1

Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red

Eléctrica

Sistema de acondicionamiento de potencia

(Inversores)

2

Inversores

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.

Métodos de conmutación:

3

Inversores

Inversores de voltaje controlado Autoconmutados

Inversores de corriente controlada Conmutados por línea Autoconmutados

Clasificación de acuerdo al parámetro modulado:

Clasificación de acuerdo con las características de la fuente de alimentación (CD):

Fuente de corriente Conmutados por línea

Fuente de voltaje Autoconmutados

4

Características de los inversores con control de voltaje y de corriente

Nota: Los rangos de potencia y frecuencia de conmutación son un indicativo del estado actual en la tecnología de semiconductores, éstas 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

está limitado a <500 kW aproximadamente

Puede operar en modo aislado de redBajo contenido armónico (fácil filtrado)FP ajustable (normalmente unitario)Bajo peso y volumen si conmuta a alta frecuencia

Control deVoltaje(PWM)

No puede operar en modo aislado Alto contenido armónico en la señal

de salida, requiere filtradoBajo FP, requiere compensación

Amplio rango de potencia (varios MW)Control simple y robustoBajo costo (el más bajo si P>50 kW)Alta eficiencia (>95%)

Control deCorriente

(conmutado por línea)

No puede operar en modo aislado paraalimentar cargas residenciales ocualquier tipo de carga no linealRequiere frecuencia de conmutación

de mediana a alta (>5 kHz)Limitado a capacidades <50 kW

aproximadamente

Control simple y robustoControl simple y directo sobre el flujo

de potencia activa y reactivaProtección inherente contra

sobrecorrienteBajo contenido armónico (fácil filtrado)Bajo peso y volumen si conmuta a alta

frecuencia

Control deCorriente

(autoconmutado, PWM)

DesventajasVentajasTipo

5

Inversores

Baja frecuencia (<2 kHz) Inversores de mediana-alta y alta potencia (>50 kW) Conmutados por línea o autoconmutados Requieren de filtros más costosos Eficiencia típica a plena carga mayor al 95%.

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

Alta frecuencia (>10 kHz) Pequeñas potencias (<10 kW) Normalmente monofásicos No requieren filtros externos Se pueden utilizar transf. de aislamiento de alta frecuencia Eficiencias superiores a 90%

Frecuencias de conmutación:

6

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

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 operación de inversores según su tipo

Nota: Estos rangos no son estrictos, están dados de acuerdo con las características actuales de los interruptores de potencia y las prácticas de diseño comunes a la fecha, por tanto sólo son una guía del estado actual.

Pequeña a media (5–50 kW)5 kHz - 20 kHz3

Pequeña (normalmente <10 kW)> 10 kHz1

Corriente

Pequeña a media(5–500 kW)

250 Hz - 20 kHz3

Pequeña (normalmente <10 kW)> 10 kHz1

Tensión

Autoconmutado(PWM)

Media a alta (normalmente 50–5000 kW)

Frecuencia de la redNorm. 3CorrienteConmutado por

línea

Rango de PotenciaFrecuencia de Conmutación

Circuito de

Potencia

Parámetro Modulado

Método de Conmutación

8

Inversores

Diodos Los estados de conducción y bloqueo son gobernados

por las combinaciones del circuito de potencia

Tiristores El estado de conducción puede ser mandado por una

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

Interruptores controlables Los estados de conducción y bloqueo son mandados

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

Dispositivos semiconductores de potencia:

9

Características de los semiconductores de potencia

3.- La frecuencia de conmutación factible guarda una relación inversa con la potencia del dispositivo.

2.- El tiempo de conmutación presentado es el típico en capacidades máximas y se reduce con la capacidad.

1.- En MOSFETs la capacidad de corriente máxima no está disponible con la capacidad de voltaje máxima.

Similar al BJT

Mayor que el BJTAltoUn poco mayor que

el tiristorBajoCOSTO COMPARATIVO

Mediana a altaAltaMediana a altaBajaFrecuencia de la líneaFRECUENCIA DE

CONMUTACIÓN3

600 ns100 ns1 ms20 ms20 msTIEMPO DE CONMUTACIÓN2

1200 V1000 V1500 V5 kV7 kVVOLTAJE MÁXIMO

600 A100 A300 A3 kA10 kACORRIENTE MÁXIMA1

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 saturación (ganancia típica 5 a 10)

Pulso de corriente de compuerta para entrar en conducción, 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 conducción (hasta 1/5 de la corriente manejada). Se apaga al extinguirse la corriente de ánodo-cátodo)

MÉTODO DE CONTOL

SÍMBOLO

IGBTMOSFETBJTGTOTIRISTORDISPOSITIVO

10

Características principales

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

Inversores conmutados por la red

11

Características de la señal de salida

Lf i

Ia Van

0

Io

Vcb

Vca

Vba

Vbc

Vac

Vab

Vb

Vc

Va

n

Red

+ -Van

Vbn-+

-+Vcn

La

Lb

Lc

Ia

Ib

Ic

Id

-

vd

N

T5 T1T3

T4T6

P

T2

Cf i

+

vcd

+

-

Inversor 3ф conmutado por línea, formas de onda

12

Inversor conmutado por línea 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 LÍNEA CON SEÑAL DE SALIDA DE 12 PULSOS

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

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Curva típica 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

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Características principales

La conmutación de los interruptores y su sincronización con la redes 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 (<5 kW) y trifásicos (> 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

Inversores autoconmutados

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Inversor PWM monofásico, tipo fuente de voltaje, esquema unipolar

-vd

vd

(vAn -vBn)

(e)

io

vo

0

0

gC

gA

M vp

vr

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 SEÑALSENOIDAL

ic ir

ic

fs ir

vred

icLf

+

-vred

+

-vcd

Cf i

+

-

ic

ir

(b)

vc

(a)

Su controlador es mássimple y robusto

El control de trans-ferencia de potencia es más fácil y directo

Protección inherentecontra corto circuito y contra picos de corriente

Costo más 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, 3ф, 35 kW

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Inversor con dos etapas de potencia1ф, con transformador de 60 Hz

+

-

vxCfi

-

+vred

Convertidor Stepdown Inversor 60 Hz

+

-

2

vx

Mosfet

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Inversor multietapa

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

1ф, con transformador de alta frecuencia 5

+

-

+

-

vy

4321

vg vred

vx

vy

vred2

t

+

-

+

-

vx

t

20

Curvas típicas 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 (%

)

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Transferencia de potencia

Fasores de la interconexión. a) Diagrama general, b) Diagrama de inversión 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)

vL

vred vred

vL

= 0°

C vC

iC

iC

Ecuaciones fundamentales

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Transferencia de potencia

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 queproduzca la variación de potencia activa al nivel deseado, mientras la potencia reactiva se mantieneen cero; por lo tanto, la función de control es un tanto más 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 ángulo de fase de laseñal 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.

23

Requerimientos de los inversores para conexión a red

24

Requerimientos de los inversores para conexión a red

Factores que afectan el voltaje de circuito abierto

Temperatura del módulo (Voc varía a razón de -2 mV/ºC aprox. en elcaso 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 porel 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 delgenerador FV mediante el control del ángulo 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 función de éste es presentar al generador FV una impedancia ajustable.El control del punto de operación se logra con la modulación de losanchos de pulso.

Seguimiento del punto de máxima potencia (PMP)

25

Requerimientos de los inversores para conexión a red

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

Bajo nivel de distorsión armónica

Método convencional: monitoreo de voltaje y frecuencia, y desconexiónen caso de salirse de los límites establecidos. En general produce buenosresultados

Adicional mente, un método de protección para condiciones bajo lascuales el monitoreo de voltaje y frecuencia no son suficientes para lograrla desconexión oportuna de los generadores

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

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Requerimientos de los inversores para conexión a red

La energía 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 día

Las pérdidas en vacío deben ser mínimas (Pvacío ≤ 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 línea la compensación de la corrientereactiva se realiza por medio de bancos de capacitores con incrementosdiscretos, por lo que resulta difícil 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 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

27

Requerimientos de los inversores para conexión a 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 demanera estricta para la operación del sistema

Aislamiento eléctrico entre el generador y la red

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Requerimientos de los inversores para conexión a red

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

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

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Requerimientos de los inversores para conexión a red

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

El control debe discernir entre desviaciones de voltaje y picos de voltajetransitorios 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 debaja 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

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

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Requerimientos de los inversores para conexión a red

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

funcionamiento

Otras características deseables del inversor

Operación automática (arranque y paro dependiendo de las condicionesde insolación)

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

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

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

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

Instrumentación adecuada, operación simple (Va, Ia, Ired, modo de operación y alarmas de falla

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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 solomódulo FV (concepto modular)

El desarrollo de módulos solares de una sola celda se encuentra enetapa de investigación.

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

Estaciones centrales

Los inversores conmutados por línea de 12 pulsos siguen siendo lamejor opción

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

Estatus actual de la tecnología

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