Os inversores pertencem a um grande grupo de conversores estáticos, que inclui muitos dos atuais'dispositivos capazes de“converter”parâmetros elétricos na entrada, como tensão e frequência, de modo a produzir uma saída compatível com os requisitos da carga.

De modo geral, os inversores são os dispositivos capazes de converter corrente contínua em corrente alternada e são bastante comuns em aplicações de automação industrial e acionamentos elétricos.A arquitetura e o design dos diferentes tipos de inversores mudam de acordo com cada aplicação específica, mesmo que o núcleo de sua finalidade principal seja o mesmo (conversão CC para CA).

1. Inversores autônomos e conectados à rede

Os inversores utilizados em aplicações fotovoltaicas são historicamente divididos em duas categorias principais:

:Inversores autônomos

:Inversores conectados à rede

Os inversores autônomos são para aplicações onde a usina fotovoltaica não está conectada à rede principal de distribuição de energia.O inversor é capaz de fornecer energia elétrica às cargas conectadas, garantindo a estabilidade dos principais parâmetros elétricos (tensão e frequência).Isto os mantém dentro de limites predefinidos, capazes de suportar situações de sobrecarga temporária.Nesta situação, o inversor é acoplado a um sistema de armazenamento de bateria para garantir um fornecimento consistente de energia.

Já os inversores conectados à rede conseguem sincronizar-se com a rede elétrica à qual estão conectados porque, neste caso, a tensão e a frequência são“imposto”pela grade principal.Estes inversores devem ser capazes de desligar em caso de falha da rede principal, a fim de evitar qualquer possível alimentação inversa da rede principal, o que poderia representar um perigo grave.

Figura 1 - Exemplo de sistema autônomo e sistema conectado à rede.Imagem cortesia de Biblus.

2. Qual é a função do capacitor de barramento

O objetivo de um inversor é transformar uma tensão de forma de onda CC em um sinal CA para injetar energia em uma carga (por exemplo, a rede elétrica) em uma determinada frequência e com um pequeno ângulo de fase (φ≈0).Um circuito simplificado para uma modulação por largura de pulso unipolar monofásica (PWM) é mostrado na Figura2 (o mesmo esquema geral pode ser estendido a um sistema trifásico).Neste esquema, um sistema fotovoltaico, atuando como uma fonte de tensão CC com alguma indutância de fonte, é moldado em um sinal CA através de quatro interruptores IGBT em paralelo com diodos de roda livre.Essas chaves são controladas no portão por meio de um sinal PWM, que normalmente é a saída de um IC que compara uma onda portadora (geralmente uma onda senoidal da frequência de saída desejada) e uma onda de referência em uma frequência significativamente mais alta (normalmente uma onda triangular). em 5-20kHz).A saída dos IGBTs é moldada em um sinal AC adequado para uso ou injeção na rede através da aplicação de diversas topologias de filtros LC.

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Figura 2: Modulação por Largura Pulsada (PWM) monofásicaconfiguração do inversor.As chaves IGBT, juntamente com o filtro de saída LC, transformam o sinal de entrada DC em um sinal AC utilizável.Isto induz umaondulação de tensão prejudicial nos terminais fotovoltaicos.O ônibuso capacitor é dimensionado para reduzir essa ondulação.

A operação dos IGBTs introduz uma ondulação de tensão no terminal do arranjo fotovoltaico.Esta ondulação é prejudicial ao funcionamento do sistema fotovoltaico, uma vez que a tensão nominal aplicada aos terminais deve ser mantida no ponto de potência máxima (MPP) da curva IV para extrair a maior potência.Uma ondulação de tensão nos terminais fotovoltaicos fará oscilar a potência extraída do sistema, resultando em

uma potência média inferior (Figura 3).Um capacitor é adicionado ao barramento para suavizar a ondulação de tensão.

Figura 3: Uma ondulação de tensão introduzida nos terminais fotovoltaicos pelo esquema do inversor PWM desloca a tensão aplicada do ponto de potência máxima (MPP) do arranjo fotovoltaico.Isso introduz uma ondulação na potência de saída do arranjo, de modo que a potência média de saída é inferior ao MPP nominal.

A amplitude (pico a pico) da ondulação de tensão é determinada pela frequência de comutação, tensão fotovoltaica, capacitância do barramento e indutância do filtro de acordo com:

onde:

VPV é a tensão CC do painel solar,

Cbus é a capacitância do capacitor de barramento,

L é a indutância dos indutores do filtro,

fPWM é a frequência de comutação.

A equação (1) se aplica a um capacitor ideal que evita que a carga flua através do capacitor durante o carregamento e então descarrega a energia localizada no campo elétrico sem resistência.Na realidade, nenhum capacitor é ideal (Figura 4), mas é composto por múltiplos elementos.Além da capacitância ideal, o dielétrico não é perfeitamente resistivo e uma pequena corrente de fuga flui do ânodo para o cátodo ao longo de uma resistência shunt finita (Rsh), contornando a capacitância dielétrica (C).Quando a corrente através do capacitor está fluindo, os pinos, folhas e dielétrico não conduzem perfeitamente e há uma resistência em série equivalente (ESR) em série com a capacitância.Finalmente, o capacitor armazena alguma energia no campo magnético, portanto há uma indutância em série equivalente (ESL) em série com a capacitância e a ESR.

Figura 4: Circuito equivalente de um capacitor genérico.Um capacitor écomposto de muitos elementos não ideais, incluindo capacitância dielétrica (C), uma resistência shunt não infinita através do dielétrico que contorna o capacitor, resistência em série (ESR) e indutância em série (ESL).

Mesmo em um componente aparentemente tão simples como um capacitor, existem vários elementos que podem falhar ou degradar-se.Cada um desses elementos pode afetar o comportamento do inversor, tanto no lado CA quanto no lado CC.A fim de determinar o efeito da degradação dos componentes não ideais do capacitor na ondulação de tensão introduzida nos terminais fotovoltaicos, um inversor de ponte H unipolar PWM (Figura 2) foi simulado usando SPICE.Os capacitores e indutores do filtro são mantidos em 250µF e 20mH, respectivamente.Os modelos SPICE para os IGBTs são derivados do trabalho de Petrie et al. O sinal PWM, que controla as chaves IGBT, é determinado por um circuito comparador e um circuito comparador inversor para as chaves IGBT do lado alto e baixo, respectivamente.A entrada para os controles PWM é uma onda portadora senoidal de 9,5 V, 60 Hz e uma onda triangular de 10 V, 10 kHz.