Instalación en grandes plantas fotovoltaicas de conexión a red

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Análisis de las grandes estaciones de potencia fotovoltaicas
(multi megavatios) de media tensión
Instalación en grandes plantas fotovoltaicas
de conexión a red
El objetivo de este artículo es analizar las grandes estaciones de potencia fotovoltaicas, cuyo rango oscila entre los 300 hasta los 2600 kW, y que pueden ser instaladas en las grandes plantas
fotovoltaicas de conexión a red, sobre todo en Estados Unidos.
De acuerdo con las últimas cifras del
Programa PVPS (Photovoltaic Power
System Programme) de la Agencia
Internacional de la Energía, en 2012
hay un total de 28.4 GW instalados
en el mundo, de los cuales más del
90 % corresponden a instalaciones
conectadas a las red. En estas instalaciones uno de los elementos más
importantes son los inversores fotovoltaicos. Aquellos, pueden distinguirse entre los micro inversores, los
denominados "string inverter", los
inversores centrales, las plataformas
de potencia de media tensión (MT) y
los sistemas inversores basados en
baterías. Precisamente, en este artículo se analizan las denominadas
plataformas de potencia de media
tensión.
Estas plataformas han surgido, en
estos últimos dos años, por la programación e instalación de grandes
sistemas fotovoltaicos, sobre todo
en Estados Unidos, China y diversos
países de Sudamérica, del orden de
varias decenas de megavatios.
De esta forma, los fabricantes de inversores se han visto obligados a
lanzar un nuevo producto, que en
realidad no es más que una integración de elementos ya existentes: la
denominada estación de potencia fotovoltaica. Esta estación de potencia, cuyos términos varían en ingles
Megawatt Solar Station (MSS) o MV
power platform (Medium Voltage),
es en realidad un solución de conversión de potencia con salida en
media tensión (MT). Es decir, convierte la corriente continua del generador fotovoltaico a la red en media
tensión. Estas plataformas de poten-
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cia están equipadas con todos los
componentes necesarios para llevar
a cabo esta tarea. En la mayoría de
los casos, los parámetros y elementos son bajo pedido y se pueden
ajustar a las necesidades del cliente.
vance Energy (AE PowerStation™ TX
and PowerStation™NX 1000 Integrated Solution), AETI (ISIS 1/1.5 MW),
Bonfiglioli (RPS Station 1000/ 1500/
1600/ 2000/ 2800), Danfoss Emerson (SPI) Ingeteam (Ingecon® Sun
Así, para llevar a cabo este estudio,
se han recopilado las estación de potencia de quince fabricantes diferentes, ordenados alfabéticamente:
ABB (PVS800-MWS 1-1.25 MW), Ad-
Powerstation U 300/ 400/ 450/ 500/
600/ 700/ 750/ 800/ 900/ 1000/
1050/ 1150/ 1200/ 1250/ 1300/
1400/ 1500/ 1600/ 1750/ 1800/
1850/ 2000/ 2100), GPTech (APIS
Figura 1: Configuración de una sola estación (Figura tomada del catálogo de
Ingeteam)
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Figura 2: Configuración en estrella (Figura tomada del catálogo de Ingeteam)
Cinco diferentes ítems se han encontrado: temperatura de operación, temperatura de ambiente en operación, temperatura de transporte y almacenaje, máxima humedad relativa, máximo consumo de aire y altitud máxima permitida
sobre el nivel del mar. Normalmente, algunos de los fabricantes aseveran que
todos estos parámetros han sido medidos de acuerdo con la norma EN
6¡0721-3-3.
Figura 3: Configuración en anillo (Figura tomada del catálogo de Ingeteam)
1000, 1250, 1500-2000), Jema (SI
Box), Kaco (Powador 500 y 700), LTI
(PVmaster Station USA), Power Electronics (Freesun HES-UL), PowerOne (PVI-Station-1000-US and PVISTATION-1320-US), Solarmax (TSSV Compact Station), SMA (MV Power Platform 1.0/ 1.25/ 1.4/ 1.5/
1.6 MW) Solectria Renewables (MSS
encontrado los siguientes resultados:
No se ha encontrado ningún manual
de instalación de los productos, sólo
hojas de características. Esto se debe, en gran parte, por la novedad de
los diversos productos así como que
muchos de ellos se ajustan a las necesidades del cliente.
Por otra parte, el rango de potencia
encontrado varía entre los 300 kW
hasta los 2.6 MW.
Los sistemas suelen ser muy flexibles ofreciendo diferentes posibilidades de configuraciones. Así, se pueden configurar como estación única,
en anillo o en triángulo, Figuras 1-3.
Los elementos comunes o subsistemas en cada una de estas estaciones
encontrados han sido los siguientes:
la plataforma, el panel de control y
suministro, la unidad de desconexión de CC a CA, el equipo de con-
1, 1.5 and 2 MW).
Como puede observarse, hay cuatro
fabricantes españoles: Ingeteam,
Jema, GPTech y Power Electronics.
La mayoría de estos productos pueden instalarse en casi todos los países del mundo.
Del análisis efec- Figura 5: Configuración con inversores Multi-MPPT (Ingetuado, se han team)
Figura 4: Configuración con inversores Maestro-Esclavo
(Ingeteam)
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Figure 6: Mínima tensión del SPMP (V) versus potencia nominal de salida de
CA (kW)
Figure 7: Máxima tensión del SPMP (V) versus potencia nominal de salida de
CA (kW)
Figure 8: Máxima y mínima tensión del SPMP (V) versus potencia nominal de
salida de CA (kW)
versión de potencia, el transformador de media tensión, sistema de
ventilación y opciones de monitorización.
A continuación, se van analizar algu-
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nos de estos subsistemas.
La plataforma o carcasa
Es donde están ubicados todos y cada uno de los elementos de la esta-
De acuerdo con el análisis efectuado, se
han encontrado las siguientes protecciones: protección de sobre tensión de
CC, error de sobrecarga, detección de
aislamiento del campo fotovoltaico, control de aislamiento (monitorización de
falta de tierra), polaridad inversa, de
sobrecorriente, interruptor de Load-Breaking DC switch (Each Input, Monitored),
Input Surge Protection (monitored).
ción. Puede ser abierta, con un dosel
o cerrada. Además, acorde con las
dimensiones, se ha podido comprobar que existen dos tipos de carcasas: las de 20 pies y las de 40, todos
ellas aisladas. Asimismo, desde el
punto de vista del cerramiento, hay
dos tipos diferentes: los tipos shelter
y los conteiner. La estructura suele
ser de hormigón o de acero galvanizado en caliente, con el marco de
enrejados, garantizando la máxima
estanqueidad, impermeabilidad, aislamiento térmico, ligereza y durabilidad en el tiempo.
La pintura aplicada a las carcasas
suele estar de acuerdo con la norma
ISO 9227-06 NSS, con el fin de asegurar el máximo nivel de protección
bajo las condiciones meteorológicas.
Normalmente, los fabricantes anuncian que tienen la aprobación RINA
(que es una entidad de certificación
de productos y servicios relacionados con la seguridad y eficacia del
transporte marítimo y con la prevención de la contaminación, mundialmente conocida). Por lo que podrá
transportarse sin impedimentos a
cualquier parte del mundo.
Panel de control y suministro
Este panel provee de la distribución
de potencia en baja tensión a las diversos consumos de la plataforma,
aplicando, en muchos casos SCADA.
Por otra parte, también, en el caso
de ser instalada para los Estados
Unidos, tienen la unidad de desconexión de CC a CA, acuerdo con el Código Nacional de Electricidad NSI/
NFPA 70. El dispositivo de desconexión de CA suele estar integrado en
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Figure 9: Rendimiento máximo (%) versus potencia nominal de salida de CA
(kW)
el equipo de conversion de potencia.
Equipo de conversión de potencia
En realidad, este subsistema está
formado por un número determinado de inversores, que en realidad
son inversores centrales. El número
de ellos depende de la potencia de la
estación.
Se han encontrado dos configuraciones diferentes: modo Master/ Slave
(en donde los inversores están en
paralelo) y Multi-Master-Slave (o
multi SPMP, seguimiento del punto
de máxima potencia-MPPT) con el fin
de alcanzar un SPMP independiente
en cada uno de los sub-arrays fotovoltaicos.
De acuerdo con el análisis de las hojas de características de los diferentes modelos analizados, se ha podido verificar que éstas se suelen contener los siguientes apartados: especificaciones eléctricas (paráme-
tros de entrada y salida), medioambientales, encerramiento, servicio de
garantía y servicio, interface de comunicación, monitorización, regulaciones y estándares.
A continuación, se van a analizar algunos de estos apartados.
Especificaciones eléctricas
Se ha podido comprobar que las especificaciones eléctricas de las estaciones dependen del número de inversores que tengan cada solución.
Parámetros de entrada (lado de
CC)
Los siguientes parámetros se han
encontrado y analizado: valor absoluto de la tensión máxima de funcionamiento, rango de la tensión del
PMP (punto de máxima potencia),
número de inversores, número de
entradas independientes del PMP
El valor absoluto de la tensión de CC
para todos los equipos ha sido de
Figure 10: Rendimiento californiano (%) versus potencia nominal de salida de
CA (kW)
1000 V. En las hojas características
de los fabricantes aunque se refieren
al mismo término se ha podido verificar que lo nombran de diferente
forma.
Por otra parte, el rango de tensión
del seguimiento del punto de máxima potencia oscila entre los 320 y
los 900 V. En la Figura 6 se muestran
los valores mínimos de la tensión del
SPMP (seguimiento del punto de máxima potencia) encontrados versus
la potencia nominal de salida de CA.
El rango oscila entre los 300 y los
700 V. Como se observa, cómo los
valores mínimos no tienen un relación con la potencia.
En lo que respecta a la máxima tensión del SPMP, Figura 7, el rango oscila entre los 500 y los 900 V. Nuevamente, no existe una relación clara entre los valores de la tensión con
los de la potencia nominal.
Finalmente, en la Figura 8, se presentan tanto los valores de tensión
mínimos como máximos, conjunta-
Los elementos comunes o subsistemas
en cada una de estas estaciones encontrados han sido los siguientes: la
plataforma, el panel de control y suministro, la unidad de desconexión de CC
a CA, el equipo de conversión de potencia, el transformador de media tensión,
sistema de ventilación y opciones de
monitorización.
mente, versus la potencia nominal
de salida.
Por otra parte, pudo verificarse que
el número de entradas independientes oscila entre 2 y 8.
Protecciones de la entrada
De acuerdo con el análisis efectuado, se han encontrado las siguientes
protecciones: protección de sobre
tensión de CC, error de sobrecarga,
detección de aislamiento del campo
fotovoltaico, control de aislamiento
(monitorización de falta de tierra),
polaridad inversa, de sobrecorriente,
interruptor de Load-Breaking DC
switch (Each Input, Monitored), Input Surge Protection (monitored).
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Parámetros de salida (antes del
transformador de media tensión)
Dentro de los parámetros de salida,
se han podido distinguir los siguientes: corriente de salida de CA, rango
de la tensión de salida, frecuencia,
factor de potencia, corriente de armónicos y frecuencia de conmutación.
Los valores de la potencia nominal
de CA encontrados varían entre los
300 kW y los 2800 kW. La tensión de
salida de la mayoría de los inversores es menor que 1000 Vca, entre
200 y 320 Vca. Con el fin de aumentar a la media tensión de distribución
(13.8 kV, 23.0 kV, 34.5 kV, 46.0 kW,
o 69.0 kv) o niveles de transmisión
de (>= 115.0 kV) se necesita un
transformador, el cuál viene incorporado en la propia estación (ver la
sección del transformador de medida
tensión).
Con respecto a la distorsión máxima
de armónicos (THD), el valor máximo encontrado has sido del 3 %.
Por otra parte, con el incremento en
el uso de los inversores en la red de
transmisión, el sector ha tendido rápidamente hacia la capacidad de
ofrecer un manejo de la potencia reactiva del equipo. De esta forma, todos los modelos de la estación de
potencia analizados tienen la capaci-
dad de absorber o inyectar potencia
reactiva. Dos rangos ajustables han
sido encontrados, dependiendo del
modelo: 0.9 capacitivo a 0.9 inductivo ó 0.8 capacitivo a 0.8 inductivo.
Esta capacidad se conoce como "factor de potencia estática" (suministro
de potencia reactiva). Asimismo, en
estas estaciones se puede implementar capacidades del suministro
dinámico de potencia reactiva, bajo
demanda de la compañía eléctrica
Esta estación de potencia, cuyos términos varían en ingles Megawatt Solar
Station (MSS) o MV power platform (Medium Voltage), es en realidad un solución de conversión de potencia con salida en media tensión (MT).
suministradora (ver Características
del Control).
Además, algunos modelos tienen esquemas de reducción de potencia
activa controlada. Por último, conviene decir que sólo en algunos casos se especifica la frecuencia de
conmutación de los interruptores de
potencia, la cuál suele ser de unos
18 kHz.
Rendimiento
Se han encontrado tres parámetros
relacionados con el rendimiento del
subsistema de conversión: rendimiento máximo, Figura 9, y rendimiento californiano, 10 y rendimiento europeo. Se echa en falta el rendimiento del seguimiento del punto
de máxima potencia, ya que en ninguno de los modelos analizados se
presenta dicho parámetro en sus hojas de características. Hay que tener
en cuenta que los valores de cualquiera de los rendimientos anteriormente mencionados no incluyen el
transformador de media tensión.
Así, en la Figura 9 se presenta el
rendimiento máximo (%) versus la
potencia nominal de salida. Como
puede observarse, los valores oscilan entre el 97 y el 98.7 %, sin relación alguna con la potencia de salida.
En cambio, el rendimiento californiano, Figura 10, oscila entre 97 y 98.5
%.
Condiciones ambientales (parámetros medioambientales)
Cinco diferentes ítems se han encontrado: temperatura de operación,
temperatura de ambiente en operación, temperatura de transporte y
almacenaje, máxima humedad relativa, máximo consumo de aire y alti-
Tabla 1: Protecciones medioambientales para las MW estaciones fotovoltaicas, según la clasificación NEMA
Protección
medioambiental
3 and 3S
3R
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Tema
Resistencia al agua
Descripción
NEMA 3, es para uso interior o al aire libre, proporcionar un grado de protección al personal contra el contacto incidental
con el equipo, proporcionar un grado de protección contra suciedad, lluvia, aguanieve, nieve y viento de polvo, además permanecerá ileso a pesar de la formación externa de hielo.
En cambio NEMA 3S, está dirigido para uso interior o al aire libre,
proporcionar un grado de protección al personal contra el contacto incidental
con el equipo, proporcionar un grado de protección contra suciedad, lluvia, aguanieve, nieve y vientos de
polvo, además el/los mecanismo/s externo/s deberán seguir operando a pesar de la formación externa de
hielo.
Para uso interior o al aire libre, proporcionar un grado de protección al personal contra el contacto incidental
con el equipo, proporcionar un grado de protección contra suciedad, lluvia, aguanieve y nieve, además
permanecerá ileso a pesar de la formación externa de hielo.
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tud máxima permitida sobre el nivel
del mar. Normalmente, algunos de
los fabricantes aseveran que todos
estos parámetros han sido medidos
de acuerdo con la norma EN 607213-3.
Con respecto al rango de la temperatura de operación, el rango encontrado oscila entre - 4 F ... +122 F (
- 20 °C ... +50°C). Algunos modelos
alcanzar incluso los 60 °C. Normalmente, el subsistema de potencia
mantendrá su operación de funcionamiento normal hasta los -13°F (25°C). Si la temperatura ambiente
cae por debajo de -13°F (-25°C), el
subsistema de potencia parará activándose una unidad de calentamiento adicional. Tan pronto como la
temperatura ambiente exceda de un
determinado valor, normalmente - 4
F (- 20°C), el equipo volverá a
arrancar.
Otros, en cambio, tienen una opción
de "baja temperatura", los cuales
son capaces de extender el rango
desde - 40 F hasta +140 F ( - 40°C
... +60°C);
Clases de protección
La mayor parte de las estaciones
analizadas cumplen con NEMA 3S o
3R como protección medioambiental, de acuerdo con la Tabla 1.
NEMA, que es la United States National Electrical Manufacturers Association (NEMA), es la asociación que
publica los niveles de protección para verificar la robustez de un equipo,
diseñado para trabajar en ambientes
hostiles. Es similar a la IP el cuál
también proporciona un medio de
clasificar el grado de protección de
sólidos (como polvo) y líquidos (como agua) que el equipo eléctrico y
carcasas deben reunir. El sistema es
reconocido en la mayoría de los países y está incluido en varios estándares, incluyendo el IEC 60529. Por
otra parte, es digno de mención que
no hay una correlación directa entre
los valores dados por NEMA e IP.
Protecciones de salida de CA
(antes del transformador de media tensión)
Las funciones de protección encontradas han sido las siguientes: protección sobretensión, efecto isla, variaciones en la tensión de red, fallos
en la frecuencia, corrientes asimétri-
cas y soporte de huecos de tensión.
Características del control
Nuevas capacidades técnicas están
siendo implementadas en las estaciones fotovoltaicas, derivados de
las ya implementadas en los inversores centrales. Los principales requerimientos encontrados han sido
los siguientes: control de tensión/
factor de potencia, regulación de
tensión, reducción de la tensión en
el punto de conexión, regulación de
potencia, regulación de la potencia
reactiva en el punto de conexión,
fluctuación de la frecuencia, reducción de la potencia activa en respuesta a un incremento en la frecuencia, control de rampa, huecos
de tensión.
“De acuerdo con las últimas cifras del
Programa PVPS (Photovoltaic Power
System Programme) de la Agencia Internacional de la Energía, en 2012 hay
un total de 28.4 GW instalados en el
mundo, de los cuales más del 90 %
corresponden a instalaciones conectadas a las red”.
Transformador de media tensión
(MT)
El transformador de media tensión
es una conexión entre el subsistema
de conexión de potencia (inversores)
y la red de media tensión. Normalmente, la salida es seleccionable
hasta los 35 kV de CA.
Este transformador está equipado
con dispositivos de desconexión capaces de desconectar de una manera simple y segura los niveles de baja y media tensión. También, tienen
múltiples opciones de protección y
conmutación. Habitualmente, los estándares que están relacionados son
los siguientes: IEC 60076-11
(2004): Dry-type power transformers; IEC 60076 Power transformers and HD 538.1 S1 (1992) Drytype transformers enclosed in resin
with insulation up to class 36KV.
Sistema de ventilación
La ventilación es vital a la hora de
preservar la vida de la plataforma. El
método más utilizado es controlar la
temperatura interna de la cabina por
medio de un sistema de ventilación
centrífuga. Una temperatura constante dentro del recinto se garantiza
por medio de la utilización de sondas
internas y externas. Además, el aire
de entrada se suele filtrar a través
de unas rejillas especiales.
Comunicación (interfaz de usuario)
El interfaz de comunicación opera
con varios protocolos de comunicación listados a continuación. TouchHMI (Human Machine Interface),
MODBUS RTU, conexión con RS 485,
indicador luminoso del control de
arranque/parada and parada de
emergencia, sistema de monitorización remota con modem GSM/GPRS.
Estándares y Certificaciones
Las estaciones en sí no tienen todavía ningún estándar propio. Los estándares encontrados corresponden
a alguno de sus elementos: UL1741,
CSA 107.1, IEEE 1547, IEEE
C62.41.2, UL508C CE CSA 22.2
#14, IEEE 519, UL 50E/CSA C22.2
#94.2, IEEE 1547.1, IEEE C62.
41.2, IEEE C62. 45, IEEE C37.91.1,
IEEE C 37. 90.2
Además, estas estaciones suelen estar diseñadas de acuerdo con condiciones sísmicas. De esta forma, la
mayoría de ellas, cumplen con la
IBC/UBC Zona 4 (Sísmica). Esto se
basa en el Código Internacional de
Edificación (IBC) que clasifica las estructuras de a cuerdo con las Categorías de Diseño Sísmicas (Design
Categories, SDC).
Agradecimientos
Parte de este trabajo ha sido soportado por el proyecto EVADIFOT:
ENE2009-14771-C02-01, del Ministerio de Innovación y Ciencia y por el
Programa NUMANCIA-2: S2009/
ENE-1477 del Gobierno Regional de
la Comunidad de Madrid.
Autores
Vicente Salas Merino
Emilio Olías Ruiz
PV-Lab UC3M, Grupo de Sistemas
Electrónicos de Potencia
Departamento de Tecnología Electrónica
Universidad Carlos III de Madrid
Email: [email protected]
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