Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red Eléctrica. Sistema de acondicionamiento de potencia (Inversores)

Transcripción

1 Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red Eléctrica Sistema de acondicionamiento de potencia (Inversores) 1

2 Inversores Métodos de conmutación: Inversores controlados por la red o conmutados por línea Tiristores Capacidades: Mediana a alta potencia ( kw) Inversores autoconmutados tipo PWM Interruptores controlables (MOSFETs, GTOs e IGBTs) Capacidades: Varios cientos de watts, hasta 500 kw aprox. 2

3 Inversores Clasificación de acuerdo al parámetro modulado: Inversores de voltaje controlado Autoconmutados Inversores de corriente controlada Conmutados por línea Autoconmutados Clasificación de acuerdo con las características de la fuente de alimentación (CD): Fuente de corriente Conmutados por línea Fuente de voltaje Autoconmutados 3

4 Características de los inversores con control de voltaje y de corriente Tipo Control de Corriente (autoconmutado, PWM) Ventajas Control simple y robusto Control simple y directo sobre el flujo de potencia activa y reactiva Protección inherente contra sobrecorriente Bajo contenido armónico (fácil filtrado) Bajo peso y volumen si conmuta a alta frecuencia Desventajas No puede operar en modo aislado para alimentar cargas residenciales o cualquier tipo de carga no lineal Requiere frecuencia de conmutación de mediana a alta (>5 khz) Limitado a capacidades <50 kw aproximadamente Control de Corriente (conmutado por línea) Control de Voltaje (PWM) Amplio rango de potencia (varios MW) Control simple y robusto Bajo costo (el más bajo si P>50 kw) Alta eficiencia (>95%) Puede operar en modo aislado de red Bajo contenido armónico (fácil filtrado) FP ajustable (normalmente unitario) Bajo peso y volumen si conmuta a alta frecuencia No puede operar en modo aislado Alto contenido armónico en la señal de salida, requiere filtrado Bajo FP, requiere compensación Esquema de control complejo Alto costo en potencias >50 kw Su rango de potencias es amplio pero está limitado a <500 kw aproximadamente 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. 4

5 Inversores Frecuencias de conmutación: Baja frecuencia (<2 khz) Inversores de medianaalta 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 (210 khz) Potencias medias (10 50 kw) Mejor opción técnicoeconómica 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% 5

6 Configuraciones básicas del circuito de potencia: a). Puente 1ф, y b). Puente 3ф T1 T3 L fc T x L 1 Vpv Cf i N RED T4 T2 Cargas locales Lf i (a) T2 T6 T4 TX L 1 Vpv Cf i L 2 RED L 3 T1 T5 T3 (b) Cargas locales 6

7 Rangos de operación de inversores según su tipo Método de Conmutación Parámetro Modulado Circuito de Potencia Frecuencia de Conmutación Rango de Potencia Conmutado por línea Corriente Norm. 3 Frecuencia de la red Media a alta (normalmente kw) 1 > 10 khz Pequeña (normalmente <10 kw) Autoconmutado (PWM) Tensión Hz 20 khz > 10 khz Pequeña a media (5 500 kw) Pequeña (normalmente <10 kw) Corriente 3 5 khz 20 khz Pequeña a media (5 50 kw) 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. 7

8 Inversores Dispositivos semiconductores de potencia: 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 el circuito de potencia Interruptores controlables Los estados de conducción y bloqueo son mandados por señales de control (GTOs, BJTs, MOSFETs e IGBTs) 8

9 Características de los semiconductores de potencia DISPOSITIVO TIRISTOR GTO BJT MOSFET IGBT SÍMBOLO MÉTODO DE CONTOL Pulso de corriente de compuerta para entrar en conducción (hasta 1/5 de la corriente manejada). Se apaga al extinguirse la corriente de ánodocátodo) 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) Corriente de base suficiente para que entre en saturación (ganancia típica 5 a 10) Voltaje de compuerta (hasta 20 V) Voltaje de compuerta (hasta 25 V) CAIDA DE VOLTAJE 1 a 2 V 2 a 3 V 1 a 2 V 2 a 7 V 2 a 3 V CORRIENTE MÁXIMA 1 10 ka 3 ka 300 A 100 A 600 A VOLTAJE MÁXIMO 7 kv 5 kv 1500 V 1000 V 1200 V TIEMPO DE CONMUTACIÓN 2 20 ms 20 ms 1 ms 100 ns 600 ns FRECUENCIA DE CONMUTACIÓN 3 Frecuencia de la línea Baja Mediana a alta Alta Mediana a alta COSTO COMPARATIVO Bajo Un poco mayor que el tiristor Alto Mayor que el BJT Similar al BJT 1. En MOSFETs la capacidad de corriente máxima no está disponible con la capacidad de voltaje máxima. 2. El tiempo de conmutación presentado es el típico en capacidades máximas y se reduce con la capacidad. 3. La frecuencia de conmutación factible guarda una relación inversa con la potencia del dispositivo. 9

10 Inversores conmutados por la red Características principales La conmutación de los interruptores depende de la señal de voltaje 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 10

11 Características de la señal de salida Lf i P Id T2 T6 T4 Red Vcb Ic Lc Vcn Vca Vc Vab vcd Cf i vd T5 T3 Ib Ia T1 Lb La Vbn Van n Vba Vb Va Vac N Vbc 0 Io Ia Van Inversor 3ф conmutado por línea, formas de onda 11

12 Inversor conmutado por línea de 12 pulsos INVERSOR CONMUTADO POR LÍNEA CON SEÑAL DE SALIDA DE 12 PULSOS vcd Lf i Id 2 Vd1 P1 ibs1 bs1 ics1 cs1 ib ic b c Red ias1 ia1 Id 2 Id 2N 0 /2 3 /2 2 ias1 as1 ia a ian2 Id 2 Lf i Id 2 P2 ics2 cs2 ia ics2 Id 2 Vd2 ibs2 bs2 iac2 iac Id 3 Id 6 N ias2 as2 ia2 Id 3N Id 2 3N ia (ia1 ia2) vcn vcs2n vas2n van vac Ref. vbs2n vbn el FP mejora ligeramente El contenido armónico es menor que en el caso de un convertidor de 6 pulsos 12

13 Curva típica de la eficiencia Efficiency (%) PCU Efficiency INVERTER Efficiency Pin (kw) Inversor de 6 pulsos 13

14 Inversores autoconmutados Características principales La conmutación de los interruptores y su sincronización con la red es ordenada por el control del inversor Conmutación PWM (Pulse Width Modulation) Su salida se puede modular como fuente de corriente o de voltaje V ENTRADA 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 técnicoeconómica en potencias pequeñas y sistemas monofásicos 14

15 Inversor PWM monofásico, tipo fuente de voltaje, esquema unipolar vd TA A DA TB B DB io vo Lfc Vred vp vr A (b) vportadora vr M vr vp TC DC N TD DD ga 0 gc (c) 0 vo (d) vd (van vbn) io vd (e) FP ajustable, normalmente muy cercano a 1 en el rango de potencia de 10 al 100% 15

16 Inversor de corriente controlada fs ir vcd Cf i CONTROL DE CORRIENTE ir ic vc Lf (a) ic ir GENERADOR DE SEÑAL SENOIDAL vred ic vred Su controlador es más simple y robusto El control de transferencia de potencia es más fácil y directo Protección inherente contra corto circuito y contra picos de corriente Costo más bajo Su rango de potencia es limitado ic (b) 16

17 Inversor con una etapa de potencia con transformador de baja frecuencia, 3ф, 35 kw Ig Hall sensor Q1 Q3 Q5 Cg a TRAFO UR AC Ug b US AC c UT AC Q2 Q4 Q6 C1 C2 C3 Trennverstaerker PWM Generator Sinus EPROM AD Wandler PWM Amplitude RS 232 C LP Program EPROM Data Control 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 17

18 Inversor con dos etapas de potencia 1ф, con transformador de 60 Hz Convertidor Stepdown Inversor 60 Hz Mosfet Cfi vx vred vx 2 18

19 1 Inversor multietapa 1ф, con transformador de alta frecuencia vg vx vy vred vx t vy vred 2 t 1 ф, eficiencia alrededor de 90%, construcción muy compacta, bajo peso y volumen, baja pot. ( W) Principal limitación respecto a su viabilidad: el costo 19

20 Curvas típicas de eficiencia a) Inversor Ecopower ; b) Inversor Solcon 100 Eficiencia (%) Potencia de salida (%) Eficiencia del inversor (%) SOLCON 3400 HE Potencia de salida (%)

21 Transferencia de potencia a) Inversor de corriente controlada; b) Inversor de voltaje controlado s Ls ic ic vl ic vc vred vc vl vred (a) (b) Ecuaciones fundamentales V V c L V L V j L s I red c Fasores de la interconexión. a) Diagrama general, b) Diagrama de inversión con FP unitario C vl vc vl I c V c V j L red s ic (a) vred ic (b) = 0 vred 21

22 Transferencia de potencia Inversores de corriente controlada (tipo fuente de corriente) P I c V red cos Q I c V red sen Para regular la transferencia de potencia es necesario controlar la magnitud y ángulo de fase de la señal 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. Inversores de voltaje controlado (tipo fuente de voltaje) P VredVc Vred sen Q V c cos Vred L L s s 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 que produzca la variación de potencia activa al nivel deseado, mientras la potencia reactiva se mantiene en cero; por lo tanto, la función de control es un tanto más complicada en este tipo de inversores 22

23 Requerimientos de los inversores para conexión a red 23

24 Requerimientos de los inversores para conexión a red Seguimiento del punto de máxima potencia (PMP) Factores que afectan el voltaje de circuito abierto Temperatura del módulo (Voc varía a razón de 2 mv/ºc aprox. en el caso 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 por el 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 del generador FV mediante el control del ángulo de disparo de los tiristores En inversores autoconmutados, el uso de un convertidor CD/CD (stepup o stepdown) 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 los anchos de pulso. 24

25 Requerimientos de los inversores para conexión a red Bajo nivel de distorsión armónica 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 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 Método convencional: monitoreo de voltaje y frecuencia, y desconexión en caso de salirse de los límites establecidos. En general produce buenos resultados Adicional mente, un método de protección para condiciones bajo las cuales el monitoreo de voltaje y frecuencia no son suficientes para lograr la desconexión oportuna de los generadores 25

26 Alta eficiencia con carga nominal y parcial 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, en virtud de que el inversor opera en el rango medio y bajo de potencia la mayor parte del día Las pérdidas en vacío deben ser mínimas (Pvacío 1% de Pnom) 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 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 corriente reactiva se realiza por medio de bancos de capacitores con incrementos discretos, por lo que resulta difícil el ajuste preciso 26

27 Requerimientos de los inversores para conexión a red Funciones: Aislamiento eléctrico entre el generador y la red 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 de manera estricta para la operación del sistema 27

28 Requerimientos de los inversores para conexión a red Interferencia electromagnética (IEM) dentro de los límites especificados en las normas La IEM afecta principalmente señales de radio, televisión y de telecomunicaciones en general Afecta a los equipos que lo producen, haciéndolos susceptibles a errores de control y por ende menos confiables 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 28

29 Requerimientos de los inversores para conexión a red Soporte de picos de voltaje transitorios y señales de control de la red Los semiconductores de potencia deben tener la capacidad de bloquear voltajes sensiblemente superiores a los de la red sin sufrir daño El control debe discernir entre desviaciones de voltaje y picos de voltaje transitorios 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 de baja 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 29

30 Requerimientos de los inversores para conexión a red Otras características deseables del inversor Relacionadas básicamente al rendimiento, operabilidad, seguridad y factibilidad de mantenimiento. No son imprescindibles para su funcionamiento Operación automática (arranque y paro dependiendo de las condiciones de insolación) Suministro local de energía para el control del arreglo FV (evitar que el sistema consuma energía de la red por la noche) Manejo de sobrecarga (desplazar el punto de operación del generador FV a la derecha del PMP) Detección de fallas a tierra (evitar riesgos de incendio y/o condiciones inseguras a las personas Bajo nivel de ruido audible (evitar la conmutación en el rango de 6 a 20 khz Instrumentación adecuada, operación simple (Va, Ia, Ired, modo de operación y alarmas de falla 30

31 Estatus actual de la tecnología 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 solo módulo FV (concepto modular) El desarrollo de módulos solares de una sola celda se encuentra en etapa de investigación. Se estudia la posibilidad de extender el concepto del inversor modular a este tipo de paneles cuyas características primordiales de salida son bajo voltaje (1 V) y alta corriente (100 A). Estaciones centrales Los inversores conmutados por línea de 12 pulsos siguen siendo la mejor opción Inversores autoconmutados de gran capacidad (hasta 500 kw) en proyectos de demostración y desarrollo tecnológico (por su alto costo) 31

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