Energía solar fotovoltaica. conectados a la red eléctrica

Transcripción

1 Nota técnica Energía solar fotovoltaica sistemas conectados a la red eléctrica Por Ing. Juárez Guerra, Finder Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica de baja tensión son generadores distribuidos que tienen módulos solares fotovoltaicos como fuente primaria de energía. Veremos la integración de éstos con la red eléctrica, en relación con el caso de Brasil. Una nueva resolución de Brasil permite que las personas físicas y jurídicas de ese país tengan generación propia con sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica hasta la potencia instalada de 1 MW, y establece las orientaciones generales para la inserción de sistemas fotovoltaicos conectados a la red, sin embargo, las exigencias y las características de esas conexiones serán establecidas por las empresas concesionarias a partir de normas técnicas nacionales e internacionales. Organización de los sistemas inversor electrónico, responsable fotovoltaicos conectados a la por la inyección de la energía eléctrica producida en la red eléctrica. red eléctrica La organización básica de un Además de éste y de los módulos sistema fotovoltaico conectado a fotovoltaicos, que son los componentes básicos del sistema, se em- la red eléctrica se ve en la figura 2. En los sistemas fotovoltaicos plean accesorios para la protección de las instalaciones eléctricas no son necesarios los relés de sincronismo y protección normalmente empleados en sistemas ba- El sistema fotovoltaico está y del propio sistema fotovoltaico. sados en otras fuentes de energía. conectado directamente a la instalación eléctrica interna de la Todos los recursos de protección y sincronismo son realizados por el empresa o residencia en el punto Figura 1 40 Ingeniería Eléctrica Mayo 2013

2 Figura 2 de unión con la red, utilizándose un cuadro de protección de CA, constituido de disyuntores y dispositivos de protección contra sobretensiones, En este artículo vamos a centrar nuestra atención en el inversor electrónico, analizando sus funciones y sus recursos de protección. ítems comúnmente empleados en las instalaciones eléctricas de baja tensión. En cuanto a la corriente continua, si los módulos fotovoltaicos son pocos, pueden conectarse directamente al inversor o pueden ser agrupados en cajas de cadenas (conjuntos de módulos conectados en serie). Además de los fusibles de protección y seccionadores, las cajas de cadenas pueden Inversores para sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica El inversor electrónico usado en sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica tiene como función básica la conversión de la energía eléctrica de corriente continua a alterna. Cuando está conectado a la red, el inversor se comporta como una fuente de incorporar un dispositivo de corriente, inyectando corriente protección contra sobretensiones de corriente continua. eléctrica senoidal pura (con baja distorsión armónica) en sincronismo con la forma de onda de la tensión. Además de hacer esto, el inversor incorpora diversas funciones necesarias para el aprovechamiento de la energía fotovoltaica y la conexión segura con la red, como ilustra la figura 3. Sistema de control de corriente El sistema de control de corriente del inversor electrónico es responsable de la conversión CC-CA y del formateo de la corriente inyectada en la salida. En los inversores disponibles comercialmente, el control de corriente, como las demás funciones del inversor, es realizado por un sistema microprocesado. El principio de funcionamiento del control de corriente se basa en la lectura del valor instantáneo de la corriente en la salida del inversor, obtenido por medio de un sensor, y su comparación con una señal de referencia. La señal de referencia, que tiene forma de onda senoidal, es obtenida a partir de informaciones generadas por el sistema de sincronismo con la tensión de la red y por el sistema de rastreo de máxima potencia fotovoltaica (MPPT), que será explicado a continuación. El sistema de sincronismo empleado en los inversores puede ser Ingeniería Eléctrica Mayo

3 Nota técnica una simple lectura de tensión de la red por medio del detector de cruce por cero o un sistema de PLL (phase-locked loop) que produce una señal senoidal pura con la misma frecuencia y la misma fase del componente fundamental de la tensión de la red eléctrica. Con base en el resultado de la comparación entre la corriente instantánea y la señal de referencia, el sistema electrónico de control de corriente comanda la apertura y el cierre de los transistores electrónicos del inversor, permitiendo la síntesis y la inyección de corriente senoidal en la red eléctrica. Debido a que la corriente en la salida del inversor es producida electrónicamente, por Figura 3 medio de un sistema que utiliza la información de la propia tensión de la red para la síntesis de la corriente, cualquier otro dispositivo de sincronización y protección son necesarios en los sistemas fotovoltaicos conectados a la red. Sistema de detección de aislamiento El recurso de detección de islanding o anti-islanding está exigido por las normas que rigen la conexión de los sistemas fotovoltaicos a la red eléctrica, ya que es necesario para garantizar la seguridad de las personas, equipamientos e instalaciones en las situaciones de islanding del sistema fotovoltaico, o sea, interrupción del suministro de energía de la red eléctrica pública. El objetivo del recurso de la detección del islanding es desconectar el inversor de la instalación eléctrica, cesando el suministro de corriente, en caso de fallas en la red de eléctrica o en su ausencia (situación de islanding), como también cuando el sistema fotovoltaico sea capaz de superar la demanda de energía local. Los métodos de detección de islanding existentes están divididos en tres categorías, conforme a su principio de operación: remotos, pasivos y activos. Los métodos remotos son los más recientes y pasarán a ser idealizados con el avance en la tecnología de comunicaciones y el surgimiento de los sistemas de redes inteligentes. Esos métodos pueden ser más eficaces que los métodos pasivos y activos, sin embargo, por ahora son más caros y no se utilizan mucho. Los métodos pasivos consisten en la detección de anormalidades en las grandezas eléctricas (valor RMS de la tensión y frecuencia) en el punto de acople con la red para determinar la existencia del islanding. Los métodos activos, a su vez, se emplean para evitar las deficiencias de los métodos 42 Ingeniería Eléctrica Mayo 2013

4 pasivos cuando éstos no son capaces de detectar correctamente el islanding. Los métodos activos disminuyen las perturbaciones en la corriente eléctrica suministrada por el inversor y verifican la respuesta de la red eléctrica a esas perturbaciones. El método activo de detección de islanding más empleado en los inversores comerciales es el desvío de frecuencia activa (AFD -Active Frequency Drif-). En este método, un componente de corriente de frecuencia ligeramente superior a la frecuencia de la red eléctrica es inyectado en el sistema con el objetivo de provocar una posible alteración en la frecuencia de la tensión en el punto de acoplamiento con la red. Cuando la red está en funcionamiento normal, las distorsiones introducidas en la corriente de salida del inversor no son percibidas por la red. Si hubiera islanding, Figura 4 esta corriente distorsionada haría que la tensión en el punto de acople común sufra distorsiones y cruce el cero en un instante diferente de lo esperado, causando variaciones en la frecuencia de la red. Esas modificaciones implican aumentos o disminuciones de la frecuencia que, al ser percibidas por el detector pasivo del inversor, originan una señal de cierre del inversor, desconectándolo de la instalación eléctrica y cerrando su sistema de control de corriente. La figura 4 muestra el aspecto de la corriente eléctrica intencionalmente distorsionada producida por el inversor debido al método AFD. La distorsión, representada por la presencia de un tiempo muerto TZ es imperceptible en situaciones normales y se nota solo en caso de islanding del sistema fotovoltaico. Sistema MPPT El MPPT (maximun power point tracking), o rastreo del punto de máxima potencia, es un recurso presente en todos los inversores para la conexión de sistemas fotovoltaicos a la red eléctrica. Tiene el objetivo de garantizar instantáneamente la operación del sistema en su punto de máxima potencia, independientemente de las condiciones de temperatura y radiación solar. Todos los inversores comer- Figura 5 Ingeniería Eléctrica Mayo

5 Nota técnica ciales utilizan alguna variación del método MPPT de perturbación y observación, ilustrado en la figura 5. El MPPT funciona por medio de un algoritmo muy simple, que consiste en perturbar la operación de los módulos, alterando intencionalmente la tensión en sus terminales, y observar lo que pasa con la potencia suministrada. El sistema MPPT ofrece al sistema de control de corriente la información sobre la amplitud de la corriente que debe ser producida en la salida del inversor, cambiando instantáneamente el flujo de la potencia inyectada en la red eléctrica. Indirectamente, la tensión y la corriente de los módulos fotovoltaicos, en la entrada del inversor, son reguladas por la modulación de la corriente de salida del inversor. La figura 6 muestra el resultado de la actuación de un sistema MPPT sobre la tensión de entrada del inversor, que es la tensión de los módulos fotovoltaicos. Como las condiciones de radiación varían, hecho comprobado por las variaciones de la corriente fotovoltaica a lo largo del tiempo, la tensión de los módulos se ajusta automáticamente por el sistema MPPT. La corriente resultante en la salida del inversor está modulada de acuerdo con la condición de irradiación solar y con la actuación del MPPT. Principales características de los inversores para la conexión a la red Potencia nominal Los inversores empleados en micro y minigeneración son monofásicos, con potencias generalmente de hasta 5 kw. La constitución de sistemas trifásicos puede ser hecha con la colocación de inversores monofásicos en conexión trifásica. Banda útil de tensión continua en la entrada La banda útil de tensión en la entrada es el intervalo de valores Figura 6 de tensión de entrada en el cual el inversor puede operar. Es también la banda de tensión en la cual el sistema MPPT del inversor consigue maximizar la producción de energía de los módulos fotovoltaicos. Generalmente, los inversores para la conexión a la red eléctrica son construidos para recibir conjuntos con varios módulos conectados en serie, con tensión de salida de varias centenas de volts. La especificación de una banda de tensión de MPPT significa que el punto de máxima potencia del conjunto de módulos fotovoltaicos debe estar situado dentro de esta banda para que el inversor pueda maximizar la producción de energía de los módulos. Conjuntos de módulos con tensiones de salida abajo o encima de los límites de la banda de MPPT del inversor no dan buenos resultados, perdiendo eficiencia del sistema fotovoltaico. Tensión continua máxima en la entrada Éste es el valor máximo absoluto de la tensión admisible en la entrada del inversor. La tensión máxima soportada por el inversor está relacionada con la tensión de circuito abierto de los módulos fotovoltaicos. La tensión de circuito abierto está presente en los terminales de 44 Ingeniería Eléctrica Mayo 2013

6 los módulos cuando éstos no proporcionan corriente eléctrica. También cuando no están en funcionamiento, cuando el inversor está desconectado de la red eléctrica, los módulos fotovoltaicos aplican tensión al inversor y el límite máximo debe ser respetado, bajo riesgo de dañar los componentes electrónicos internos del equipamiento. El valor de la tensión máxima soportada por el inversor limita al número de módulos que pueden ser colocados en serie. El proyectista del sistema fotovoltaico debe consultar la hoja de datos de los módulos empleados y determinar el número máximo de módulos con base en la información de la tensión de circuito abierto ofrecida por el fabricante. Tipo de aislamiento Los inversores para sistemas conectados a la red eléctrica pueden poseer o no un transformador de aislamiento. La presencia del transformador hace al sistema fotovoltaico más seguro, ya que posibilita la aislación completa entre el lado CC (módulos fotovoltaicos) y el otro lado CA (red eléctrica). Un aspecto importante en los inversores con transformador es la localización de este dispositivo: en la etapa de preconversión CC (transformador de alta frecuencia) o en la salida de la etapa CA (transformador en la frecuencia de la red eléctrica o de baja frecuencia). Los inversores con transformador de baja frecuencia son los más comunes en el mercado. En general, son más eficientes que los inversores con transformador de alta frecuencia, pero son más pesados y voluminosos debido a la presencia de un transformador toroidal. En algunos catálogos de fabricantes, ese tipo de inversor es denominado por la sigla LF (low frecuency), indicando que se trata de un inversor con transformador de baja frecuencia. Los inversores con transformadores de alta frecuencia, generalmente identificados con la sigla HF (high frecuency), en los catálogos de los fabricantes, tienden a ser más compactos, con una ligera pérdida de la eficiencia. Los inversores sin transformador, identificados con la sigla TL (transformerless) en los catálogos, son los más leves, compactos y eficientes. Esta tecnología de inversores fue la última en ser desarrollada y autorizada para la utilización en los países que iniciaron el uso de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica. Actualmente, los inversores sin transformador son certificados por las normas internacionales, y ofrecen los mismos recursos y la misma seguridad que sus semejantes con transformador. Aislamiento con transformador para módulos de films finos La presencia del trasformador de aislamiento en el inversor facilita la conexión a tierra de los módulos fotovoltaicos y es muy importante en los sistemas basados en módulos de films finos, que necesitan, conforme a la tecnología empleada, tener los terminales positivo o negativo del conjunto de módulos con conexión a tierra para evitar la degradación de las células fotovoltaicas. En estos casos es recomendable el empleo de un inversor con aislación por transformador o un inversor sin transformador que haya sido proyectado específicamente para aplicación con módulos de films finos. El fabricante del inversor debe ser consultado sobre la adecuación del producto a la tecnología de films finos y sobre los requisitos necesarios para la instalación de sistemas de este tipo. Algunos fabricantes ofrecen accesorios (kits de conexión a tierra), que deben ser adquiridos por separado e instalados en los inversores para realizar el aterramiento correcto de los módulos de films finos. Ingeniería Eléctrica Mayo