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
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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
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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
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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
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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
22
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
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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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