INFORME. Dirección de Negocio Regulado 1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA

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1 INFORME ORGANISMO EMISOR: IBERDROLA DISTRIBUCIÓN, S.A.U. PROTECCIONES Y ASISTENCIA TÉCNICA REFERENCIA: SPFV HOJA 1 de 11 Dirección de Negocio Regulado 1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA En pruebas de desconexión de inversores fotovoltaicos se han detectado importantes sobretensiones, que han causado daños en equipos de baja tensión, principalmente en contadores y equipos electrónicos asociados a los inversores. Estas sobretensiones se producen cuando se abre un interruptor aguas arriba del inversor, bien sea de baja o media tensión, quedando uno o varios inversores en isla, de acuerdo al siguiente esquema simplificado. Preparado Comprobado Aprobado F. J. Pazos

2 HOJA 2 de 11 Se trata de un problema no cubierto por la normativa, incluso por la que está en elaboración. No existe norma internacional aplicable a generadores por encima de 16 A. En su defecto, podemos tomar como referencia, la norma EN 50438, aplicable a microgeneración habla de disparos en 0.2 segundos cuando la tensión supera el +15%. No obstante, los valores propuestos y las referencias a parámetros de calidad de onda, indican que estos ajustes no están orientados a transitorios, sino a las sobretensiones de duración relativamente larga propios del funcionamiento normal de la planta fotovoltaica. Por otro lado se ha observado que las sobretensiones en media tensión, en parques de 5 MW, alcanzan valores peligrosos cuando la isla se compone de 5 o más inversores de 100 kw, conectados a través de transformadores en una barra MT sin carga. Probablemente, el fenómeno está relacionado con la interacción entre los inversores hasta el disparo por la protección de detección de isla. Hay que destacar que se trata de condiciones no contempladas en la norma. En cualquier caso, el problema no es el paso a isla en si mismo. El disparo por pérdida de alimentación tiene su procedimiento propio y no contempla que se pueda producir algún tipo de sobretensión durante la detección, sino que se centra en la detección efectiva de la pérdida de red en caso de que el generador se quede en isla con una carga comparable a la potencia que esté generando. Por tanto, ha sido necesaria una investigación particularizada de este fenómeno, para lo que se han realizado pruebas en diversos parques. En los ensayos, se ha reproducido el fenómeno con inversores de distintos fabricantes, registrando el momento en que se producen las averías de contadores.

3 HOJA 3 de ANÁLISIS La figura 1 muestra la forma de onda de las tensiones y corrientes, durante una apertura del interruptor de baja tensión que deja 2 inversores de 25 kw en isla, según el siguiente esquema simplificado, que solo representa 1 inversor. Figura 1: desconexión desde baja tensión

4 HOJA 4 de 11 Se observa como el inversor dispara a los 60 ms, pero durante ese tiempo se produce una sobretensión severa, que alcanza aproximadamente el doble de la tensión nominal. Esta sobretensión se produce al quedar el inversor alimentando, y sobreexcitando, al transformador del filtro y al transformador de servicios auxiliares de la caseta. En la figura 2, se observa una maniobra desde el interruptor de 20 kv que desconecta 4 inversores de 100 kw. En este caso, los inversores también se quedan energizando a 50 transformadores de 100 kva, dando lugar, igualmente, a una sobretensión. En este caso, la sobretensión se transfiere a media tensión, como se observa en la figura 3, que representa la tensión vista en el secundario de un transformador 20/0.4 kv, que se encontraba en vacío. Esta perturbación supone un estrés excesivo para otros equipos electrónicos, como los contadores. Esto puede apreciarse en la simulación de la figura 4, que muestra el efecto sobre un rectificador trifásico. Se aprecia la enorme subida de tensión en el bus de continua y la tensión inversa en los diodos del puente. Estos valores son suficientes para provocar daños en muchos receptores electrónicos, como por ejemplo los diodos del rectificador. Asimismo, estos valores tan elevados dan lugar a la actuación de protecciones contra sobretensiones, varistores en BT y pararrayos en MT y AT. La exposición de este tipo de

5 HOJA 5 de 11 elementos a sobretensiones de tan larga duración, pueden dar lugar a su destrucción, con el consiguiente cortocircuito en las redes de baja, media o alta tensión. Figura 2: desconexión desde media tensión Figura 3: transferencia de la sobretensión a media tensión Por otro lado, las protecciones contra sobretensiones de baja tensión, al estar conectadas entre fase y neutro, tienen una tensión residual muy alta entre fases, ya que es necesario que conduzcan al menos dos de ellas, con lo que sus tensiones residuales se suman. La figura 5 muestra el efecto de dichas protecciones de 230 V nominales. Se puede observar como aunque achatan la forma de onda, el valor de pico sigue superando los 1200 V, lo que está por encima de lo que pueden soportar muchos equipos.

6 HOJA 6 de 11 Figura 4: Simulación de tensiones en un rectificador trifásico a partir de una onda real

7 HOJA 7 de 11 Figura 5: efecto de los supresores de sobretensiones conectados entre fase y neutro

8 HOJA 8 de SOLUCIONES ENSAYADAS 3.1 Protección software La duración de las sobretensiones mostradas en las figuras es excesivamente larga como para ser tratada con supresores contra sobretensiones, tipo varistor o similar, porque no podrían soportar la cantidad de energía que tendrían que disipar. Por ello, como primera medida es necesario que los inversores incorporen una vigilancia de la tensión de alterna. Esta vigilancia tendría que dar lugar a una parada inmediata de la conmutación, en cuanto se observa el comienzo de la sobretensión. La figura 6 muestra el funcionamiento de una protección de este tipo incorporada en un inversor. Como se puede comprobar, se limita tanto el tiempo como la magnitud de la sobretensión. Figura 6: funcionamiento con protección rápida (3-4 milisegundos) Aunque el funcionamiento en este caso es mucho mejor que en los anteriores, se observa que todavía existen sobretensiones. En el caso de la figura, la tensión compuesta, o la que apreciaría en un bus de continua o como tensión inversa en un diodo, alcanza un valor de pico de aproximadamente 1100 V. La siguiente figura muestra el funcionamiento del inversor de otro fabricante, tras incluir una protección algo más rápida, que actúa en el entorno de 1milisegundo a partir de la detección de la sobretensión. En este caso se alcanzan tensiones de pico,

9 HOJA 9 de 11 entre fases, que no superan los 915 V. Aun y todo, la tensión entre fases llega a ser de del 162% de la nominal, y en la fase más afectada del 188%. Figura 7: funcionamiento con protección rápida (aprox. 1 milisegundo) 3.2 Supresión de sobretensiones Las sobretensiones que persisten, a pesar de la parada rápida de la conmutación, se podrían controlar con la utilización de supresores de sobretensiones. Sin embargo, su utilización entre fase y neutro ha demostrado ser ineficaz. Dado que el funcionamiento de los inversores es a tres hilos, sin neutro, dichas protecciones contra sobretensiones son más efectivas si se conectan entre fases, es decir, en triángulo, lo que permite obtener tensiones finales más bajas. Un ejemplo de esto es el ensayo de la figura 8, donde los supresores reducen el valor de pico de la tensión compuesta un 30%. Para poder utilizar dichos supresores sin que se destruyan, es necesario dimensionarlos de acuerdo a la energía entregada por cada modelo de inversor. Por tanto, tienen que ser los fabricantes quienes dimensionen estos equipos, teniendo en cuenta la potencia total del inversor y el tiempo de actuación de su protección contra sobretensiones. Asimismo, los ajustes de la detección software de la sobretensión deberían estar

10 HOJA 10 de 11 coordinados con la tensión residual que dejen los varistores, de manera que se garantice el disparo aunque los supresores estén conectados. En los casos en que se utilicen supresores, los protocolos de mantenimiento de la instalación deben tener en cuenta que este tipo de protección requiere revisión y, cuando llega a final de vida, sustitución. Además, el funcionamiento del inversor debería estar condicionado al buen estado del sistema de supresión de sobretensiones. Para ello los supresores y el interruptor automático que los protege deben disponer de contactos que detengan el inversor en caso de fallo. Figura 8: Utilización de supresores de sobretensiones entre fases. Tensión fase neutro y corrientes por el supresor.

11 HOJA 11 de CONCLUSIONES De manera transitoria, durante el paso a isla, los inversores fotovoltaicos emiten fuertes sobretensiones. Dichas sobretensiones no solo afectan a los equipos de baja tensión, sino que se transmiten a la red de alta tensión. Es necesario que los inversores dispongan de una vigilancia de sobretensiones en el lado de alterna, que provoque una parada rápida de la conmutación del inversor. Adicionalmente, se pueden utilizar supresores de sobretensiones, específicamente dimensionados para este caso, hasta conseguir reducir los valores máximos de tensión a límites admisibles por la generalidad de los equipos conectados a la red. Para determinar el alcance real de este problema sería necesario conocer el funcionamiento de los distintos tipos de inversores utilizados en España ante este tipo de paso a isla. Para ello, las preguntas a responder por los fabricantes de inversores serían: Que valor de sobretensión generan sus inversores al quedarse en isla, alimentando a transformadores sin carga? Cuanto tiempo duran esas sobretensiones? Que protecciones software tienen los inversores para evitar este problema? Dispone de supresores de sobretensiones específicamente dimensionados para evitar este problema?

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