Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red Eléctrica

Sistemas Fotovoltaicos
Conectados a la Red
Eléctrica
Sistema de acondicionamiento de potencia
(Inversores)
1
Inversores
Métodos de conmutación:
 Inversores controlados por la red o conmutados por línea
 Tiristores
 Capacidades: Mediana a alta potencia (50-5000 kW)
 Inversores autoconmutados tipo PWM
 Interruptores controlables (MOSFETs, GTOs e
IGBTs)
 Capacidades: Varios cientos de watts, hasta 500 kW
aprox.
2
Inversores
Clasificación de acuerdo al parámetro modulado:
 Inversores de voltaje controlado
 Autoconmutados
 Inversores de corriente controlada
 Conmutados por línea
 Autoconmutados
Clasificación de acuerdo con las características de la
fuente de alimentación (CD):
 Fuente de corriente
 Conmutados por línea
 Fuente de voltaje
 Autoconmutados
3
Características de los inversores con control de voltaje y de corriente
Tipo
Control de
Corriente
(autoconmutado,
PWM)
Control de
Corriente
(conmutado por
línea)
Control de
Voltaje
(PWM)
Ventajas
Desventajas
Control simple y robusto
Control simple y directo sobre el flujo
de potencia activa y reactiva
Protección inherente contra
sobrecorriente
Bajo contenido armónico (fácil filtrado)
Bajo peso y volumen si conmuta a alta
frecuencia
No puede operar en modo aislado para
alimentar cargas residenciales o
cualquier tipo de carga no lineal
Requiere frecuencia de conmutación
de mediana a alta (>5 kHz)
Limitado a capacidades <50 kW
aproximadamente
Amplio rango de potencia (varios MW)
Control simple y robusto
Bajo costo (el más bajo si P>50 kW)
Alta eficiencia (>95%)
No puede operar en modo aislado
Alto contenido armónico en la señal
de salida, requiere filtrado
Bajo FP, requiere compensación
Puede operar en modo aislado de red
Bajo contenido armónico (fácil filtrado)
FP ajustable (normalmente unitario)
Bajo peso y volumen si conmuta a alta
frecuencia
Esquema de control complejo
Alto costo en potencias >50 kW
Su rango de potencias es amplio pero
está limitado a <500 kW
aproximadamente
Nota: Los rangos de potencia y frecuencia de conmutación son un indicativo del estado actual en la tecnología de
semiconductores, éstas tienden a incrementarse con el desarrollo de la misma.
4
Inversores
Frecuencias de conmutación:
 Baja frecuencia (<2 kHz)




Inversores de mediana-alta y alta potencia (>50 kW)
Conmutados por línea o autoconmutados
Requieren de filtros más costosos
Eficiencia típica a plena carga mayor al 95%.

Mediana frecuencia (2-10 kHz)
 Potencias medias (10 – 50 kW)
 Mejor opción técnico-económica en este rango
 Se evitan filtros costosos
 Requieren de transf. de aislamiento voluminosos
 Producen ruido audible

Alta frecuencia (>10 kHz)
 Pequeñas potencias (<10 kW)
 Normalmente monofásicos
 No requieren filtros externos
 Se pueden utilizar transf. de aislamiento de alta frecuencia
 Eficiencias superiores a 90%
5
Configuraciones básicas del circuito de potencia: a).- Puente
1ф, y b).- Puente 3ф
T1
T3
+
L fc
L1
Tx
Cf i
Vpv
RED
N
T4
Cargas
locales
T2
(a)
Lf i
T2
T6
T4
TX
+
L1
Cf i
Vpv
L2
RED
L3
T1
T5
T3
Cargas
locales
(b)
6
Rangos de operación de inversores según su tipo
Método de
Conmutación
Parámetro
Modulado
Circuito
de
Potencia
Frecuencia de
Conmutación
Conmutado por
línea
Corriente
Norm. 3
Frecuencia de
la red
Media a alta
(normalmente 50–5000 kW)
1
> 10 kHz
Pequeña (normalmente <10
kW)
3
250 Hz - 20
kHz
1
> 10 kHz
3
5 kHz - 20 kHz
Tensión
Autoconmutado
(PWM)
Corriente
Rango de Potencia
Pequeña a media
(5–500 kW)
Pequeña (normalmente <10
kW)
Pequeña a media (5–50 kW)
Nota: Estos rangos no son estrictos, están dados de acuerdo con las características actuales de los interruptores de potencia y las
prácticas de diseño comunes a la fecha, por tanto sólo son una guía del estado actual.
7
Inversores
Dispositivos semiconductores de potencia:
 Diodos
 Los estados de conducción y bloqueo son gobernados
por las combinaciones del circuito de potencia
 Tiristores
 El estado de conducción puede ser mandado por una
señal de control puesto que debe ser apagado por el
circuito de potencia
 Interruptores controlables
 Los estados de conducción y bloqueo son mandados
por señales de control (GTOs, BJTs, MOSFETs e IGBTs)
8
Características de los semiconductores de potencia
DISPOSITIVO
TIRISTOR
GTO
BJT
MOSFET
IGBT
Pulso de corriente de
compuerta para entrar en
conducción (hasta 1/5 de
la corriente manejada). Se
apaga al extinguirse la
corriente de ánodocátodo)
Pulso de corriente de
compuerta para
entrar en conducción,
se apaga con un
pulso de corriente
negativa en la misma
(hasta 1/5 de la
corriente manejada)
Corriente de
base suficiente
para que entre
en saturación
(ganancia típica
5 a 10)
Voltaje de
compuerta
(hasta 20
V)
Voltaje de
compuerta
(hasta 25
V)
CAIDA DE VOLTAJE
1a2V
2a3V
1a2V
2a7V
2a3V
CORRIENTE MÁXIMA1
10 kA
3 kA
300 A
100 A
600 A
VOLTAJE MÁXIMO
7 kV
5 kV
1500 V
1000 V
1200 V
TIEMPO DE
CONMUTACIÓN2
20 ms
20 ms
1 ms
100 ns
600 ns
FRECUENCIA DE
CONMUTACIÓN3
Frecuencia de la línea
Baja
Mediana a alta
Alta
Mediana a
alta
COSTO
COMPARATIVO
Bajo
Un poco mayor que
el tiristor
Alto
Mayor que
el BJT
Similar al
BJT
SÍMBOLO
MÉTODO DE CONTOL
1.- En MOSFETs la capacidad de corriente máxima no está disponible con la capacidad de voltaje máxima.
2.- El tiempo de conmutación presentado es el típico en capacidades máximas y se reduce con la capacidad.
3.- La frecuencia de conmutación factible guarda una relación inversa con la potencia del dispositivo.
9
Inversores conmutados por la red
 Características principales
 La conmutación de los interruptores depende de la señal de
voltaje de la línea (su frecuencia es igual a la de la red)
 No pueden operar en modo aislado
 Utilizan tiristores como interruptores de potencia
 La salida del inversor es una fuente de corriente
 El contenido armónico es alto, se requieren filtros de salida
 Normalmente trifásicos, para usarse en potencias altas
 Se pueden interconectar puentes trifásicos (12 y 24 pulsos)
 Operan con bajo FP inductivo
 Mucho mayor capacidad (kW) que los autoconmutados
 Eficiencia de conversión > 95% a plena carga
 Menor costo que los autoconmutados en potencias > 50 kW
10
Características de la señal de salida
Lf i
P
+
Id
T2
T6
T4
Ic
+
Cf i
vcd
Red
Ib
Lc
Vcb
+
Lb
+
vd
Ia
La
+
Vcn
Vbn
Van
-
Vca
Va
Vba
T3
Vab
n
T5
Vc
T1
Vac
Vb
Vbc
N
0
Io
Ia
Van
Inversor 3ф conmutado por línea, formas de onda
11
Inversor conmutado por línea de 12 pulsos
INVERSOR CONMUTADO POR LÍNEA CON SEÑAL DE SALIDA DE 12 PULSOS
Lf i
P1
ics1
+
ib
Id
2
+
ic
bs1
ias1
Id
ia1
Id
2N
iaN2
Id
ics2
Id
iac
Id
0
/2
3 /2
2
2
c
cs1
ibs1
vcd
b
V d1
Red
ias1
Lf i
ia
as1
P2
ia
+
Id
ics2
2
ibs2
Vd2
a
2
cs2
bs2
iac2
ias2
2
as2
ia2
-
Id
3
6
Id
3N
Id
2 3N
N
ia
(ia1- ia2)
vcn
vcs2n
vas2n
van
vac
Ref.
vbs2n
vbn
 el FP mejora ligeramente
 El contenido armónico es menor que en el caso de un convertidor de 6 pulsos
12
Curva típica de la eficiencia
100
Efficiency (%)
95
90
85
80
PCU Efficiency
INVERTER Efficiency
75
0
100
200
Pin (kW)
300
Inversor de 6 pulsos
13
Inversores autoconmutados
 Características principales
La conmutación de los interruptores y su sincronización con la red
es ordenada por el control del inversor
 Conmutación PWM (Pulse Width Modulation)
 Su salida se puede modular como fuente de corriente o de voltaje
 VENTRADA del inversor (CD) > el voltaje pico de salida (CA)
 Los inversores con control de voltaje pueden operar en modo aislado
 Emplean interruptores electrónicos controlables
(BJTs, MOSFETs, GTOs e IGBTs).
 La frecuencia de conmutación es mucho mayor que la de la red
 Sistemas monofásicos (<5 kW) y trifásicos (> 10kW)
 Se pueden interconectar 3 monofásicos para formar un sistema 3ф
 El FP puede ser ajustado (normalmente es unitario)
 Capacidad menor a 500 kW
 Eficiencia de conversión:
 90% para inversores de mediana y alta frecuencia
 > 95% para inversores de baja frecuencia
 Son la mejor opción técnico-económica en potencias pequeñas y
sistemas monofásicos

14
Inversor PWM monofásico, tipo fuente de voltaje,
esquema unipolar
+
+
+
TA DA
vd
+
TC
-
+
+
TB DB
io
A
+
DC
B
+
vo
-
+
+
TD
DD
vportadora
vp
vr
vr
M vr
vp
Lfc
+
Vred
-
A
(b)
gA
0
(c)
N
gC
0
(d)
vo
vd
(vAn - vBn)
-vd
io
(e)
 FP ajustable, normalmente muy cercano a 1 en el rango de potencia de 10 al 100%
15
Inversor de corriente controlada
fs
CONTROL
DE
CORRIENTE
ir
ic
ir
GENERADOR
DE SEÑAL
SENOIDAL
ic
vred
 Su controlador es más

+
Lf
+
vc
-
Cf i
vcd
+
vred

-
(a)
ir
ic


simple y robusto
El control de transferencia de potencia es
más fácil y directo
Protección inherente
contra corto circuito y
contra picos de corriente
Costo más bajo
Su rango de potencia es
limitado
ic
(b)
16
Inversor con una etapa de potencia
con transformador de baja frecuencia, 3ф, 35 kW
Ig
Hall sensor
Q1
Q3
Q5
TRAFO
a
Cg
Ug
Q2
Q4
UR
b
US
c
UT
Q6
AC
AC
AC
C1
C2
C3
Trennverstaerker
PWM - Generator
+ Sinus EPROM
AD - Wandler
PWM - Amplitude
RS
232 C
LP 80196
Data
+ Program EPROM
Control
 Simplicidad, amplio rango de potencia factible, y bajo costo vs. los del tipo multietapa
 La THD es 4%, el FP se puede ajustar de 0.95 atrasado a 0.95 adelantado, y su eficiencia es de 93%
del 30 al 100% de su capacidad nominal
17
Inversor con dos etapas de potencia
1ф, con transformador de 60 Hz
Convertidor Stepdown
Inversor 60 Hz
+
Mosfet
+
+
Cfi
vx
vred
-
-
vx
2
18
Inversor multietapa
1ф, con transformador de alta frecuencia
1
2
3
4
5
+
+
+
vg
+
vy
vx
-
vred
-
-
-
vx
t
vy
t
vred
2
 1 ф, eficiencia alrededor de 90%, construcción muy compacta, bajo peso y volumen, baja pot. (130-200 W)
 Principal limitación respecto a su viabilidad: el costo
19
Curvas típicas de eficiencia
a) Inversor Ecopower®; b) Inversor Solcon
100
90
Eficiencia del inversor (%)
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Eficiencia (%)
80
70
60
50
40
30
20
10
SOLCON 3400 HE
0
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Potencia de salida (%)
80
90
10
20
30
40
50
60
70
Potencia de salida (%)
80
90
100
100
20
Transferencia de potencia
a) Inversor de corriente controlada; b) Inversor de voltaje controlado
s
+
Ls
ic
-
vL
+
+
ic
+
vred
vc
vred
-
vL
+
+
vc
ic
-
-
-
(a)
(b)
Ecuaciones fundamentales
Fasores de la interconexión. a) Diagrama general,
b) Diagrama de inversión con FP unitario
Vc  VL  Vred
v
C
VL  jLs I c
V  Vred
Ic  c
jLs
v
i
vred
C
v
L
i
vred
C
C
L
= 0°
(a)
(b)
21
Transferencia de potencia
Inversores de corriente controlada (tipo fuente de corriente)
Q  I cV red sen
P  I cVred cos
 Para regular la transferencia de potencia es necesario controlar la magnitud y ángulo de fase de la
señal moduladora de corriente. Como normalmente se requiere que el FP sea unitario (θ = 0), la
función de control se reduce a modular la amplitud de esta señal de referencia.
Dada su simplicidad de control, éstos se utilizan más frecuentemente para la interfaz con la red que
los del tipo fuente de voltaje.
Inversores de voltaje controlado (tipo fuente de voltaje)
P
Vred Vc
sen
Ls
Q
Vred
Vc cos   Vred 
Ls
 Para regular la transferencia de potencia es necesario controlar la magnitud y el ángulo de fase (δ)
de Vc con respecto al voltaje de la red. En este caso el controlador debe incluir un algoritmo que
produzca la variación de potencia activa al nivel deseado, mientras la potencia reactiva se mantiene
en cero; por lo tanto, la función de control es un tanto más complicada en este tipo de inversores
22
Requerimientos de los inversores para
conexión a red
23
Requerimientos de los inversores para
conexión a red
Seguimiento del punto de máxima potencia (PMP)
 Factores que afectan el voltaje de circuito abierto

Temperatura del módulo (Voc varía a razón de -2 mV/ºC aprox. en el
caso de celdas de silicio

Radiación solar incidente sobre el módulo
 Estrategias posibles para el ajuste del PMP

Ajustar el voltaje de operación al 80% de Voc o al valor especificado por
el fabricante de los módulos

El método de “perturbación y ajuste” que produce un incremento
(positivo o negativo) en la corriente o el voltaje del generador

Otras estrategias
 En inversores conmutados por línea, ajustar el voltaje de salida del
generador FV mediante el control del ángulo de disparo de los
tiristores
 En inversores autoconmutados, el uso de un convertidor CD/CD
(step-up o step-down) a la entrada del inversor. La función de éste
es presentar al generador FV una impedancia ajustable.
El control del punto de operación se logra con la modulación de los
anchos de pulso.
24
Requerimientos de los inversores para
conexión a red
Bajo nivel de distorsión armónica
Un inversor ideal produciría una señal senoidal pura en su salida, los
inversores reales producen corrientes armónicas con niveles que varían
considerablemente dependiendo del esquema de conmutación
Protección contra operación en “modo isla” (islanding)
Situación en la que un generador disperso en la red es aislado de la fuente
primaria de potencia por la operación de interruptores de seccionamiento o
de desconexión. Bajo esta condición, un generador disperso es capaz de
alimentar la carga aislada por algún tiempo si no existe un método de
detección
 Método convencional: monitoreo de voltaje y frecuencia, y desconexión
en caso de salirse de los límites establecidos. En general produce buenos
resultados
 Adicional mente, un método de protección para condiciones bajo las
cuales el monitoreo de voltaje y frecuencia no son suficientes para lograr
la desconexión oportuna de los generadores
25
Requerimientos de los inversores para
conexión a red
Alta eficiencia con carga nominal y parcial
 La energía producida por generadores FV tiene un costo elevado
 El rendimiento del inversor tiene que ser elevado con carga parcial, en
virtud de que el inversor opera en el rango medio y bajo de potencia la
mayor parte del día
 Las pérdidas en vacío deben ser mínimas (Pvacío ≤ 1% de Pnom)
Factor de potencia mayor a 0.9
El FP de los equipos conectados a la red es de particular importancia para
la compañía suministradora. Dado que en estas aplicaciones resulta
desventajoso para la compañía tener que comprar watts a un cliente,
mientras tiene que suministrarle vars gratuitamente
 En inversores autoconmutados el FP puede ser ajustado a la unidad para
la mayor parte del rango de potencia
 En inversores conmutados por línea la compensación de la corriente
reactiva se realiza por medio de bancos de capacitores con incrementos
discretos, por lo que resulta difícil el ajuste preciso
26
Requerimientos de los inversores para
conexión a red
Aislamiento eléctrico entre el generador y la red
Funciones:
 Reducir el voltaje de la red para evitar voltajes de CD muy elevados
 Evitar la posible inyección de CD en la red
 Proteger al arreglo FV y al inversor contra sobrevoltajes
 Incrementar la seguridad de los usuarios, operadores y personal de
mantenimiento
Nota : El aislamiento entre los sistemas de CD y CA no se necesita de
manera estricta para la operación del sistema
27
Requerimientos de los inversores para
conexión a red
Interferencia electromagnética (IEM) dentro de los
límites especificados en las normas
 La IEM afecta principalmente señales de radio, televisión y de tele-
comunicaciones en general
 Afecta a los equipos que lo producen, haciéndolos susceptibles a
errores de control y por ende menos confiables
Para reducir la IEM producida por un inversor se usan snubbers y se
reducen los campos magnéticos parásitos y las capacitancias parásitas en
el circuito. Estas medidas reducen los requerimientos de los filtros de IEM
que son normalmente requeridos para cumplir con las normas de IEM
La interferencia radiada es normalmente atenuada de manera efectiva por
el gabinete metálico del inversor
28
Requerimientos de los inversores para
conexión a red
Soporte de picos de voltaje transitorios y señales de
control de la red
 Los semiconductores de potencia deben tener la capacidad de bloquear
voltajes sensiblemente superiores a los de la red sin sufrir daño
 El control debe discernir entre desviaciones de voltaje y picos de voltaje
transitorios para evitar la desconexión innecesaria
 El inversor debe tener la rigidez dieléctrica y las protecciones para
soportar sobrevoltajes inducidos en el lado de CD por descargas
atmosféricas. Normalmente se protegen ambos lados, CD y CA
 El inversor debe ser capaz de discernir entre las señales de control de
baja frecuencia que se superponen al voltaje de la red y el sobrevoltaje
Los filtros internos no deben atenuar las señales de la compañía de manera
sensible
29
Requerimientos de los inversores para
conexión a red
Otras características deseables del inversor
Relacionadas básicamente al rendimiento, operabilidad, seguridad y
factibilidad de mantenimiento. No son imprescindibles para su
funcionamiento
 Operación automática (arranque y paro dependiendo de las condiciones
de insolación)
 Suministro local de energía para el control del arreglo FV (evitar que el
sistema consuma energía de la red por la noche)
 Manejo de sobrecarga (desplazar el punto de operación del generador
FV a la derecha del PMP)
 Detección de fallas a tierra (evitar riesgos de incendio y/o condiciones
inseguras a las personas
 Bajo nivel de ruido audible (evitar la conmutación en el rango de 6 a 20
kHz
 Instrumentación adecuada, operación simple (Va, Ia, Ired, modo de
operación y alarmas de falla
30
Estatus actual de la tecnología
 Mayor atención a Sistemas residenciales
 Inversores monofásicos del tipo multietapa
 Potencias de 100 W a 3000 W
 Se han desarrollado inversores < 200 W para conexión a un solo
módulo FV (concepto modular)
 El desarrollo de módulos solares de una sola celda se encuentra en
etapa de investigación.
 Se estudia la posibilidad de extender el concepto del inversor
modular a este tipo de paneles cuyas características primordiales
de salida son bajo voltaje (1 V) y alta corriente (100 A).
 Estaciones centrales
 Los inversores conmutados por línea de 12 pulsos siguen siendo la
mejor opción
 Inversores autoconmutados de gran capacidad (hasta 500 kW) en
proyectos de demostración y desarrollo tecnológico (por su alto
costo)
31
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