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Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red Eléctrica Sistema de acondicionamiento de potencia (Inversores)
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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.
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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
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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) 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 10 kHz) Pequeñas potencias ( 10 kHz
Pequeña (normalmente 10 kHz
3
5 kHz - 20 kHz
Tensión Autoconmutado (PWM) Corriente
Rango de Potencia
Pequeña a media (5–500 kW) Pequeña (normalmente 95% a plena carga Menor costo que los autoconmutados en potencias > 50 kW
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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 ( 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
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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)
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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
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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 jLs I c
V Vred Ic c jLs
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
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Requerimientos de los inversores para conexión a red
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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