3_INVERSORES

1

Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red

Elctrica

Sistema de acondicionamiento de potencia

(Inversores)

2

Inversores

Inversores controlados por la red o conmutados por lnea 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.

Mtodos de conmutacin:

3

Inversores

Inversores de voltaje controlado Autoconmutados

Inversores de corriente controlada Conmutados por lnea Autoconmutados

Clasificacin de acuerdo al parmetro modulado:

Clasificacin de acuerdo con las caractersticas de la fuente de alimentacin (CD):

Fuente de corriente Conmutados por lnea

Fuente de voltaje Autoconmutados

4

Caractersticas de los inversores con control de voltaje y de corriente

Nota: Los rangos de potencia y frecuencia de conmutacin son un indicativo del estado actual en la tecnologa de semiconductores, stas tienden a incrementarse con el desarrollo de la misma.

Esquema de control complejo Alto costo en potencias >50 kWSu rango de potencias es amplio pero

est limitado a 50 kW)Alta eficiencia (>95%)

Control deCorriente

(conmutado por lnea)

No puede operar en modo aislado paraalimentar cargas residenciales ocualquier tipo de carga no lineal

Requiere frecuencia de conmutacinde mediana a alta (>5 kHz)

Limitado a capacidades

5

Inversores

Baja frecuencia (50 kW) Conmutados por lnea o autoconmutados Requieren de filtros ms costosos Eficiencia tpica a plena carga mayor al 95%.

Mediana frecuencia (2-10 kHz) Potencias medias (10 50 kW) Mejor opcin tcnico-econmica en este rango Se evitan filtros costosos Requieren de transf. de aislamiento voluminosos Producen ruido audible

Alta frecuencia (>10 kHz) Pequeas potencias (

6

Configuraciones bsicas del circuito de potencia: a).- Puente 1, y b).- Puente 3

T1

VpvCf i

T2

T3

T4

+

-

T xL fc L 1

N

Cargaslocales

RED

(a)

-

+

VpvCf i

T2 T6 T4

T1 T5 T3

Lf i

(b)

TX

Cargaslocales

RED

L 1

L 2

L 3

7

Rangos de operacin de inversores segn su tipo

Nota: Estos rangos no son estrictos, estn dados de acuerdo con las caractersticas actuales de los interruptores de potencia y las prcticas de diseo comunes a la fecha, por tanto slo son una gua del estado actual.

Pequea a media (550 kW)5 kHz - 20 kHz3

Pequea (normalmente 10 kHz1

Corriente

Pequea a media(5500 kW)

250 Hz - 20 kHz3

Pequea (normalmente 10 kHz1

Tensin

Autoconmutado(PWM)

Media a alta (normalmente 505000 kW)

Frecuencia de la redNorm. 3Corriente

Conmutado por lnea

Rango de PotenciaFrecuencia de Conmutacin

Circuito de

Potencia

Parmetro Modulado

Mtodo de Conmutacin

8

Inversores

Diodos Los estados de conduccin y bloqueo son gobernados

por las combinaciones del circuito de potencia

Tiristores El estado de conduccin puede ser mandado por una

seal de control puesto que debe ser apagado por elcircuito de potencia

Interruptores controlables Los estados de conduccin y bloqueo son mandados

por seales de control (GTOs, BJTs, MOSFETs e IGBTs)

Dispositivos semiconductores de potencia:

9

Caractersticas de los semiconductores de potencia

3.- La frecuencia de conmutacin factible guarda una relacin inversa con la potencia del dispositivo.

2.- El tiempo de conmutacin presentado es el tpico en capacidades mximas y se reduce con la capacidad.

1.- En MOSFETs la capacidad de corriente mxima no est disponible con la capacidad de voltaje mxima.

Similar al BJT

Mayor que el BJTAlto

Un poco mayor que el tiristorBajo

COSTO COMPARATIVO

Mediana a altaAltaMediana a altaBajaFrecuencia de la lnea

FRECUENCIA DE CONMUTACIN3

600 ns100 ns1 ms20 ms20 msTIEMPO DE CONMUTACIN2

1200 V1000 V1500 V5 kV7 kVVOLTAJE MXIMO

600 A100 A300 A3 kA10 kACORRIENTE MXIMA1

2 a 3 V2 a 7 V1 a 2 V2 a 3 V1 a 2 VCAIDA DE VOLTAJE

Voltaje de compuerta (hasta 25 V)

Voltaje de compuerta (hasta 20 V)

Corriente de base suficiente para que entre en saturacin (ganancia tpica 5 a 10)

Pulso de corriente de compuerta para entrar en conduccin, se apaga con un pulso de corriente negativa en la misma (hasta 1/5 de la corriente manejada)

Pulso de corriente de compuerta para entrar en conduccin (hasta 1/5 de la corriente manejada). Se apaga al extinguirse la corriente de nodo-ctodo)

MTODO DE CONTOL

SMBOLO

IGBTMOSFETBJTGTOTIRISTORDISPOSITIVO

10

Caractersticas principales

La conmutacin de los interruptores depende de la seal devoltaje de la lnea (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 armnico es alto, se requieren filtros de salida Normalmente trifsicos, para usarse en potencias altas Se pueden interconectar puentes trifsicos (12 y 24 pulsos) Operan con bajo FP inductivo Mucho mayor capacidad (kW) que los autoconmutados Eficiencia de conversin > 95% a plena carga Menor costo que los autoconmutados en potencias > 50 kW

Inversores conmutados por la red

11

Caractersticas de la seal de salida

Lf i

Ia Van

0

Io

Vcb

Vca

Vba

Vbc

Vac

Vab

Vb

Vc

Van

Red

+ -Van

Vbn-+

-+Vcn

La

Lb

Lc

Ia

Ib

Ic

Id

-

vd

N

T5 T1T3

T4T6

P

T2

Cf i

+

vcd

+

-

Inversor 3 conmutado por lnea, formas de onda

12

Inversor conmutado por lnea de 12 pulsos

Ref.

(ia1- ia2)ia

vac

vbn

van

vcn

vbs2n

vcs2n vas2n

Id2 3N

6Id

ia23NId

3Idiac

ics2 Id2

iaN22Id

ia12NId

23 /2/20ias1

2Id

Id2

-

Vd2

+Lf i P2

as2

iac2

cs2

bs2ibs2

N

ics2

ias2

+

-

Vd1

2Id

Lf i P1

ibs1

ics1

ias1

bs1

as1

cs1

ia

Red

b

c

a

ib

ic

ia

-

+

vcd

INVERSOR CONMUTADO POR LNEA CON SEAL DE SALIDA DE 12 PULSOS

el FP mejora ligeramente El contenido armnico es menor que en el caso de un convertidor de 6 pulsos

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Curva tpica de la eficiencia

100 200 300

PCU EfficiencyINVERTER Efficiency

Pin (kW)

Effi

cien

cy (%

)

75

80

85

90

95

100

0

Inversor de 6 pulsos

14

Caractersticas principales

La conmutacin de los interruptores y su sincronizacin con la redes ordenada por el control del inversor

Conmutacin 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 electrnicos controlables

(BJTs, MOSFETs, GTOs e IGBTs). La frecuencia de conmutacin es mucho mayor que la de la red Sistemas monofsicos ( 10kW) Se pueden interconectar 3 monofsicos para formar un sistema 3 El FP puede ser ajustado (normalmente es unitario) Capacidad menor a 500 kW Eficiencia de conversin:

90% para inversores de mediana y alta frecuencia > 95% para inversores de baja frecuencia

Son la mejor opcin tcnico-econmica en potencias pequeas y sistemas monofsicos

Inversores autoconmutados

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Inversor PWM monofsico, tipo fuente de voltaje, esquema unipolar

-vd

vd(vAn -vBn)

(e)

io

vo0

0

gC

gA

M vpvr

A

vpvr

(d)

(c)

vrvportadora

(b)Vred

N

Lfcio

-

- -++

+

vovd

B

A

TD DD+++ +

TC DC

TA DA++ + +

DBTB

FP ajustable, normalmente muy cercano a 1 en el rango de potencia de 10 al 100%

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Inversor de corriente controlada

CONTROLDE

CORRIENTE

GENERADORDE SEALSENOIDAL

ic ir

ic

fs ir

vred

icLf

+

-vred

+

-vcd

Cf i

+

-

ic

ir

(b)

vc

(a)

Su controlador es mssimple y robusto

El control de trans-ferencia de potencia es ms fcil y directo

Proteccin inherentecontra corto circuito y contra picos de corriente

Costo ms bajo Su rango de potencia es

limitado

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Inversor con una etapa de potencia

Q3Q1 Q5

Q6Q2 Q4

PWM - Amplitude

Data

Control

UR ACTRAFO

ACUS

ACUT

C1

C2

C3

Ig

Ug

a

b

c

PWM - Generator+ Sinus EPROM

AD - Wandler

Trenn-verstaerker

LP 80196

+ Program EPROMRS

232 C

Cg

Hall sensor

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

con transformador de baja frecuencia, 3, 35 kW

18

Inversor con dos etapas de potencia1, con transformador de 60 Hz

+

-

vxCfi

-

+vred

Convertidor Stepdown Inversor 60 Hz

+

-

2

vx

Mosfet

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Inversor multietapa

1 , eficiencia alrededor de 90%, construccin muy compacta, bajo peso y volumen, baja pot. (130-200 W) Principal limitacin respecto a su viabilidad: el costo

1, con transformador de alta frecuencia 5

+

-

+

-

vy

4321

vg vred

vx

vy

vred2

t

+

-

+

-

vx

t

20

Curvas tpicas de eficiencia a) Inversor Ecopower; b) Inversor Solcon

SOLCON 3400 HE

Potencia de salida (%)0 10 3020 60 705040 80 90

0100

5

1510

3035

2520

6065

7570

5055

4540

9095

8580

100Eficiencia del inversor (%)

1009080706050403020100Potencia de salida (%)

0

10

30

20

60

70

50

40

90

100

80

Efic

ienc

ia (%

)

21

Transferencia de potencia

Fasores de la interconexin. a) Diagrama general, b) Diagrama de inversin con FP unitario

a) Inversor de corriente controlada; b) Inversor de voltaje controlado

(a)

s ic

ic vc vred

+ -+

--

+ +

- -

+-+

(b)

vL

Ls ic

vred

vL

vc

redLc VVV

csL ILjV

s

redcc Lj

VVI

(a) (b)

vLvred vred

vL

= 0

C vC

iCiC

Ecuaciones fundamentales

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Transferencia de potencia

Para regular la transferencia de potencia es necesario controlar la magnitud y el ngulo de fase ()de Vc con respecto al voltaje de la red. En este caso el controlador debe incluir un algoritmo queproduzca la variacin de potencia activa al nivel deseado, mientras la potencia reactiva se mantieneen cero; por lo tanto, la funcin de control es un tanto ms complicada en este tipo de inversores

Inversores de corriente controlada (tipo fuente de corriente)

cosredcVIP senVIQ redc

Inversores de voltaje controlado (tipo fuente de voltaje)

senLVVPs

cred redcs

red VVL

VQ

cos

Para regular la transferencia de potencia es necesario controlar la magnitud y ngulo de fase de laseal moduladora de corriente. Como normalmente se requiere que el FP sea unitario ( = 0), la funcin de control se reduce a modular la amplitud de esta seal de referencia.

Dada su simplicidad de control, stos se utilizan ms frecuentemente para la interfaz con la red que los del tipo fuente de voltaje.

23

Requerimientos de los inversores para conexin a red

24


Factores que afectan el voltaje de circuito abierto

Temperatura del mdulo (Voc vara a razn de -2 mV/C aprox. en elcaso de celdas de silicio

Radiacin solar incidente sobre el mdulo

Estrategias posibles para el ajuste del PMP

Ajustar el voltaje de operacin al 80% de Voc o al valor especificado porel fabricante de los mdulos

El mtodo de perturbacin y ajuste que produce un incremento(positivo o negativo) en la corriente o el voltaje del generador

Otras estrategias

En inversores conmutados por lnea, ajustar el voltaje de salida delgenerador FV mediante el control del ngulo de disparo de lostiristores

En inversores autoconmutados, el uso de un convertidor CD/CD(step-up o step-down) a la entrada del inversor. La funcin de ste es presentar al generador FV una impedancia ajustable.El control del punto de operacin se logra con la modulacin de losanchos de pulso.

Seguimiento del punto de mxima potencia (PMP)

25


Un inversor ideal producira una seal senoidal pura en su salida, los inversores reales producen corrientes armnicas con niveles que varan

considerablemente dependiendo del esquema de conmutacin

Bajo nivel de distorsin armnica

Mtodo convencional: monitoreo de voltaje y frecuencia, y desconexinen caso de salirse de los lmites establecidos. En general produce buenosresultados

Adicional mente, un mtodo de proteccin para condiciones bajo lascuales el monitoreo de voltaje y frecuencia no son suficientes para lograrla desconexin oportuna de los generadores

Proteccin contra operacin en modo isla (islanding)

Situacin en la que un generador disperso en la red es aislado de la fuente primaria de potencia por la operacin de interruptores de seccionamiento o

de desconexin. Bajo esta condicin, un generador disperso es capaz de alimentar la carga aislada por algn tiempo si no existe un mtodo de

deteccin

26


La energa producida por generadores FV tiene un costo elevado

El rendimiento del inversor tiene que ser elevado con carga parcial, envirtud de que el inversor opera en el rango medio y bajo de potencia lamayor parte del da

Las prdidas en vaco deben ser mnimas (Pvaco 1% de Pnom)

Alta eficiencia con carga nominal y parcial

En inversores autoconmutados el FP puede ser ajustado a la unidad para la mayor parte del rango de potencia

En inversores conmutados por lnea la compensacin de la corrientereactiva se realiza por medio de bancos de capacitores con incrementosdiscretos, por lo que resulta difcil el ajuste preciso

Factor de potencia mayor a 0.9

El FP de los equipos conectados a la red es de particular importancia para la compaa suministradora. Dado que en estas aplicaciones resulta

desventajoso para la compaa tener que comprar watts a un cliente, mientras tiene que suministrarle vars gratuitamente

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Funciones:

Reducir el voltaje de la red para evitar voltajes de CD muy elevados

Evitar la posible inyeccin 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 demanera estricta para la operacin del sistema

Aislamiento elctrico entre el generador y la red

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Para reducir la IEM producida por un inversor se usan snubbers y se reducen los campos magnticos parsitos y las capacitancias parsitas 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 metlico del inversor

Interferencia electromagntica (IEM) dentro de los lmites especificados en las normas

La IEM afecta principalmente seales de radio, televisin y de tele-comunicaciones en general

Afecta a los equipos que lo producen, hacindolos susceptibles a errores de control y por ende menos confiables

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Los semiconductores de potencia deben tener la capacidad de bloquearvoltajes sensiblemente superiores a los de la red sin sufrir dao

El control debe discernir entre desviaciones de voltaje y picos de voltajetransitorios para evitar la desconexin innecesaria

El inversor debe tener la rigidez dielctrica y las protecciones para soportar sobrevoltajes inducidos en el lado de CD por descargas atmosfricas. Normalmente se protegen ambos lados, CD y CA

El inversor debe ser capaz de discernir entre las seales de control debaja frecuencia que se superponen al voltaje de la red y el sobrevoltaje

Los filtros internos no deben atenuar las seales de la compaa de manera sensible

Soporte de picos de voltaje transitorios y seales de control de la red

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Relacionadas bsicamente al rendimiento, operabilidad, seguridad y factibilidad de mantenimiento. No son imprescindibles para su

funcionamiento

Otras caractersticas deseables del inversor

Operacin automtica (arranque y paro dependiendo de las condicionesde insolacin)

Suministro local de energa para el control del arreglo FV (evitar que elsistema consuma energa de la red por la noche)

Manejo de sobrecarga (desplazar el punto de operacin del generadorFV a la derecha del PMP)

Deteccin de fallas a tierra (evitar riesgos de incendio y/o condicionesinseguras a las personas

Bajo nivel de ruido audible (evitar la conmutacin en el rango de 6 a 20kHz

Instrumentacin adecuada, operacin simple (Va, Ia, Ired, modo de operacin y alarmas de falla

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Mayor atencin a Sistemas residenciales

Inversores monofsicos del tipo multietapa

Potencias de 100 W a 3000 W

Se han desarrollado inversores < 200 W para conexin a un solomdulo FV (concepto modular)

El desarrollo de mdulos solares de una sola celda se encuentra enetapa de investigacin.

Se estudia la posibilidad de extender el concepto del inversormodular a este tipo de paneles cuyas caractersticas primordialesde salida son bajo voltaje (1 V) y alta corriente (100 A).

Estaciones centrales

Los inversores conmutados por lnea de 12 pulsos siguen siendo lamejor opcin

Inversores autoconmutados de gran capacidad (hasta 500 kW) enproyectos de demostracin y desarrollo tecnolgico (por su altocosto)

Estatus actual de la tecnologa

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