7/25/2019 Caracterizacin de Inversor y Controlador de Carga Para Aplicacin en Sistemas Fotovoltaicos Aislados

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Caracterizacin de inversor y controlador de carga

para aplicacin en sistemas fotovoltaicos aisladosRendimiento y distorsin presentes en sistema AC utilizando generacin fotovoltaica

Br.Victor Salomn Sagastume PeateEscuela de Ingeniera Elctrica

Universidad de El Salvador, UES

San Salvador, El Salvador

Br. Oscar Orlando Surio GuevaraEscuela de Ingeniera Elctrica

Universidad de El Salvador, UES

San Salvador, El Salvador

Br.Christian Javier Serrano BarriosEscuela de Ingeniera Elctrica

Universidad de El Salvador, UES

San Salvador, El Salvador

Abstract Este documento electrnico caracteriza equipo

utilizado en sistemas fotovoltaicos aislados, diferencias entre los

tipos, ventajas y desventajas, sus parmetros como la eficiencia y

sus puntos de operacin ptima que garantizan el mximo

aprovechamiento del recurso solar disponible.

Keywords

Regulador; I nversor; Medicin; Rendimiento; THD.

I. INTRODUCCION

Una de las alternativas de energa renovable menos

contaminante es la energa solar, por lo que es una fuente muy

confiable, los sistemas fotovoltaicos son muy tiles en lugares

donde no se cuenta con acceso a la red de distribucin, pero al

mismo tiempo, conllevan un anlisis complejo dado que se

requiere evaluar ms detalles para seleccionar el equipo

adecuado a la de demanda de energa. El mismo est

conformado por los mdulos fotovoltaicos, las bateras para

almacenar la energa producida, los inversores si se tiene carga

AC y los reguladores de carga, para proteccin de las bateras

ya que no se deben someter a sobrecargas ni a descargas pordebajo de su capacidad. En este estudio se detallan

caractersticas y la funcionalidad de inversores y reguladores ya

que una de las consideraciones a tener en cuenta es el uso de los

diferentes tipos ya sea regulador de carga MPPT o los

convencionales PWM, un inversor de onda senoidal modificada

o de onda senoidal pura. Para esto se analiz el funcionamiento

de cada uno de ellos en un sistema aislado de 200 Watts pico.

II. INVERSORES

Al usar un sistema fotovoltaico aislado se debe de tomar en

cuenta el tipo de equipo que se desea conectar al sistema ya que

a la hora de elegir un inversor para un sistema fotovoltaico sedeben ver aspectos importantes tales como:

Rango de variacin admisible de la tensin de entrada

(la tensin de batera vara en funcin de su estado de

carga y rgimen de corriente)

Estabilidad de la tensin AC de salida.

Rendimiento en funcin del factor de potencia (el

rendimiento decae a medida que disminuye el factor

de potencia de las cargas, las cargas se dividen en dos

grandes grupos : Resistivas e Inductivas)

Distorsin armnica de las ondas de tensin y

corriente de salida. Algunos equipos de consumo no

operan correctamente con formas de onda no

sinusoidales o con grandes contenidos decomponentes armnicas.

Capacidad de sobrecarga, esto es cuanta potencia

mxima pueden soportar y durante cunto tiempo(esto

es necesario por ejemplo para el arranque de motores

con grandes picos de potencia)

Por lo tanto las caractersticas mnimas que deben de tener

de un inversor son: Tensin nominal, Rango de tensin de

entrada, Potencia (continua), Tensin de salida (RMS),

Potencia pico, dimensiones y peso (kg)

A.Inversor de onda senoidal modificada

Los inversores de onda semi-senoidales o quasi-senoidales

presentan un THD del 20% y sus rendimientos son mayores del

90% .Son utilizados en electrificacin rural para alimentar los

electrodomsticos ms habituales, incluyendo ordenadores y

equipos musicales. Algunas cargas como impresoras lser, los

microondas y los relojes pueden presentar problemas de

operacin con este tipo de inversor.

Segn las pruebas realizadas con el sistema aislado de 200 Wp,

se hizo una variacin de carga y utilizando un dimmer se tom

la curva de potencia de salida vrs rendimiento demostrando as

el comportamiento de un inversor de onda modificada frente a

un aumento de carga.

En la figura 1 se observa el comportamiento del rendimientodel inversor en funcin del nivel de la carga (Carga resistiva) y

en la figura 2 el nivel de THD del voltaje en funcin de la

potencia demandada

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Fig. 1. Comportamiento del rendimiento del inversor en funcin del nivel de

la carga

Fig. 2. nivel de THD del voltaje en funcin de la potencia demandada

B.Inversor de onda senoidal pura

Los inversores senoidales tienen un cuidadoso filtrado de la

seal generada. En general son la mejor opcin para la

alimentacin de cargas AC, no presentan ningn problema en

relacin con la THD o estabilidad de la tensin. Algunos tiposde consumos electrnicos como los equipos de

telecomunicaciones o instrumentacin delicada pueden requerir

su utilizacin. Los inversores que producen ondas senoidales

puras son recomendados para cargas inductivas, como el caso

de motores la curva de rendimiento para cargas inductivas es

diferente que para cargas puramente resistivas. Con las cargas

inductivas la tensin y la corriente no estn en fase, aparece un

factor de potencia distinto de uno que reduce la potencia activa

entregada hasta un 20-30% ver figura 3 .

Fig. 3. Forma tpica del rendimiento de un inversor en funcin del factor depotencia (Cos fi)

En el caso de cargas resistivas se observa

Fig. 4. Comportamiento del rendimiento del inversor en funcin del nivel de

la carga resistiva

En la figura 5 se muestra el nivel de THD del voltaje en funcin

de la potencia demandada

Fig. 5. Nivel de THD del voltaje en funcin de la potencia demandada

III. REGULADORES DE CARGA

La misin primordial de un regulador de carga en un sistema

aislado con bateras es un proceso ptimo de carga de la batera,

permitiendo la carga completa pero evitando la sobrecarga y la

sobredescarga su funcionamiento tiene una gran influencia en

la vida til de las bateras.

El regulador de carga permite provechar al mximo la energa

suministrada por el generador fotovoltaico, a la vez que

garantiza la proteccin adecuada y buen servicio de las bateras,

el caso de las sobrecargas pone al generador en circuito abierto

evitando el paso de corriente del generador hacia la batera, enel caso de sobredescarga puede cortar el suministro a los

consumos o bien avisar mediante una alarma indicando que la

tensin mnima de la batera es inferior a los niveles mnimos

de seguridad.

Las funciones de los reguladores adems de las antes

mencionadas son: proporcionar informacin de control de

consumo, servir como mecanismo de control para la conexin

de otros generadores auxiliares de energa

0

50

100

150

0 100 200 300 400R

ENDIMIENTO[%]

POTENCIA[W]

INVERSOR DE ONDA MODIFICADA CURVA

EFICIENCIA-POTENCIA

0

10

20

30

40

50

0 100 200 300 400

T

HD%

POTENCIA[W]

INVERSOR DE ONDA SENOIDAL MODIFICADA

CURVA THD-POTENCIA

0

20

40

60

80

100

120

0 100 200 300 400

RENDIMIE

NTO(%)

POTENCIA[W]

INVERSOR DE ONDA SENOIDAL PURA

CURVA EFICIENCIA-POTENCIA

0

2

4

6

8

10

0 100 200 300 400

THD%

Potencia

INVERSOR DE ONDA SENOIDAL PURA

CURVA THD-POTENCIA

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El circuito de la figura 6 se muestra como se comportaran las

corrientes un sistema fotovoltaico aislado de noche

En este caso, toda la carga est siendo alimentada por las

bateras, dado que los mdulos no estn aportando nada al

sistema.

Fig. 6. Sistema fotovoltaico aislado funcionando de noche, circulacin de sus

corrientes

Para el caso de un da soleado:

Fig. 7. Sistema fotovoltaico aislado funcionando de dia, circulacin de suscorrientes

En este caso, la carga se distribuye entre las bateras y los

mdulos.

Este circuito est sobrecargado dado que las bateras siempre se

estn descargando, por lo que en la prctica no es un sistema

confiable, y es completamente necesario incrementar lapotencia instalada en paneles.

A.

Regulador de carga PWM (Pulse Width Modulation)

Muchos reguladores PWM realizan la carga en tres etapas:

"bulk", absorcin y flotacin. La primera fase es la "bulk"

(intensidad mxima, aumentando la tensin conforme se carga).

Cuando la batera alcanza la tensin "boost", BV, se pasa a la

fase de absorcin ("boost", a tensin constante y disminuyendo

la corriente). Cuando la corriente disminuye hasta cierto valor

o ha transcurrido cierto tiempo, se pasa a la etapa de flotacin

("float", permitiendo una pequea corriente de carga,

manteniendo la carga completa y evitando excesivo gaseo).

Algunos controladores PWM sobrecargan las baterasintencionadamente a intervalos regulares (por ejemplo, cada 30

das), proceso denominado ecualizacin, que dura un

determinado tiempo (por ejemplo 2 horas), asegurando la

mezcla del electrolito (desestratificndolo) y asegurando que

todas las celdas de la batera se "ecualizan" a carga completa.

La principal caracterstica de este tipo de reguladores es que el

punto de operacin del mdulo fotovoltaico o string est

determinado por el nivel de voltaje del sistema. Por lo que el

cambio entre las etapas de carga las realiza a travs de una

modulacin de ancho de pulso regulando as la corriente de

carga.

B.

Regulador de carga MPPT(Maximun Power Point

Tracking)

La tecnologa de un regulador MPPT es ms compleja que la de

los reguladores PWM, ya que hacen una bsqueda del mejor

punto de rendimiento de los paneles.Con un regulador MPPT, la electrnica se encarga de buscar

automtica y permanentemente la tensin donde el panel

entrega su mxima potencia, hace un seguimiento de esta y es

ah donde se queda hasta que cambian las circunstancias, tales

como una nube, una sombra o un cambio en la temperatura. En

este momento, el seguidor del MPPT adapta la tensin de

entrada de los paneles al mejor punto de rendimiento para las

condiciones del momento.

Ms tarde, mediante conversin electrnica de alta frecuencia

ajusta la tensin de salida a la ptima para la carga de la batera,

normalmente a 12, 24 o 48V.

C.. Estimacin las prdidas por utilizar un controlador de

carga PWM en lugar de uno con MPPT

Para un PWM: Curva de potencia para el sistema fotovoltaico

Fig. 8. Curva de potencia para el sistema fotovoltaico

Bateras de 12V:

Para esta condicin, el punto de operacin del controlador es:

I=5.2A V=12.97

Tomando de la figura 8, el valor de la potencia es:

P=17.5W

Por lo que el rendimiento es:

=17.5/39=45%

Bateras de 24V:

Para esta condicin, el punto de operacin del controlador es:

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I=4A V=25.8

Tomando de la figura 8, el valor de la potencia es:

P=37.5W

Por lo que el rendimiento es:

=37.5/39=96%

Para un MPPT: Curva de potencia para el sistema

fotovoltaico

Fig. 9. Curva de potencia para el sistema fotovoltaico

Bateras de 12V:

Para esta condicin, el punto de operacin del controlador es:

I=12A V=13.4

Tomando de la figura 9, el valor de la potencia es:

P=90WPor lo que el rendimiento es:

=90/180=50%

Bateras de 24V:

Para esta condicin, el punto de operacin del controlador es:

I=6.5A V=26.4

Tomando de la figura 9, el valor de la potencia es:

P=175W

Por lo que el rendimiento es:

=175/180=97%

En la figura 10 se muestra la conexin de los componentes de

un sistema fotovoltaico aislado.

Fig. 10. Componentes y conexin de sistema fotovoltaico aislado

IV.

CONCLUSIONES

El rendimiento de conversin DC/AC en inversores

depende del tipo de carga conectada a ellos(Resistiva

Capacitiva o Inductiva)

El rendimiento depende de la potencia generada

siendo muy bajo a muy bajas potencias y aumentaprogresivamente a medida que aumenta la potencia

Para cargas inductivas y equipos sensibles es ms

eficiente utilizar inversores de onda senoidal pura.

De los dos tipos de controladores de carga

estudiados, el ms eficiente es el controlador de carga

con seguimiento del punto de mxima potencia, ya

que nos permite aprovechar al mximo la potencia

que el modulo nos puede entregar

Un regulador de carga debe de ser configurado

especficamente en funcin del tipo de batera,

aplicacin y seleccionado en funcin de la tensin delsistema y la corriente de cortocircuito.

En el caso de contar con cargas que puedan colocarse

con AC o DC, la mejor opcin sera colocarlos como

carga DC, ya que se ahorraran las perdidas por la

conversin DC/AC en los inversores, haciendo ms

eficiente el sistema

V.REFERENCIAS

[1] Medicin y comprobacin de parmetros en inversores

y controladores de carga Guia de Laboratorio, Sistemas

Fotovoltaicos, Universidad de El Salvador, 2015

[2] Bianca Martinez Cerro, Instalacin solar fotovoltaica

aislada, Universitat Politcnica de Catalunya, Enero 2011

[3] Stand-Alone Photovoltaic Systems-A Handbook of

Recommended Design Practices,Sandia National Laboratories,

SAND87-7023, revised November 1991