De acuerdo con las últimas cifras delPrograma PVPS (Photovoltaic PowerSystem Programme) de la AgenciaInternacional de la Energía, en 2012hay un total de 28.4 GW instaladosen el mundo, de los cuales más del90 % corresponden a instalacionesconectadas a las red. En estas insta-laciones uno de los elementos másimportantes son los inversores foto-voltaicos. Aquellos, pueden distin-guirse entre los micro inversores, losdenominados "string inverter", losinversores centrales, las plataformasde potencia de media tensión (MT) ylos sistemas inversores basados enbaterías. Precisamente, en este artí-culo se analizan las denominadasplataformas de potencia de mediatensión. Estas plataformas han surgido, enestos últimos dos años, por la pro-gramación e instalación de grandessistemas fotovoltaicos, sobre todoen Estados Unidos, China y diversospaíses de Sudamérica, del orden devarias decenas de megavatios.De esta forma, los fabricantes de in-versores se han visto obligados alanzar un nuevo producto, que enrealidad no es más que una integra-ción de elementos ya existentes: ladenominada estación de potencia fo-tovoltaica. Esta estación de poten-cia, cuyos términos varían en inglesMegawatt Solar Station (MSS) o MVpower platform (Medium Voltage),es en realidad un solución de con-versión de potencia con salida enmedia tensión (MT). Es decir, con-vierte la corriente continua del gene-rador fotovoltaico a la red en mediatensión. Estas plataformas de poten-

cia están equipadas con todos loscomponentes necesarios para llevara cabo esta tarea. En la mayoría delos casos, los parámetros y elemen-tos son bajo pedido y se puedenajustar a las necesidades del cliente.

Así, para llevar a cabo este estudio,se han recopilado las estación de po-tencia de quince fabricantes diferen-tes, ordenados alfabéticamente:ABB (PVS800-MWS 1-1.25 MW), Ad-

vance Energy (AE PowerStation™ TXand PowerStation™NX 1000 Integra-ted Solution), AETI (ISIS 1/1.5 MW),Bonfiglioli (RPS Station 1000/ 1500/1600/ 2000/ 2800), Danfoss Emer-son (SPI) Ingeteam (Ingecon® Sun

Powerstation U 300/ 400/ 450/ 500/600/ 700/ 750/ 800/ 900/ 1000/1050/ 1150/ 1200/ 1250/ 1300/1400/ 1500/ 1600/ 1750/ 1800/1850/ 2000/ 2100), GPTech (APIS

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El objetivo de este artículo es analizar las grandes estaciones de potencia fotovoltaicas, cuyo ran-go oscila entre los 300 hasta los 2600 kW, y que pueden ser instaladas en las grandes plantasfotovoltaicas de conexión a red, sobre todo en Estados Unidos.

Instalación en grandes plantas fotovoltaicasde conexión a red

Análisis de las grandes estaciones de potencia fotovoltaicas(multi megavatios) de media tensión

Figura 1: Configuración de una sola estación (Figura tomada del catálogo deIngeteam)

Informe.qxp 4/11/2013 9:53 AM PÆgina 44

1000, 1250, 1500-2000), Jema (SIBox), Kaco (Powador 500 y 700), LTI(PVmaster Station USA), Power Elec-tronics (Freesun HES-UL), Power-One (PVI-Station-1000-US and PVI-STATION-1320-US), Solarmax (TS-SV Compact Station), SMA (MV Po-wer Platform 1.0/ 1.25/ 1.4/ 1.5/1.6 MW) Solectria Renewables (MSS

1, 1.5 and 2 MW).Como puede observarse, hay cuatrofabricantes españoles: Ingeteam,Jema, GPTech y Power Electronics. La mayoría de estos productos pue-den instalarse en casi todos los paí-ses del mundo. Del análisis efec-tuado, se han

encontrado los siguientes resulta-dos: No se ha encontrado ningún manualde instalación de los productos, sólohojas de características. Esto se de-be, en gran parte, por la novedad delos diversos productos así como quemuchos de ellos se ajustan a las ne-cesidades del cliente. Por otra parte, el rango de potenciaencontrado varía entre los 300 kWhasta los 2.6 MW. Los sistemas suelen ser muy flexi-bles ofreciendo diferentes posibilida-des de configuraciones. Así, se pue-den configurar como estación única,en anillo o en triángulo, Figuras 1-3. Los elementos comunes o subsiste-mas en cada una de estas estacionesencontrados han sido los siguientes:la plataforma, el panel de control ysuministro, la unidad de descone-xión de CC a CA, el equipo de con-

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INFORME

Figura 4: Configuración con inversores Maestro-Esclavo(Ingeteam)

Figura 5: Configuración con inversores Multi-MPPT (Inge-team)

Figura 2: Configuración en estrella (Figura tomada del catálogo de Ingeteam)

Figura 3: Configuración en anillo (Figura tomada del catálogo de Ingeteam)

Cinco diferentes ítems se han encontra-

do: temperatura de operación, tempera-

tura de ambiente en operación, tempe-

ratura de transporte y almacenaje, má-

xima humedad relativa, máximo consu-

mo de aire y altitud máxima permitida

sobre el nivel del mar. Normalmente, al-

gunos de los fabricantes aseveran que

todos estos parámetros han sido medi-

dos de acuerdo con la norma EN

6¡0721-3-3.

Informe.qxp 4/11/2013 9:55 AM PÆgina 45

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versión de potencia, el transforma-dor de media tensión, sistema deventilación y opciones de monitori-zación. A continuación, se van analizar algu-

nos de estos subsistemas.

La plataforma o carcasaEs donde están ubicados todos y ca-da uno de los elementos de la esta-

ción. Puede ser abierta, con un doselo cerrada. Además, acorde con lasdimensiones, se ha podido compro-bar que existen dos tipos de carca-sas: las de 20 pies y las de 40, todosellas aisladas. Asimismo, desde elpunto de vista del cerramiento, haydos tipos diferentes: los tipos sheltery los conteiner. La estructura sueleser de hormigón o de acero galvani-zado en caliente, con el marco deenrejados, garantizando la máximaestanqueidad, impermeabilidad, ais-lamiento térmico, ligereza y durabili-dad en el tiempo.La pintura aplicada a las carcasassuele estar de acuerdo con la normaISO 9227-06 NSS, con el fin de ase-gurar el máximo nivel de protecciónbajo las condiciones meteorológicas.Normalmente, los fabricantes anun-cian que tienen la aprobación RINA(que es una entidad de certificaciónde productos y servicios relaciona-dos con la seguridad y eficacia deltransporte marítimo y con la preven-ción de la contaminación, mundial-mente conocida). Por lo que podrátransportarse sin impedimentos acualquier parte del mundo.

Panel de control y suministroEste panel provee de la distribuciónde potencia en baja tensión a las di-versos consumos de la plataforma,aplicando, en muchos casos SCADA. Por otra parte, también, en el casode ser instalada para los EstadosUnidos, tienen la unidad de descone-xión de CC a CA, acuerdo con el Có-digo Nacional de Electricidad NSI/NFPA 70. El dispositivo de descone-xión de CA suele estar integrado en

Figure 6: Mínima tensión del SPMP (V) versus potencia nominal de salida deCA (kW)

Figure 7: Máxima tensión del SPMP (V) versus potencia nominal de salida deCA (kW)

Figure 8: Máxima y mínima tensión del SPMP (V) versus potencia nominal desalida de CA (kW)

De acuerdo con el análisis efectuado, se

han encontrado las siguientes protec-

ciones: protección de sobre tensión de

CC, error de sobrecarga, detección de

aislamiento del campo fotovoltaico, con-

trol de aislamiento (monitorización de

falta de tierra), polaridad inversa, de

sobrecorriente, interruptor de Load-Bre-

aking DC switch (Each Input, Monitored),

Input Surge Protection (monitored).

Informe.qxp 4/11/2013 9:56 AM PÆgina 46

INFORME

el equipo de conversion de potencia.

Equipo de conversión de poten-ciaEn realidad, este subsistema estáformado por un número determina-do de inversores, que en realidadson inversores centrales. El númerode ellos depende de la potencia de laestación. Se han encontrado dos configuracio-nes diferentes: modo Master/ Slave(en donde los inversores están enparalelo) y Multi-Master-Slave (omulti SPMP, seguimiento del puntode máxima potencia-MPPT) con el finde alcanzar un SPMP independienteen cada uno de los sub-arrays foto-voltaicos.De acuerdo con el análisis de las ho-jas de características de los diferen-tes modelos analizados, se ha podi-do verificar que éstas se suelen con-tener los siguientes apartados: es-pecificaciones eléctricas (paráme-

tros de entrada y salida), medioam-bientales, encerramiento, servicio degarantía y servicio, interface de co-municación, monitorización, regula-ciones y estándares. A continuación, se van a analizar al-gunos de estos apartados.

Especificaciones eléctricasSe ha podido comprobar que las es-pecificaciones eléctricas de las esta-ciones dependen del número de in-versores que tengan cada solución.

Parámetros de entrada (lado deCC)Los siguientes parámetros se hanencontrado y analizado: valor abso-luto de la tensión máxima de funcio-namiento, rango de la tensión delPMP (punto de máxima potencia),número de inversores, número deentradas independientes del PMPEl valor absoluto de la tensión de CCpara todos los equipos ha sido de

1000 V. En las hojas característicasde los fabricantes aunque se refierenal mismo término se ha podido veri-ficar que lo nombran de diferenteforma. Por otra parte, el rango de tensióndel seguimiento del punto de máxi-ma potencia oscila entre los 320 ylos 900 V. En la Figura 6 se muestranlos valores mínimos de la tensión delSPMP (seguimiento del punto de má-xima potencia) encontrados versusla potencia nominal de salida de CA.El rango oscila entre los 300 y los700 V. Como se observa, cómo losvalores mínimos no tienen un rela-ción con la potencia. En lo que respecta a la máxima ten-sión del SPMP, Figura 7, el rango os-cila entre los 500 y los 900 V. Nue-vamente, no existe una relación cla-ra entre los valores de la tensión conlos de la potencia nominal. Finalmente, en la Figura 8, se pre-sentan tanto los valores de tensiónmínimos como máximos, conjunta-

mente, versus la potencia nominalde salida. Por otra parte, pudo verificarse queel número de entradas independien-tes oscila entre 2 y 8.

Protecciones de la entradaDe acuerdo con el análisis efectua-do, se han encontrado las siguientesprotecciones: protección de sobretensión de CC, error de sobrecarga,detección de aislamiento del campofotovoltaico, control de aislamiento(monitorización de falta de tierra),polaridad inversa, de sobrecorriente,interruptor de Load-Breaking DCswitch (Each Input, Monitored), In-put Surge Protection (monitored).

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Figure 9: Rendimiento máximo (%) versus potencia nominal de salida de CA(kW)

Figure 10: Rendimiento californiano (%) versus potencia nominal de salida deCA (kW)

Los elementos comunes o subsistemas

en cada una de estas estaciones en-

contrados han sido los siguientes: la

plataforma, el panel de control y sumi-

nistro, la unidad de desconexión de CC

a CA, el equipo de conversión de poten-

cia, el transformador de media tensión,

sistema de ventilación y opciones de

monitorización.

Informe.qxp 4/11/2013 9:56 AM PÆgina 47

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Parámetros de salida (antes deltransformador de media ten-sión)Dentro de los parámetros de salida,se han podido distinguir los siguien-tes: corriente de salida de CA, rangode la tensión de salida, frecuencia,factor de potencia, corriente de ar-mónicos y frecuencia de conmuta-ción. Los valores de la potencia nominalde CA encontrados varían entre los300 kW y los 2800 kW. La tensión desalida de la mayoría de los inverso-res es menor que 1000 Vca, entre200 y 320 Vca. Con el fin de aumen-tar a la media tensión de distribución(13.8 kV, 23.0 kV, 34.5 kV, 46.0 kW,o 69.0 kv) o niveles de transmisiónde (>= 115.0 kV) se necesita untransformador, el cuál viene incorpo-rado en la propia estación (ver lasección del transformador de medidatensión). Con respecto a la distorsión máximade armónicos (THD), el valor máxi-mo encontrado has sido del 3 %. Por otra parte, con el incremento enel uso de los inversores en la red detransmisión, el sector ha tendido rá-pidamente hacia la capacidad deofrecer un manejo de la potencia re-activa del equipo. De esta forma, to-dos los modelos de la estación depotencia analizados tienen la capaci-

dad de absorber o inyectar potenciareactiva. Dos rangos ajustables hansido encontrados, dependiendo delmodelo: 0.9 capacitivo a 0.9 inducti-vo ó 0.8 capacitivo a 0.8 inductivo.Esta capacidad se conoce como "fac-tor de potencia estática" (suministrode potencia reactiva). Asimismo, enestas estaciones se puede imple-mentar capacidades del suministrodinámico de potencia reactiva, bajodemanda de la compañía eléctrica

suministradora (ver Característicasdel Control). Además, algunos modelos tienen es-quemas de reducción de potenciaactiva controlada. Por último, con-viene decir que sólo en algunos ca-sos se especifica la frecuencia deconmutación de los interruptores depotencia, la cuál suele ser de unos18 kHz.

RendimientoSe han encontrado tres parámetrosrelacionados con el rendimiento delsubsistema de conversión: rendi-miento máximo, Figura 9, y rendi-miento californiano, 10 y rendimien-to europeo. Se echa en falta el ren-dimiento del seguimiento del puntode máxima potencia, ya que en nin-guno de los modelos analizados sepresenta dicho parámetro en sus ho-jas de características. Hay que teneren cuenta que los valores de cual-quiera de los rendimientos anterior-mente mencionados no incluyen eltransformador de media tensión. Así, en la Figura 9 se presenta elrendimiento máximo (%) versus lapotencia nominal de salida. Comopuede observarse, los valores osci-lan entre el 97 y el 98.7 %, sin rela-ción alguna con la potencia de sali-da. En cambio, el rendimiento california-no, Figura 10, oscila entre 97 y 98.5%.

Condiciones ambientales (pará-metros medioambientales)Cinco diferentes ítems se han encon-trado: temperatura de operación,temperatura de ambiente en opera-ción, temperatura de transporte yalmacenaje, máxima humedad rela-tiva, máximo consumo de aire y alti-

Tabla 1: Protecciones medioambientales para las MW estaciones fotovoltaicas, según la clasificación NEMA

Protecciónmedioambiental

Tema Descripción

3 and 3SResistencia al agua

NEMA 3, es para uso interior o al aire libre, proporcionar un gra-do de protección al personal contra el contacto incidentalcon el equipo, proporcionar un grado de protección contra sucie-dad, lluvia, aguanieve, nieve y viento de polvo, además perma-necerá ileso a pesar de la formación externa de hielo.En cambio NEMA 3S, está dirigido para uso interior o al aire libre,proporcionar un grado de protección al personal contra el contac-to incidentalcon el equipo, proporcionar un grado de protección contra sucie-dad, lluvia, aguanieve, nieve y vientos depolvo, además el/los mecanismo/s externo/s deberán seguir ope-rando a pesar de la formación externa dehielo.

3R

Para uso interior o al aire libre, proporcionar un grado de protec-ción al personal contra el contacto incidentalcon el equipo, proporcionar un grado de protección contra sucie-dad, lluvia, aguanieve y nieve, ademáspermanecerá ileso a pesar de la formación externa de hielo.

Esta estación de potencia, cuyos térmi-

nos varían en ingles Megawatt Solar

Station (MSS) o MV power platform (Me-

dium Voltage), es en realidad un solu-

ción de conversión de potencia con sa-

lida en media tensión (MT).

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INFORME

tud máxima permitida sobre el niveldel mar. Normalmente, algunos delos fabricantes aseveran que todosestos parámetros han sido medidosde acuerdo con la norma EN 60721-3-3.Con respecto al rango de la tempe-ratura de operación, el rango encon-trado oscila entre - 4 F ... +122 F (- 20 °C ... +50°C). Algunos modelosalcanzar incluso los 60 °C. Normal-mente, el subsistema de potenciamantendrá su operación de funcio-namiento normal hasta los -13°F (-25°C). Si la temperatura ambientecae por debajo de -13°F (-25°C), elsubsistema de potencia parará acti-vándose una unidad de calentamien-to adicional. Tan pronto como latemperatura ambiente exceda de undeterminado valor, normalmente - 4F (- 20°C), el equipo volverá aarrancar. Otros, en cambio, tienen una opciónde "baja temperatura", los cualesson capaces de extender el rangodesde - 40 F hasta +140 F ( - 40°C... +60°C);

Clases de protecciónLa mayor parte de las estacionesanalizadas cumplen con NEMA 3S o3R como protección medioambien-tal, de acuerdo con la Tabla 1. NEMA, que es la United States Natio-nal Electrical Manufacturers Associa-tion (NEMA), es la asociación quepublica los niveles de protección pa-ra verificar la robustez de un equipo,diseñado para trabajar en ambienteshostiles. Es similar a la IP el cuáltambién proporciona un medio declasificar el grado de protección desólidos (como polvo) y líquidos (co-mo agua) que el equipo eléctrico ycarcasas deben reunir. El sistema esreconocido en la mayoría de los paí-ses y está incluido en varios están-dares, incluyendo el IEC 60529. Porotra parte, es digno de mención queno hay una correlación directa entrelos valores dados por NEMA e IP.

Protecciones de salida de CA(antes del transformador de me-dia tensión)Las funciones de protección encon-tradas han sido las siguientes: pro-tección sobretensión, efecto isla, va-riaciones en la tensión de red, fallosen la frecuencia, corrientes asimétri-

cas y soporte de huecos de tensión.

Características del controlNuevas capacidades técnicas estánsiendo implementadas en las esta-ciones fotovoltaicas, derivados delas ya implementadas en los inver-sores centrales. Los principales re-querimientos encontrados han sidolos siguientes: control de tensión/factor de potencia, regulación detensión, reducción de la tensión enel punto de conexión, regulación depotencia, regulación de la potenciareactiva en el punto de conexión,fluctuación de la frecuencia, reduc-ción de la potencia activa en res-puesta a un incremento en la fre-cuencia, control de rampa, huecosde tensión.

Transformador de media tensión(MT)El transformador de media tensiónes una conexión entre el subsistemade conexión de potencia (inversores)y la red de media tensión. Normal-mente, la salida es seleccionablehasta los 35 kV de CA.Este transformador está equipadocon dispositivos de desconexión ca-paces de desconectar de una mane-ra simple y segura los niveles de ba-ja y media tensión. También, tienenmúltiples opciones de protección yconmutación. Habitualmente, los es-tándares que están relacionados sonlos siguientes: IEC 60076-11(2004): Dry-type power transfor-mers; IEC 60076 Power transfor-mers and HD 538.1 S1 (1992) Dry-type transformers enclosed in resinwith insulation up to class 36KV.Sistema de ventilaciónLa ventilación es vital a la hora depreservar la vida de la plataforma. Elmétodo más utilizado es controlar la

temperatura interna de la cabina pormedio de un sistema de ventilacióncentrífuga. Una temperatura cons-tante dentro del recinto se garantizapor medio de la utilización de sondasinternas y externas. Además, el airede entrada se suele filtrar a travésde unas rejillas especiales.

Comunicación (interfaz de usu-ario)El interfaz de comunicación operacon varios protocolos de comunica-ción listados a continuación. Touch-HMI (Human Machine Interface),MODBUS RTU, conexión con RS 485,indicador luminoso del control dearranque/parada and parada deemergencia, sistema de monitoriza-ción remota con modem GSM/GPRS.

Estándares y Certificaciones Las estaciones en sí no tienen toda-vía ningún estándar propio. Los es-tándares encontrados correspondena alguno de sus elementos: UL1741,CSA 107.1, IEEE 1547, IEEEC62.41.2, UL508C CE CSA 22.2#14, IEEE 519, UL 50E/CSA C22.2#94.2, IEEE 1547.1, IEEE C62.41.2, IEEE C62. 45, IEEE C37.91.1,IEEE C 37. 90.2Además, estas estaciones suelen es-tar diseñadas de acuerdo con condi-ciones sísmicas. De esta forma, lamayoría de ellas, cumplen con laIBC/UBC Zona 4 (Sísmica). Esto sebasa en el Código Internacional deEdificación (IBC) que clasifica las es-tructuras de a cuerdo con las Cate-gorías de Diseño Sísmicas (DesignCategories, SDC).

AgradecimientosParte de este trabajo ha sido sopor-tado por el proyecto EVADIFOT:ENE2009-14771-C02-01, del Minis-terio de Innovación y Ciencia y por elPrograma NUMANCIA-2: S2009/ENE-1477 del Gobierno Regional dela Comunidad de Madrid.

AutoresVicente Salas MerinoEmilio Olías RuizPV-Lab UC3M, Grupo de SistemasElectrónicos de PotenciaDepartamento de Tecnología Elec-trónicaUniversidad Carlos III de MadridEmail: vicente.salas@uc3m.es

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“De acuerdo con las últimas cifras del

Programa PVPS (Photovoltaic Power

System Programme) de la Agencia In-

ternacional de la Energía, en 2012 hay

un total de 28.4 GW instalados en el

mundo, de los cuales más del 90 %

corresponden a instalaciones conecta-

das a las red”.

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