NUEVOS PROCEDIMIENTOS DE OPTIMIZACIÓN

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1 NUEVOS PROCEDIMIENTOS DE OPTIMIZACIÓN 1

2 NUEVOS PROCEDIMIENTOS DE OPTIMIZACIÓN La optimización de una planta tiene dos puntos principales: En los paneles: Todos los paneles agrupados deben trabajar en su punto de máxima potencia. Pérdidas por mismatch. Estudio detallado de las características de cada inversor individual: TESTEO En el inversor: Como la potencia de entrada es variable: Pérdidas en inversor. Métodos diversos. 2

3 Visto el inversor como un todo las pérdidas dependen de los siguientes factores: El factor de potencia: no es igual el rendimiento a factor de potencia unidad que a factor de potencia inductivo o capacitivo. El factor de carga: es la potencia de salida respecto a su nominal en tanto por ciento. Suelen estar diseñados para obtener su mejor rendimiento a una potencia dada. (el 50% de la nominal aprox.) puesto que la mayor parte del tiempo estará funcionando alrededor de esa potencia. 3

4 Convertidores CC/CA La tensión de entrada: gran problema para determinar el rendimiento de un inversor ya que esta puede ser variable debido a la naturaleza de las plantas fotovoltaicas. Depende: Tipo de semiconductor usado y de su circuito de disparo (driver). Si es de conexión a red con transformador - >mayor rendimiento a baja tensión, mientras que uno sin transformador (transformerless) (España no) lo suele tener a mayor tensión. 4

5 Convertidores CC/CA muy difícil mostrar una única gráfica de rendimiento puesto que depende de diversos factores muy cambiantes en las plantas fotovoltaicas. 5

6 Convertidores CC/CA Factor de rendimiento Europeo -> para uniformizar el rendimiento que se define de la siguiente forma: Se calculan unos tiempos de funcionamiento en % sobre su vida total anual. Favorece a los inversores cuya mejor eficiencia se sitúe en el 50% de su carga nominal. Las eficiencias a bajas potencias, así como la calidad de la onda generada es realmente muy pobre y ello perjudica a la carga receptora, ya sea la red o el electrodoméstico que tengamos conectado. 6

7 Convertidores CC/CA Problemática y soluciones Topología H4 Topología H6 Topología H5 Topología HERIC Topología UltraEta de REFU Sistema MIX de Fronius Sistema MODEN Sistema CPD/TEAM Sistema String de ASM Otros sistemas. 7

8 Problemática 1/3 Transformador: 2% aprox.de pérdidas + aumenta coste Gran impulso a los inversores transformerless para lograr una mayor eficiencia, economía y ligereza En estos inversores se ha de exigir que cuenten con mecanismos de seguridad adicionales:pruebas de resistencia de aislamiento y de medición de corriente residual (RCD) para asegurar que sean tan seguros como los inversores con transformador. Difícil en fenómenos de descarga, sobretensiones y cortocircuitos, fenómenos mucho más rápidos que cualquiera de los elementos mencionados. 8

9 Problemática 2/3 También como consecuencia de eliminar el transformador, se elimina también el acceso al neutro de la red y por ello a un punto de referencia común al inversor y a la carga, en este caso la red. -> módulo fotovoltaico forma flotante. Con ello una parte de la amplitud de tensión alterna llega al módulo. Esa tensión oscila con una frecuencia de 115 V/50 Hz. 9

10 Problemática 3/3 Consecuencia directa de esta tensión de flotación: capacidades parásitas de los módulos pueden llegar a ser de un valor entre 1nF y 5nF provocan corrientes de fuga considerables de hasta 50mA, Motivan constantes problemas de desconexión de los inversores, ya que que pueden hacer disparar las protecciones de aislamiento instaladas para proteger a personas de posibles descargas desde la instalación Con transformador con neutro para unir estructuras y/o punto medio de los paneles fotovoltaicos a tierra, la tensión de los módulos fotovoltaicos sólo fluctúa un ripple (rizado) de pocos voltios. 10

11 topología H4: inductancias divididas. Primer cambio en la topología respecto la convencional de puente monofásico La modificación consiste en dividir la bobina de filtrado en dos, una en cada rama, con el objetivo de igualar las impedancias vistas desde la entrada de continua positiva y la negativa, usando conmutación BIPOLAR (S1+S4; S2+S3; nunca cero). 11

12 topología H4: inductancias divididas. Cualquier otra topología y/o método de conmutación causan tensiones fluctuantes entre los paneles y tierra y provocan que la capacidad parasita del generador fotovoltaico aumente considerablemente La eficacia inversor puede subir entre el 96% y el 97% en inversores de hasta 10 kw. 12

13 Convertidores CC/CA topología HERIC High Efficiency and Reliable Inverter Concept desarrollado por la Universidad de Fraunhofer y comercializado por la empresa Sunways. 13

14 Convertidores CC/CA topología HERIC los polos de potencia S1-S4 y S3-S2 funcionan como un PWM convencional en montaje en puente monofásico H4 inductancias divididas Se sustituyen los diodos de libre circulación por las ramas de los polos S5 y S6. Además tiene la ventaja de mejorar el contenido armónico de la corriente de salida. GENERADOR SOLAR FLOTANTE AISLADO 14

15 Convertidores CC/CA topología HERIC Aumento de rendimiento a bajas cargas Impide la recirculación de corrientes y por lo tanto las pérdidas por capacidades parásitas. Mejora el contenido armónico de la corriente de salida. Como contrapartida necesita de un mayor número de polos de potencia 15

16 topología H6 de INGETEAM Se cambian los dos polos S5 y S6 de la topología de HERIC de la salida del puente a la entrada del mismo, evitando los diodos D1 y D2. Generador solar queda desconectado para evitar escalones de tensión: flotante respecto tierra. Así que cuando se genera tensión cero, S5 y S6 tienen que estar abiertos. 16

17 topología H5 de SMA Simplificación anterior patentada en SMA. Utiliza los interruptores S1 y S3 para generar tensión cero de salida, mientras los interruptores S5, S2 y S4 se cortan para desconectar el generador solar Mediante el uso de los polos S2 y S4 para desconectar el polo negativo del generador solar, se puede eliminar el polo S6 de la configuración anterior. 17

18 Convertidores CC/CA Topología UltraEta de REFU Inversores de Refu elektronik Factor de eficiencia Máximo superior al 98% Factor de eficiencia Europea superior al 97% en todo el rango de 400., 800VDC Novedoso PMP de seguimiento 18

19 Convertidores CC/CA topología REFU 19

20 topología REFU (fuente:revista Photon) Única topología de 5 niveles. Inversor trifásico dividido en dos etapas. Filtro de interferencias entre paneles y entrada CC. El dispositivo cuenta con un divisor capacitivo con punto medio conectado al cable neutro de red. Posee dos puentes trifásicos de salida, que están conectados en paralelo, tipo B6 20

21 topología REFU El primer puente está conectado directamente a la entrada CC. El segundo puente es alimentado por dos elevadores(booster) que se encuentran en el terminal positivo y en el negativo de entrada, los cuales alimentan un segundo divisor capacitivo. 21

22 topología REFU Para los pequeños valores instantáneos de las tensiones de la red, se hace conmutar el puente B6 de menor tensión (polos S11 a S16). Para valores superiores de la tensión instantánea, se usa el puente B6 de mayor tensión (polos S21 a S26). Para obtener valores de tensión cero con este puente se usan los polos S31 a S36 para los dos puentes. La misión de los diodos D11 a D16 es evitar los cortocircuitos entre los dos niveles de tensión continua que se producirían al conmutar los polos S21 a S26 y polarizarse los diodos de freewheeling de los polos S11 a S16 22

23 23

24 Convertidores CC/CA MIX de Fronius Sistema de trabajo Master-Slave. Varios puentes de baja potencia (2 2kW) trabajando en paralelo Objetivo: obtener buenos rendimientos a baja potencia de entrada. Un único control. Desventaja: muchos puentes para obtener grandes potencias. Potencias grandes limitadas. Ventaja: la rotura de un inversor no supone gran pérdida de producción. 24

25 Entrada MPP voltage range V V V Max. input voltage (at 1 kw/m²; -10 C) 530V 530V 530V Recommended PV plant output 24-31kWp 32-42kWp 40-52kWp Max. input current 123 A 164 A 205 A Salida Nominal output 24kW 32kW 40kW Max. power 24kW 32kW 40kW Max. efficiency 94,3% 94,3% 94,3 % Euro efficiency 93,3% 93,4% 93,5% Mains voltage / frequency 3NPE~400 V / 50 Hz Distortion factor < 5% Power factor 1 Power consumption at night 9w 25

26 MODEN Uso de ultracondensadores para regular la potencia proveniente de los paneles y así: Aprovechar los momentos de baja irradiancia Funcionar el cc/ca en su mejor rendimiento 26

27 DC/DC? PV = = = Red Ultracondensadores CC/CA 27

28 Estrategias MODEN Salida a potencia constante Salida a potencia constante, CC/CC Sistema mixto moden-convencional Salida a potencia constante, doble nivel 28

29 Convertidores CC/CA CPD / TEAM Varios campos de paneles de iguales características con conexionado variable a varios inversores en función de la potencia disponible Desventaja: conexionado más caro, necesidad de contactos de bajo consumo o consumo esporádico. Ventaja: a baja irradiancia, toda la potencia se dirige a un solo convertidor -> trabaja en su mejor rendimiento. Sombras, paradas de un campo fotovoltaico no supone un lastre para el resto. 29

30 Funcionamiento equipo CPD Funcionamiento aislado Grupo de paneles 1 Grupo de paneles 2 Grupo de paneles 3 Grupo de paneles C5 C6 C7 C1 C2 C3 C4 Inversor 1 Inversor 2 Inversor 3 Inversor 4 Contactores con retención mecánica en cable + Todos los cables - unidos 30

31 Funcionamiento equipo CPD 3 posibles configuraciones: Funcionamiento aislado P1 P2 P3 P4 Configuración 1 a 1 I1 I2 I3 I4 P 1 > P 2a1 P I1 =P 1 P1 P2 P3 P4 Configuración 2 a 1 I1 I2 I3 I4 P 4a1 < P 1 < P 2a1 P I1 =2 P 1 P1 P2 P3 P4 Configuración 4 a 1 I1 I2 I3 I4 P 1 < P 4a1 P I1 =4 P 1 31

32 Funcionamiento equipo CPD Funcionamiento master-slave CPD MASTER C8 (accionado por slave) CPD SLAVE Línea comunicación MASTER-SLAVE Funcionamiento independiente para P 1 > P slave (Configuración 4 a 1 si P slave < P 1 < P 4a1 ) Configuración 8 a 1 para P 1 < P slave. Inversor 1 de master Misma tarjeta para ambos equipos. 32

33 Funcionamiento equipo CPD Potencias de cambio Rendimiento de inversores para diferentes potencias de entrada y configuraciones: P 1 (w) 8 a 1 4 a 1 2 a 1 1 a ,14 83,75 76,64 65, ,43 92,13 89,14 83, ,77 91,07 87, ,64 92,13 89, ,43 92,42 90, ,37 92,52 90, ,95 92,77 91, ,74 91, ,64 92, ,51 92, ,43 92, ,37 92, José 91,9Antonio 92,78 Domínguez Vázquez Configuración 8 a 1 P 1 < 475 w Configuración 4 a w < P 1 < 950 w Configuración 2 a w < P 1 < 1900 w Configuración 1 a 1 P 1 > 1900 w 33

34 Funcionamiento equipo CPD Rendimiento (%) 100 Equipo convencional Equipo Convencional P1 P2 P3 P I1 I2 I3 I P I1conv = P 1 = 500 w η = 84,78 % P sal = 0 4 η P I1conv = 1695,6 w w Ejemplo funcionamiento 84,78 % 900 Rendimiento inversor CC/CA P 1 = 500 Equipo w CPD 1100 Ganancia: 154,8 w w ,52 % ,37 % Equipo CPD P1 P2 P3 P4 I1 I2 I3 I4 P 1 < P 4a1 Configuración 4 a 1 P I1CPD = 4 P 1 = 2000 w Potencia de entrada (w) η = 92,52 % P sal = η P I1conv = 1850,4 w

35 Funcionamiento equipo CPD Comparación de rendimientos 35

36 STRING CC/CC CC/CC CC/CC CC/CC CC/CA 36

37 Convertidores CC/CA: Sistema STRING Varios campos de paneles de distintas características con conexión a un único inversor Desventaja: al haber varios reguladores CC/CC peor rendimiento. Ventaja: sombras, paradas de un campo fotovoltaico no supone un lastre para el resto. Posibilidad de tener campos de paneles de distintos fabricantes (actualización de viejas plantas) Conclusión: ventajas compensan pérdidas en CC/CC 37

38 Convertidores CC/CA: Otros Sistemas: SolarMagic (National Semiconductors) Sistema conectado entre paneles para evitar problemas por sombreados CC/CC CC/CC CC/CC 38

39 Convertidores CC/CA: Sistema SolarMAgic CC/CC CC/CC CC/CC 16V/4 A (64w) si se sombrea 16V/1 A (16w) Nos limita la corriente de toda la serie!!! Por lo tanto: conversión de 16v/1 A -> 4v/4 A para no limitar al resto. 39

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