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Documento de Aplicaciones Inversores de cadena para grandes plantas de generacin fotovoltaica. Mdulos Cristalinos

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Danfoss solar Inverters | Documento De aplIcacIones | eDIcIn 1 ene. 2011

ndice de contenidos

1. Introduccin. Resumen ejecutivo ................................................................................. 22. Eleccin de la disposicin ms adecuada para una planta ................................. 3 2.1 Campos FV cuadrticos ............................................................................................. 3 2.2 Diseos alternativos del campo fotovoltaico ................................................... 4 2.3 Centro de transformacin compacto .................................................................. 4 2.4 Disposicin de los mdulos .................................................................................... 5 2.5 Monitorizacin ............................................................................................................. 53. Servicio/fiabilidad .............................................................................................................. 64. Apndice A- diagramas de cableado .......................................................................... 7 4.1 Cableado de un campo de 665kWp ..................................................................... 8 4.2 Cableado de una planta de 10 MWp .................................................................... 9 4.3 Cuadro de baja tensin ............................................................................................. 10

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con el mnimo impacto. Adems, los inversores de cadena y las estaciones transformadoras compactas se carac-terizan por su facilidad de instalacin y por sus cortos plazo de entrega por ser un producto estndar.

Para instalar, mantener o sustituir inver-sores no se requiere ninguna formacin especial, lo cual evita los contratos de mantenimiento habituales para inver-sores centrales. Al no precisarse cajas de paralelos, se minimiza el manteni-miento de la parte de continua.

Este documento recalca el papel de los inversores de cadena como alternativa atractiva a los inversores centrales en las grandes plantas de energa fotovol-taica. Para ello, se recurre al ejemplo de una planta de 10 MWp en Cen-troeuropa con 15 campos fotovoltaicos cuadrticos idnticos, 15 centros de transformacin individuales de 630 kVA y 15 x 42 inversores TripleLynx.

El presente documento expone nuevas ideas sobre la utilizacin de los inver-sores de cadena en grandes plantas de energa fotovoltaica.

Se sabe que existe una relacin entre la potencia nominal del inversor y su coste especfico en /kW. Por lo tanto, al construir grandes plantas fotovoltaicas de ltima generacin de varios MW de potencia, lo habitual ha sido utilizar inversores centrales lo ms grandes posible, con el fin de reducir el coste de la inversin. En la actualidad, existen inversores centrales que alcanzan potencias entre 1 y 2 MW. Sin embargo, la tendencia al desarrollo de inversores cada vez mayores eleva los costes de instalacin, pese a reducirse el coste especfico del propio inversor.

La naturaleza modular de los pane-les fotovoltaicos (el mayor panel se encuentra por debajo de los 500 W) implica la modularidad de la planta fotovoltaica sea cual sea su tamao. Por tanto, es conveniente buscar configura-ciones alternativas para configurar una planta fotovoltaica.

Con el uso de inversores de cadena como elementos modulares de la plan-ta y las funciones integradas en estos, pasan a ser innecesarios muchos de los elementos externos imprescindibles en las plantas con inversores centrales.

Los actuales inversores de cadena de alta gama incorporan las principales ventajas de los inversores centrales, como son el amplio rango de tensiones de entrada y la salida trifsica, adems de poseer una gran eficiencia de con-versin. De este modo, se reducen las prdidas en los cableados de CC y CA, lo cual garantiza una mayor produc-cin energtica global de la planta. Al existir mayor cantidad de seguidores de mxima potencia, se asegura un mayor aprovechamiento de la energa de los mdulos. Asimismo, las cajas de para-lelos y la monitorizacin de cadenas ya no seran necesarias, de modo que se simplifica el cableado.

El uso de centros de transformacin compactos para conectar los inversores de cadena implica que ambos se pue-dan colocar entre las filas de mdulos

Introduccin. Resumen ejecutivo. 1.

Figura1: disposicin de un campo fotovoltaico de mdulos cristalinosEste ejemplo muestra un layout de 14 filas de subestructuras, con 12 subestructuras cada una de ellas (125x125 m, aprox.). Cada subestructura tiene instalados 18 mdulos con orientacin horizontal.

Centro de transformacin

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Eleccin de la disposicin ms adecuada para una plantaEl objetivo al planificar una planta fotovoltaica es conseguir un retorno ptimo de la inversin. Por una parte requiere la utilizacin de inversores y transformadores de elevada eficiencia, enfocarse en reducir las prdidas en el cableado y debidas a sombreados, as como realizar una monitorizacin detallada de la planta.Por otro lado, los costes de planifica-cin, material e instalacin se deben minimizar.

2.1 Campos FV cuadrticosEl uso de centros de transformacin compactos colocados en una posi-cin central del campo fotovoltaico cuadrtico, reduce las prdidas de cableado en la zona de corriente con-tinua y en la zona de corriente alterna de baja tensin, ya que se reduce la longitud de los cables entre mdulos, inversor y transformador. Vase figura 1: disposicin de un campo fotovol-taico.

El uso de inversores con tensin mxima de entrada de 1000V, permite prescindir de las cajas de paralelos. Los cables de continua conectan directamente la serie de mdulos al inversor.

Un transformador de 630 kVA puede tener 42 inversores conectados directamente y las protecciones, incluyendo el cuadro de baja tensin, caben en la zona de baja tensin del centro de transformacin.

2.

Por otro lado, es posible construir ms campos modulares cuadrticos de 665 kWp de forma rentable.

Vase el apndice A donde se mues-tra un ejemplo de cableado.A continuacin, abordaremos las ventajas en mayor detalle:

2.1.1 Ventajas en la zona CCEl amplio rango de tensiones de seguimiento MPPT de los inversores permite conectar mdulos en una serie hasta llegar a 5,28 kWp (conec-tando 24 mdulos de 220 Wp con 60 clulas por mdulo). La consiguiente reduccin del nmero de cadenas para la misma potencia reduce los costes de cableado e instalacin con-siderablemente. La tensin de la serie en condiciones de temperatura de operacin nominal de la clula (NOCT) se encuentra bastante por encima de los 600 V, por lo que se consigue una eficiencia ptima. Por otro lado, las prdidas en el cableado de continua descienden considerablemente.

El seguimiento del punto de mxima potencia individual para cada cadena

Figura 2: ejemplo de cableado de continua con mdulos cristalinosCada fila de mdulos va conectada directamente a un seguidor de mxima potencia del inversor

Subestructuras Inversor

Figura 3: ubicacin de los inversores . Los inversores se montan en la parte trasera de las subestructuras de mdulos, cerca del centro de transformacin. El cableado de alterna de baja tensin a la salida de los inversores se conectar al cuadro de baja tensin del centro de transformacin, que puede ser preinstalado antes del suministro, Vase apndice A. 4.3.

(o grupo de cadenas si se utilizan mdulos con menor corriente MPP) es una de las grandes ventajas de los inversores de cadena y permite una produccin mxima para cada una de las cadenas.

Si adems cada una de las tres filas de mdulos existentes en las estructuras se conecta a su propio seguidor MPP, se reducen enormemente las prdi-das por sombras. Esto es debido al hecho de que cada grupo de cadenas tiene entonces su propio seguidor MPP independiente para controlar y optimizar la potencia de salida. Si una serie se desconecta debido a la ausencia de radiacin solar o a alguna incidencia, el resto de series siguen generando energa, de modo que se maximiza la produccin final de la planta.

2.1.2 Ventajas en la zona CALos inversores de cadena con grado de proteccin IP54 son adecuados para instalaciones en exterior y no requieren proteccin adicional si se instalan en la parte trasera de las subestructuras de mdulos.

Asimismo, el peso reducido y las dimensiones compactas de los inversores de cadena, permiten el anclaje de los inversores a las subes-tructuras de mdulos. Si los inver-sores se instalan cerca del centro de transformacin, el coste del cableado de CA de baja tensin se reduce en gran medida, evitndose prdidas de produccin en el cableado de alterna en su tramo desde el inversor hasta el transformador.


2.2 Diseos alternativos del campo fotovoltaicoAcabamos de describir un campo fotovoltaico cuadrtico con inver-sores colocados en una ubicacin central. Las mismas consideraciones y resultado se podran lograr con una

disposicin rectangular de 21 filas de subestructuras con 8 subestructuras por fila. De igual modo, es posible disear disposiciones en las que los inverso-res no estn colocados en el centro. En dicho caso, la solucin ptima

2.3 Centro de transformacin compactoEl centro de transformacin de 630 kVA es uno de los ms utilizados y, por lo general, cuenta con unos plazos de entrega cortos. Las dimensiones com-pactas y el reducido peso del centro, permiten suministrar dos unidades por entrega y utilizar camiones gra ms pequeos para su instalacin. Dado que la altura del centro es redu-cida (187 cm por encima del nivel del suelo), es posible colocarla por detrs de los mdulos. La subestructura de mdulos trasera se vera ligeramente ms afectada por las sombras de no contarse con una distancia mayor entre sta y la anterior.

El uso de un transformador con bajas prdidas reduce el consumo elc-trico nocturno del transformador por debajo del 0,4% de la produccin anual. De este modo, las prdidas por cortocircuito no tienen gran peso sobre la produccin total.

En la parte de media tensin de transformadores de este tipo, pueden instalarse paneles de alimentacin con fusibles HH en lugar de conmu-tadores de alimentacin, mucho ms

caros. Los tramos de cableado largos pasan a ser en media tensin, con lo que las prdidas elctricas se ven muy reducidas.

Figura 5: centro de transformacin

Figura 4: diseo de campo fotovoltaico con inversores distribuidosEste ejemplo es idntico al de la Figura 1 en cuanto a la disposicin de los mdulos, si bien los inversores se colocan cerca de los mdulos a los que van conectados. Cada inversor se conecta a una caja de conexin, que se conecta a su vez al cuadro de baja tensin del centro de transformacin.

Subestructuras

depende de los costes de material e instalacin del cableado CC y CA y de las cajas de conexin para agrupacin y proteccin del cableado de CA, pon-derados en relacin con las prdidas del cableado de CC y CA.

View A

View C

View B

View D

View A

View C

View BView D


2.4 Disposicin de los mdulosPara ilustrar las ventajas anteriores, presentamos ahora un ejemplo de diseo.

Con el fin de reducir las prdidas por sombreado (sombras arrojadas), se recomienda montar tres filas de mdu-los en posicin apaisada (horizontal) por subestructura. Los mdulos se conectan de forma que cada una de las filas forme una cadena. Las tres cadenas de mdulos se conectan de forma individual a las tres entradas del inversor.

Dicha configuracin proporciona, adems, una ligera ventaja los das de invierno, cuando los mdulos infe-riores se encuentran, por lo general, sombreados. En los das de verano, sin viento y con alta irradiacin se puede

conseguir una ventaja similar, ya que la fila superior tendr una tempera-tura ligeramente superior y, por tanto, estar trabajando a menor tensin de mxima potencia.Los tres seguidores MPPT optimizan, de este modo, cada una de las filas individuales en lugar de buscar una tensin de operacin de compromiso, como ocurrira si las cadenas se conec-taran en paralelo.

Un diseo con 5,28 kWp por cadena o 15,9 kWp en total, tendr un factor de dimensionado (Psolar/Pinversor) de 1,06, que se encuentra dentro de las recomendaciones del Dr. Bruno Burger1 para plantas ubicadas en Centroeuropa. Se tiene en cuenta la alta eficiencia del inversor y la baja temperatura de mdulo, debida a su montaje en suelo.

Se pueden utilizar distintas configura-ciones, sacando siempre provecho a la tensin mxima de circuito abierto de 1000V.

Para mdulos monocristalinos y policristalinos con clulas de 156 x 156 mm son posibles, segn el nmero de clulas por mdulo, dos configuracio-nes diferentes: 1 cadena de 24 mdulos (220 W con 60 clulas) en cada una de las 3 entradas 1 cadena de 30 mdulos (175 W con 48 clulas) en cada una de las 3 entradasPara instalaciones en el sur de Europa, donde se recomienda un factor de dimensionado menor, la potencia puede reducirse con facilidad conec-tando menos mdulos por serie.

Figura 6: sombreado sobre los mdulosCuando el sol incide en una posicin baja, slo los mdulos de una cadena se ven afectados, ya que cada fila cuenta con su seguidor de mxima potencia independiente.

1 Inverter sizing for grid connected PV plants, Dr.-Ing. Bruno Burger, Fraunhofer-Institut fr Solare Energiesysteme ISE, Heidenhofstrae 2, D-79110 Freiburg. http://www.ise.fraunhofer.de/veroeffentlichungen/nach-jahrgaengen/2005/auslegung-und-dimensionierungvon-wechselrichtern-fur- netzgekoppelte-pv-anlagen/at_download/file

2.5 MonitorizacinLos datos de monitorizacin de la planta se pueden enviar a un servidor de almacenamiento de datos utili-zando webloggers que se ubican en cada centro de transformacin. La alimentacin del weblogger y de su mdem asociado, se puede obtener del lado de baja tensin del transfor-mador, ya que nicamente se necesita una pequea cantidad de potencia (< 20W).Si se requiere acceso on-line a los datos, se recomienda conectar cada weblogger a un puerto Ethernet, en lugar de utilizar un mdem. En caso de que el centro de transfor-macin se desconecte y se apague

el weblogger, se pueden extraer los datos de la memoria de cada uno de los inversores una vez se restaure el suministro elctrico. El inversor con-serva registros de los ltimos tres das en su memoria interna.

Con los inversores colocados de forma central cerca del centro de transformacin, es fcil realizar las conexiones de los cables de moni-torizacin. Los inversores pueden conectarse en serie utilizando un cable estndar Cat 5. El cable puede conectarse directamente al inversor bien utilizando terminales atornilla-dos o bien cables prefabricados con conectores RJ45.

Es posible monitorizar la corriente y la tensin MPP de cada una de las cadenas individuales. De este modo, es posible detectar un error en cada cadena individual en la entrada del inversor afectada sin necesidad de equipos de monitorizacin adiciona-les. Vase la figura 2.Los datos quedan registrados cada 10 minutos y normalmente se transmiten al servidor de almacenamiento de datos diariamente.

El cableado de comunicaciones se puede observar en el apndice A 4.1.


Servicio/Fiabilidad 3.

Los inversores de cadena tienen la ventaja de ser un componente estn-dar disponible en el mercado. Por ello, es posible que un instalador local o supervisor de planta sin formacin especfica realice el cambio del inver-sor en caso necesario. De este modo, los contratos de mantenimiento habi-tuales en el caso de inversores centra-les, no seran necesarios en el caso de inversores de cadena. Adems, puede contarse con inversores de repuesto en planta.

Por otro lado, en caso de fallo, slo se ver afectada una parte muy redu-cida del sistema. Por ejemplo, en una

planta de 10 MW deben fallar por completo ms de 6 inversores para que la prdida alcance el 1% de la produccin.

Con los centros de transformacin compactos propuestos, el manteni-miento anual de la red de media ten-sin requiere algo ms de esfuerzo, debido al nmero de estaciones transformadoras. Sin embargo, no se requiere mantenimiento en la zona de CC, ya que se eliminan las cajas de conexin. Por ejemplo, no existiran problemas debidos a fusibles de CC fundidos.

La garanta de 5 aos no se ve alte-rada aunque los inversores se utilicen en aplicaciones de grandes plantas. Adicionalmente, es posible ampliar la garanta a 10 aos.

Para ayudar al instalador o supervisor de planta a identificar fallos en los inversores, stos cuentan con panta-lla.


4. Apndice A: diagrama de cableado

4.1 Cableado de un campo de 665kWpPlano de Grper

4.2 Cableado de una planta de 10 MWpPlano de Grper

4.3 Cuadro de baja tensinPlano de Grper


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