consente di aumentare le frequenze di commutazione, riducendo a sua volta le dimensioni dei componenti reattivi (induttori, condensatori) e, di conseguenza, le loro dimensioni complessive. Un inverter da 2 kW disponibile nel 2010, che secondo le specifiche del produttore pesava 20 kg, è stato sostituito nel 2016 da un modello che pesava meno di 10 kg. Per garantire che i trasduttori di corrente utilizzati come dispositivi di misura in un impianto fotovoltaico continuino a rappresentare una porzione trascurabile dello spazio e del peso totali, anche le loro dimensioni devono essere ridotte senza compromettere le prestazioni. Analogamente, anche il loro costo deve essere ridotto per seguire la tendenza al ribasso dell'intero sistema inverter.
La figura mostra tre trasduttori di corrente LEM, tutti contenenti ASIC CMOS proprietari progettati su misura con celle ad effetto Hall completamente integrate. Sul lato CC dell'inverter è presente un GO ad anello aperto; sul lato CA, un LPSR ad anello chiuso per il sistema di controllo dell'inverter; e in uscita, un LDSR ad anello chiuso, un nuovo trasduttore differenziale per l'RCM. (Per una spiegazione dettagliata dei trasduttori ad effetto Hall ad anello aperto e ad anello chiuso, vedere il riferimento (1))
La Figura 2 illustra le forme d'onda della tensione sui lati CC e CA dell'inverter. Si noti che in un sistema senza trasformatore, il "lato CC" presenta effettivamente una tensione CC corrispondente all'uscita delle celle fotovoltaiche tra i nodi PV+ e PV- (che potrebbe dover essere aumentata con un convertitore CC/CC), ma ogni nodo fotovoltaico presenta anche una tensione CA il cui valore di picco è simile alla tensione di picco in uscita sul lato CA. Se questo aspetto non viene preso in considerazione a livello di sistema, rappresenta un grave problema di sicurezza.
2. Misurazione della corrente residua per motivi di sicurezza.
I nodi PV+ e PV- nella Figura 1 sono di grandi dimensioni in un tipico impianto fotovoltaico. La tensione media in ciascun nodo, riferita a terra, è pari alla metà della tensione ai capi delle celle fotovoltaiche, ma contiene anche una tensione alternata con un valore di picco simile a quello delle celle. Se una persona tocca i nodi PV+ o PV- (o, in generale, qualsiasi nodo sul lato CC dell'inverter), una corrente di dispersione fluirà tra il sistema e la persona, e verso terra. Poiché nel sistema esiste un solo nodo il cui potenziale è mantenuto a livello di terra — il nodo di uscita N — questa dispersione deve ritornare al sistema attraverso il nodo N, causando uno squilibrio di corrente continua, o corrente residua, tra le uscite L e N. Questa corrente residua deve essere rilevata per consentire al sistema di reagire il più rapidamente possibile per proteggere la persona che l'ha causata. Tra le sfide implicate nel RCM, spiccano le seguenti:
i) Il valore assoluto della corrente da rilevare è basso, dell'ordine di poche decine di mA, e quindi gli offset del trasduttore devono essere sufficientemente bassi per rilevare questo livello di corrente;
ii) La corrente di uscita CA ha un valore compreso tra zero e decine di A, e la corrente residua deve essere rilevata in sua presenza;
iii) La capacità tra i pannelli fotovoltaici e la terra implica che vi sia sempre una corrente che fluisce verso la connessione di terra, e l'obiettivo del sistema è quello di distinguere questa da una corrente aggiuntiva causata da un contatto umano pericoloso.
La Figura 2 mostra il percorso della corrente di dispersione in un sistema inverter semplificato con il nuovo trasduttore LEM LDSR utilizzato per RCM.
Dei tre punti menzionati sopra, (i) e (ii) sono stati ottenuti con LDSR grazie a una progettazione speciale per RCM, mentre (iii) è ottenuto applicando un algoritmo di elaborazione del segnale all'uscita del trasduttore.
La Figura 3 mostra la struttura di base dell'RCM: un ASIC con una cella di Hall, simile a quella utilizzata nel trasduttore LPSR, occupa il centro di un trasduttore ad anello chiuso. Le correnti CA I1 e I2 si annullano a vicenda e la bassa corrente residua viene rilevata dall'ASIC della cella di Hall e compensata nell'avvolgimento secondario, che ha un numero di spire molto inferiore rispetto all'LPSR poiché la corrente da rilevare è molto più bassa.
Figura 3: Principio di funzionamento dell'RCM basato sulla tecnologia ad anello chiuso ad effetto Hall.
Un'analisi dettagliata della posizione del conduttore primario in Figura 3 indica che la cancellazione di I1 e I2 non è perfetta e che il campo magnetico residuo nell'intercapedine d'aria dipende dalla loro posizione. Pertanto, si è deciso di definire con precisione la posizione dei conduttori primari e, a tale scopo, è stato scelto un circuito stampato multistrato all'interno del trasduttore. Inoltre, il metodo RCM richiede solo poche decine di spire nell'avvolgimento secondario, il che significa che anche queste possono essere incise su un circuito stampato. Ciò si traduce in un sensore innovativo con una costruzione molto più semplice rispetto ad altri sensori a circuito chiuso. Sebbene il posizionamento dei conduttori primari su un circuito stampato limiti la corrente massima nel primario, il valore realizzabile di 35 A per conduttore è più che sufficiente per le installazioni domestiche.
A scopo di test, una bobina aggiuntiva viene avvolta sul circuito stampato dell'ASIC in modo concentrico con il circuito secondario. Ciò è utile per il collaudo del sistema: la corrente che la attraversa fornirà un segnale di uscita al trasduttore nello stesso modo in cui lo fa la differenza di corrente tra gli avvolgimenti primari.
Analogamente al trasduttore LPSR, l'ASIC è progettato per avere un offset minimo, e l'offset relativo alla corrente di ingresso viene ridotto inserendo un foro nel circuito stampato sotto l'ASIC, in modo da rendere il traferro il più piccolo possibile nel circuito magnetico.
A causa dell'elevata sensibilità del sensore LDSR, è stata applicata una schermatura magnetica attorno all'ASIC e all'intercapedine d'aria.
La Figura 4 mostra una fotografia del trasduttore LDSR.
In generale, le correnti di dispersione rilevate dal LDSR avranno componenti sia CA che CC, e ciascun utente utilizzerà un algoritmo specifico all'uscita del trasduttore per determinare quando la dispersione è "eccessiva" e per intraprendere le azioni appropriate. Uno scenario particolarmente complesso si presenta quando è presente una componente di dispersione CA elevata, di origine naturale e variabile (dipendente, ad esempio, dall'umidità ambientale) dovuta a capacità parassite, e si deve rilevare il livello massimo di dispersione causato dal contatto di una persona con il lato CC. L'impedenza presentata da una persona è altamente resistiva, quindi, come mostrato in Figura 5, la corrente aggiunta è praticamente uguale al valore RMS della corrente di dispersione; l'effetto principale è uno sfasamento.
Figura 5: Effetto dopo l'aggiunta di un percorso resistivo alla perdita.
Naturalmente, nella Figura 5 è presente anche del rumore che si somma alle correnti reale e immaginaria. Se è nota una sola frequenza, questa deve essere analizzata utilizzando una forma d'onda campionata; l'algoritmo di Goertzel è molto efficiente. Nella Figura 6, una "corrente di dispersione personale" di 30 mA rms viene aggiunta a una "corrente di dispersione capacitiva" di 300 mA rms con 7,5 mA rms di rumore dopo 0,1 s. L'effetto visibile sulla corrente di dispersione totale è pressoché impercettibile, ma dopo l'elaborazione con l'algoritmo di Goertzel, la corrente viene facilmente riportata a 30 mA. Se questo valore supera una soglia predefinita, è possibile adottare le opportune misure a livello di sistema.
Figura 6. Simulazione della corrente residua durante un guasto e output dell'algoritmo di Goertzel.
Conclusione
Questo articolo utilizza l'esempio degli impianti fotovoltaici per illustrare i recenti progressi nei trasduttori di corrente LEM per la misurazione della corrente residua. Le loro dimensioni e i loro costi sono stati ridotti, mentre le prestazioni sono state mantenute o migliorate. I trasduttori sono ora progettati senza il componente a induzione magnetica precedentemente necessario. Questa innovazione è possibile perché la complessità progettuale del trasduttore è stata trasferita ai circuiti integrati ASIC ad effetto Hall personalizzati che utilizzano.
Riferimento (1): https://www.lem.com/en/file/3139/download
