07 Aumento de eficiencia en plantas a red.

NUEVOS PROCEDIMIENTOS
DE OPTIMIZACIÓN
José Antonio Domínguez Vázquez
Universidad de Valladolid - Asoc. LACECAL
Métodos de optimización
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NUEVOS PROCEDIMIENTOS DE OPTIMIZACIÓN
• La optimización de una planta tiene dos
puntos principales:
– En los paneles: Todos los paneles
agrupados deben trabajar en su punto de
máxima potencia. Pérdidas por mismatch.
• Estudio detallado de las características de
cada inversor individual: TESTEO
– En el inversor: Como la potencia de
entrada es variable: Pérdidas en inversor.
• Métodos diversos.
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Visto el inversor como un todo las pérdidas dependen de
los siguientes factores:
•
El factor de potencia: no es igual el rendimiento a factor
de potencia unidad que a factor de potencia inductivo o
capacitivo.
•
El factor de carga: es la potencia de salida respecto a su
nominal en tanto por ciento.
Suelen estar diseñados para obtener su mejor
rendimiento a una potencia dada. (el 50% de la nominal
aprox.) puesto que la mayor parte del tiempo estará
funcionando alrededor de esa potencia.
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Convertidores CC/CA
La tensión de entrada: gran problema para determinar el
rendimiento de un inversor ya que esta puede ser
variable debido a la naturaleza de las plantas
fotovoltaicas. Depende:
•
Tipo de semiconductor usado y de su circuito de
disparo (driver).
•
Si es de conexión a red con transformador >mayor rendimiento a baja tensión, mientras que
uno sin transformador (transformerless) (España
no) lo suele tener a mayor tensión.
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Convertidores CC/CA
muy difícil mostrar una única gráfica de rendimiento puesto
que depende de diversos factores muy cambiantes en las
plantas fotovoltaicas.
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Convertidores CC/CA
“Factor de rendimiento Europeo”-> para uniformizar el
rendimiento que se define de la siguiente forma:
•Se calculan unos tiempos de funcionamiento en % sobre
su vida total anual.
•Favorece a los inversores cuya mejor eficiencia se sitúe en
el 50% de su carga nominal.
•Las eficiencias a bajas potencias, así como la calidad de
la onda generada es realmente muy pobre y ello perjudica a
la carga receptora, ya sea la red o el electrodoméstico que
tengamos conectado.
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Convertidores CC/CA
Problemática y soluciones
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Topología H4
Topología H6
Topología H5
Topología HERIC
Topología UltraEta® de REFU
Sistema MIX de Fronius
Sistema MODEN
Sistema CPD/TEAM
Sistema String de ASM
Otros sistemas.
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Problemática 1/3
• Transformador: 2% aprox.de pérdidas + aumenta coste
• Gran impulso a los inversores “transformerless” para lograr
una mayor eficiencia, economía y ligereza
• En estos inversores se ha de exigir que cuenten con
mecanismos de seguridad adicionales:pruebas de
resistencia de aislamiento y de medición de corriente
residual (RCD) para asegurar que sean tan seguros como
los inversores con transformador.
• Difícil en fenómenos de descarga, sobretensiones y
cortocircuitos, fenómenos mucho más rápidos que
cualquiera de los elementos mencionados.
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Problemática 2/3
• También como consecuencia de eliminar el transformador,
se elimina también el acceso al neutro de la red y por ello
a un punto de referencia común al inversor y a la carga, en
este caso la red. -> módulo fotovoltaico forma flotante .
Con ello una parte de la amplitud de tensión alterna llega al
módulo. Esa tensión oscila con una frecuencia de 115 V/50
Hz.
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Problemática 3/3
• Consecuencia directa de esta tensión de flotación:
capacidades parásitas de los módulos pueden llegar
a ser de un valor entre 1nF y 5nF provocan
corrientes de fuga considerables de hasta 50mA,
• Motivan constantes problemas de desconexión de
los inversores, ya que que pueden hacer disparar las
protecciones de aislamiento instaladas para proteger
a personas de posibles descargas desde la
instalación
• Con transformador con neutro para unir estructuras
y/o punto medio de los paneles fotovoltaicos a tierra,
la tensión de los módulos fotovoltaicos sólo fluctúa
un ripple (rizado) de pocos voltios.
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topología H4: inductancias
divididas.
•
•
Primer cambio en la topología respecto la convencional de
puente monofásico
La modificación consiste en dividir la bobina de filtrado en dos,
una en cada rama, con el objetivo de igualar las impedancias
vistas desde la entrada de continua positiva y la negativa, usando
conmutación BIPOLAR (S1+S4; S2+S3; nunca cero).
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topología H4: inductancias
divididas.
•
•
Cualquier otra topología y/o método de
conmutación causan tensiones fluctuantes
entre los paneles y tierra y provocan que la
capacidad parasita del generador fotovoltaico
aumente considerablemente
La eficacia inversor puede subir entre el 96% y
el 97% en inversores de hasta 10 kW.
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Convertidores CC/CA
topología HERIC
• High Efficiency and Reliable Inverter Concept
desarrollado por la Universidad de Fraunhofer y
comercializado por la empresa Sunways.
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Convertidores CC/CA
topología HERIC
• los polos de potencia S1-S4 y S3-S2 funcionan como
un PWM convencional en montaje en puente
monofásico H4 inductancias divididas
• Se sustituyen los diodos de libre circulación por las
ramas de los polos S5 y S6. Además tiene la ventaja
de mejorar el contenido armónico de la corriente de
salida. GENERADOR SOLAR FLOTANTE AISLADO
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Convertidores CC/CA
topología HERIC
• Aumento de rendimiento a bajas cargas
• Impide la recirculación de corrientes y por lo tanto las
pérdidas por capacidades parásitas.
• Mejora el contenido armónico de la corriente de salida.
• Como contrapartida necesita de un mayor número de polos
de potencia
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topología H6 de INGETEAM
• Se cambian los dos polos S5 y S6 de la topología de
HERIC de la salida del puente a la entrada del
mismo, evitando los diodos D1 y D2.
• Generador solar queda desconectado para evitar
escalones de tensión: flotante respecto tierra.
• Así que cuando se genera tensión cero, S5 y S6
tienen que estar abiertos.
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topología H5 de SMA
• Simplificación anterior patentada en 2005. SMA.
• Utiliza los interruptores S1 y S3 para generar tensión
cero de salida, mientras los interruptores S5, S2 y S4
se cortan para desconectar el generador solar
• Mediante el uso de los polos S2 y S4 para
desconectar el polo negativo del generador solar, se
puede eliminar el polo S6 de la configuración
anterior.
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Convertidores CC/CA
Topología
UltraEta® de REFU
• Inversores de Refu elektronik
– Factor de eficiencia Máximo superior al 98%
– Factor de eficiencia Europea superior al 97% en
todo el rango de 400., 800VDC
– Novedoso PMP de seguimiento
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Convertidores CC/CA
topología REFU
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topología REFU
(fuente:Revista Photon)
• Única topología de 5 niveles.
• Inversor trifásico dividido en dos etapas.
• Filtro de interferencias entre paneles y entrada
CC.
• El dispositivo cuenta con un divisor capacitivo con
punto medio conectado al cable neutro de red.
• Posee dos puentes trifásicos de salida, que están
conectados en paralelo, tipo B6
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topología REFU
•
•
El primer puente está conectado directamente a la entrada CC.
El segundo puente es alimentado por dos elevadores(booster) que se
encuentran en el terminal positivo y en el negativo de entrada, los
cuales alimentan un segundo divisor capacitivo.
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topología REFU
•
Para los pequeños valores instantáneos de las tensiones de la red, se
hace conmutar el puente B6 de menor tensión (polos S11 a S16). Para
valores superiores de la tensión instantánea, se usa el puente B6 de
mayor tensión (polos S21 a S26). Para obtener valores de tensión cero
con este puente se usan los polos S31 a S36 para los dos puentes. La
misión de los diodos D11 a D16 es evitar los cortocircuitos entre los
dos niveles de tensión continua que se producirían al conmutar los
polos S21 a S26 y polarizarse los diodos de freewheeling de los polos
S11 a S16
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Convertidores CC/CA
MIX de Fronius
• Sistema de trabajo Master-Slave.
• Varios puentes de baja potencia (2’2kW) trabajando en
paralelo
• Objetivo: obtener buenos rendimientos a baja potencia
de entrada.
• Un único control.
• Desventaja: muchos puentes para obtener grandes
potencias. Potencias grandes limitadas.
• Ventaja: la rotura de un inversor no supone gran pérdida
de producción.
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•Entrada
MPP voltage range
Max. input voltage
(at 1 kW/m²; -10°C)
210-420V
210-420V
210-420V
530V
530V
530V
Recommended PV
plant output
24-31kWp 32-42kWp
40-52kWp
Max. input current
123 A
164 A
205 A
•Salida
Nominal output
Max. power
Max. efficiency
Euro efficiency
24kW
24kW
94,3%
93,3%
32kW
32kW
94,3%
93,4%
40kW
40kW
94,3 %
93,5%
Mains voltage / frequency 3NPE~400 V / 50 Hz
Distortion factor < 5%
Power factor 1
Power consumption at night 9w
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MODEN
• Uso de ultracondensadores
para regular la potencia
proveniente de los paneles y
así:
– Aprovechar los momentos de
baja irradiancia
– Funcionar el cc/ca en su mejor
rendimiento
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DC/DC ?
PV
=
=
=
Red
≈
Ultracondensadores
CC/CA
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Estrategias MODEN
Salida a potencia constante
Salida a potencia constante, CC/CC
Salida a potencia constante, doble nivel
Sistema mixto moden-convencional
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Convertidores CC/CA
CPD / TEAM
• Varios campos de paneles de iguales características con
conexionado variable a varios inversores en función de
la potencia disponible
• Desventaja: conexionado más caro, necesidad de
contactos de bajo consumo o consumo esporádico.
• Ventaja: a baja irradiancia, toda la potencia se dirige a
un solo convertidor -> trabaja en su mejor rendimiento.
Sombras, paradas de un campo fotovoltaico no supone
un lastre para el resto.
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Funcionamiento equipo
CPD
Funcionamiento aislado
Grupo de
paneles 1
Grupo de
paneles 2
Grupo de
paneles 3
Grupo de
paneles 4
+
+
+
+
-
-
C5
C1
Inversor
1
-
C6
C2
Inversor
2
-
C7
C3
C4
Inversor
3
Inversor
4
Contactores con retención mecánica en cable +
Todos los cables - unidos
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Funcionamiento equipo
CPD
Funcionamiento aislado
3 posibles configuraciones:
P1
P2
P3
P4
I1
I2
I3
I4
P1
P2
P3
P4
Configuración 1 a 1
P1 > P2a1
Configuración 2 a 1
P4a1 < P1 < P2a1
I1
I2
I3
P1
P2
P3
I2
I3
PI1=2·P1
I4
P4
Configuración 4 a 1
P1 < P4a1
I1
PI1=P1
I4
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PI1=4·P1
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Funcionamiento equipo
CPD Funcionamiento master-slave
CPD
C8
(accionado por
slave)
MASTER
CPD
SLAVE
Línea
comunicación
MASTER-SLAVE
Funcionamiento independiente para P1 > Pslave
(Configuración 4 a 1 si Pslave < P1 < P4a1 )
Configuración 8 a 1 para P1 < Pslave. Inversor 1 de master
Misma tarjeta para ambos equipos.
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Funcionamiento equipo CPD
Potencias de cambio
Rendimiento de inversores para diferentes potencias de entrada y configuraciones:
Configuración 8 a 1
P1 (w)
8a1
4a1
2a1
1a1
100
89,14
83,75
76,64
65,3
475
92,43
92,13
89,14
83,75
600
92,77
91,07
87,45
800
92,64
92,13
89,14
950
92,43
92,42
90,12
1000
92,37
92,52
90,39
475 w < P1 < 950 w
1200
91,95
92,77
91,07
Configuración 2 a 1
1400
92,74
91,74
1600
92,64
92,13
1800
92,51
92,34
1900
92,43
92,42
2000
92,37
92,52
2500
P1 < 475 w
Configuración 4 a 1
950 w < P1 < 1900 w
Configuración 1 a 1
91,9Antonio92,78
José
Domínguez Vázquez
P1 >
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1900 w
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Funcionamiento equipo CPD
Ejemplo funcionamiento
Rendimiento (%)
Equipo convencional Rendimiento inversor CC/CA
P1 = 500
w
P1
P2
P3
P4
Equipo
Equipo
Convencional
CPD
100
90
80
I1
I2
I3
70
I4
84,78
%
92,52 %
60
50
PI1conv
40
Equipo CPD
P1
P2
P3
P4
I1
I2
I3
I4
Configuración 4 a 1
P1 < P4a1 
PI1CPD = 4·P1 = 2000 w
= P1 = 500 w
30
η = 92,52 %
Psal =0 4·η· PI1conv = 1695,6 w
Psal = η· PI1conv = 1850,4 w
Ganancia: 154,8 w
2000 w
90
0
11
00
14
00
17
00
20
00
23
00
26
00
29
00
32
00
35
00
38
00
41
00
44
00
47
00
50
00
60
0
500 w
30
0
0
75
η = 84,78 %
20
10
Potencia de entrada (w)
8,37 %
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Funcionamiento equipo CPD
Comparación de rendimientos
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STRING
CC/CC
CC/CC
CC/CC
CC/CC
CC/CA
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Convertidores CC/CA: Sistema STRING
• Varios campos de paneles de
distintas características con conexión
a un único inversor
• Desventaja: al haber varios
reguladores CC/CC peor rendimiento.
• Ventaja: sombras, paradas de un
campo fotovoltaico no supone un
lastre para el resto. Posibilidad de
tener campos de paneles de distintos
fabricantes (actualización de viejas
plantas)
• Conclusión: ventajas compensan
pérdidas en CC/CC
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Convertidores CC/CA: Otros Sistemas:
SolarMagic (National Semiconductors)
• Sistema conectado entre paneles para
evitar problemas por sombreados
CC/CC
CC/CC
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CC/CC
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Convertidores CC/CA: Sistema
SolarMAgic
CC/CC
CC/CC
CC/CC
• 16V/4 A (64w) si se sombrea 16V/1 A (16w) ¡¡¡ Nos
limita la corriente de toda la serie!!!
• Por lo tanto: conversión de 16v/1 A -> 4v/4 A para no
limitar al resto.
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