Energía solar fotovoltaica: sistemas conectados a la red eléctrica, requisitos para la conexión y protecciones

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1 Aplicación Energía solar fotovoltaica: sistemas conectados a la red eléctrica, requisitos para la conexión y protecciones Por Ings. Juárez Guerra, director de Finder Argentina y Finder Brasil; Gazzolli y Gradellavillalba, dueños de Eudora Solar del Este Resumen En este artículo vamos a abordar los requisitos técnicos para la conexión de sistemas de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica y los dispositivos de protección contra sobretensiones. técnicas que empezaron a estar disponibles en las concesionarias de electricidad, esperando la entrada y la expansión en 2013 de los sistemas fotovoltaicos de autoproducción de electricidad. Las normas y los procedimientos elaborados están conformes Desarrollo Las empresas y los miembros de las academias están haciendo un gran esfuerzo en Brasil para crear las normas con los requisitos de los equipamientos para energía solar fotovoltaica y las instalaciones eléctricas para la conexión de sistemas a la red eléctrica. Los trabajos realizados por comités técnicos responsables por la elaboración de las normas IEC ABNT y por los grupos de trabajo de la Asociación Brasilera de la Industria Eléctrica y Electrónica -ABINEE- fueron la base para la elaboración de notas Figura 1 68 Ingeniería Eléctrica Julio 2013

2 a la resolución N 482/2012 de ANEEL, que regula los sistemas de micro y minigeneración conectados a las redes de distribución de baja tensión, y también brinda capacitación de mano de obra para atender el mercado fotovoltaico. Como esto es todavía muy novedoso, Brasil aún está carente de profesionales, incluyendo ingenieros proyectistas y técnicos para montaje, instalación, configuración y pruebas de sistemas de generación fotovoltaica. Los grupos de trabajo de ABINEE toman medidas para tratar las necesidades de perfeccionamiento de los profesionales Figura 2 (*) A partir de la solicitud de visita por parte del usuario ya formados, según el gráfico presentado en la figura 1, para que la energía solar fotovoltaica pueda ser incluida en los currículos de los cursos técnicos profesionales. Requisitos técnicos para la conexión de sistemas fotovoltaicos a la red eléctrica Los requisitos técnicos para el acceso a sistemas de generación fotovoltaica a las redes de distribución de baja tensión son elaborados por las concesionarias basándose en normas brasileras e internacionales. Pueden variar de una empresa a otra, mientras tanto, siguen las directrices discutidas en el Grupo Sectorial de Energía Fotovoltaica de ABINEE y los requisitos presentados en las normas IEC 62116:2012 (Procedimiento de ensayo anti-islanding para inversores de sistemas fotovoltaicos a la red eléctrica), IEC (Sistemas Fotovoltaicos Características de la conexión con la red eléctrica) e IEC (Instalación de sistemas fotovoltaicos). A continuación serán discutidos algunos de los requisitos que deben tener en cuenta los usuarios que desearan instalar sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica de baja tensión. Procedimientos de acceso El usuario interesado en conectar un sistema de generación fotovoltaica a la red eléctrica deberá seguir los procedimientos establecidos por la concesionaria. En general se exige llenar un formulario de acceso, donde se indican las características de los equipamientos empleados, la potencia instalada y otras informaciones pertinentes. La solicitud deberá estar acompañada de una nota de responsabilidad técnica del proyecto del sistema de generación, asignada por el ingeniero electricista responsable. Luego, la concesionaria tendrá un plazo para emitir un juicio técnico, aprobando o no la solicitud de acceso. En caso de ser favorable, se procede a la generación de un contrato de relación operacional, a partir del cual el consumidor tendrá la autorización para iniciar la instalación del sistema fotovoltaico conectado a la red eléctrica. Una vez realizada la instalación, esta será sometida a la visita de la concesionaria, a partir de la cual serán elaborados los regímenes de visita y el término de aprobación para la operación del sistema de autoproducción de energía en paralelo permanente con la red eléctrica. Se debe tener en cuenta que las etapas del procedimiento y los plazos pueden variar de acuerdo con la concesionaria. Vea el ejemplo de la figura 2. Ingeniería Eléctrica Julio

3 Aplicación Instalaciones a responsabilidad del usuario El acreedor, o sea, el interesado en instalar un sistema fotovoltaico conectado a la red eléctrica, será responsable por la construcción de las instalaciones y protecciones necesarias en el punto de conexión con la red eléctrica. También será responsable del costo de cambiar el medidor de energía eléctrica necesario para el registro de flujo bidireccional, indispensable para el funcionamiento del sistema de compensación de créditos propuesto por la resolución de ANEEL. La conexión de sistemas fotovoltaicos a la red eléctrica no requiere del uso de sistemas de protección como relés de fase, frecuencia, flujo de potencia, subtensión, sobretensión y otras funciones normalmente necesarias en la conexión de generadores rotativos basados en máquinas síncronas o asíncronas. Para la conexión de los sistemas fotovoltaicos es suficiente utilizar inversores del tipo grid-tie (especiales para la conexión de la red eléctrica). La figura 3 ilustra las exigencias mínimas para la conexión de sistemas fotovoltaicos a la red de baja tensión. El usuario será responsable por la instalación del padrón de entrada con medidor bidireccional y dispositivo de seccionamiento visible, instalador fuera del panel de medición. El inversor o conjunto de inversores del sistema fotovoltaico y el panel de distribución general de las cargas consumidores son conectados al dispositivo de seccionamiento. La figura 4 ilustra los requisitos exigidos por la concesionaria brasilera AES Electropaulo. En este caso, son exigidos algunos ítems adicionales en el punto de conexión del sistema fotovoltaico con la red eléctrica. De acuerdo con el diagrama de esta figura, deberá instalarse un panel eléctrico (CAG1) exclusivo para el acople del sistema fotovoltaico. Este panel tendrá un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD Clase II), un relé de subtensión (función 27), un disyuntor diferencial residual (DDR) y dos lámparas señalizadoras. Los ítems de protección adicionales mostrados en la figura 4 ofrecen seguridad redundante para la conexión del sistema fotovoltaico. En principio, las protecciones necesarias para la conexión a la red eléctrica son realizadas por los inversores del tipo grid-tie, cuando sean homologados por las normas brasileras e internacionales que rigen las características de estos equipamientos para que hagan la conexión a la red de forma segura. Las concesionarias de energía eléctrica son independientes para elaborar las normas técnicas que deben seguir los usuarios con sus sistemas fotovoltaicos, los cuales deberán responder a los requisitos e instalar los equipamientos de protección exigidos, sin los cuales la solicitud de conexión no será atendida. Las figuras 3 y 4 Figura 3 Figura 4 70 Ingeniería Eléctrica Julio 2013

4 muestran que esos requisitos por el momento no son estandarizados en el país. Medición de energía El sistema de medición de energía utilizado por los usuarios que poseen un sistema fotovoltaico de autoproducción de energía son de tipo bidireccional. En otras palabras, el medidor instalador en la entrada de este usuario será capaz de registrar el consumo y la generación de electricidad. El consumo corresponde al flujo de potencia con el sentido tradicional de la concesionaria para el usuario. La generación corresponde a la inyección o exportación de energía a la red eléctrica, que ocurrirá en los momentos en que la generación fotovoltaica fuera superior al consumo del usuario. El medidor de tipo bidireccional tendrá dos registradores, con numeraciones distintas: uno para el consumo y otro para la generación de electricidad. Eso permitirá la presentación de dos valores en las facturas de electricidad de los usuarios que poseen un sistema fotovoltaico registrado junto a la concesionaria. Las concesionarias serán responsables por el cambio del medidor bidireccional. El costo de la sustitución será cobrado al usua- rio. Los clientes existentes pagarán solo la diferencia del costo entre el medidor antiguo y el nuevo. La figura 5 presenta el diagrama de medición de electricidad con medidor bidireccional. Existe un único punto de conexión del medidor con la red eléctrica, en el cual puede ocurrir entrada o salida de energía. El generador fotovoltaico y las cargas consumidoras son conectados al dispositivo de seccionamiento visible (DSV), instalado después del medidor bidireccional. Forma de conexión De acuerdo con la clase de potencia del lugar, el sistema fotovoltaico será monofásico o trifásico. La tabla 1 muestra las diferentes clases y las formas de conexión previstas por la Compañía Energética de Minas Generales -CEMIG-. Los sistemas con potencia instalada inferior a 10 kw podrían ser instalados en las modalidades monofásica, bifásica o trifásica. Los sistemas con potencia entre 10 y 15 kw deberán ser bifásicos o trifásicos. Los sistemas de más de 15 kw deberán obligatoriamente ser trifásicos, con la excepción de los sistemas rurales con transformador de alimentación exclusivo, que podrá acceder a la red monofásica para la conexión de la generación fotovoltaica. Figura 5 Potencia instalada Forma de conexión < 10 kw Monofásico, bifásico o trifásico 10 a 15 kw Bifásico o trifásico >15 kw (en red trifásica) Trifásico <30 kw (en RDR¹ monofásica con transformador exclusivo) Monofásico ¹RDR: Red de distribución rural Tabla 1: Forma de conexión en función de la potencia Ingeniería Eléctrica Julio

5 Aplicación Dispositivos de protección contra sobretensiones - Protección contra descargas atmosféricas en sistemas fotovoltaicos Los sistemas fotovoltaicos generalmente se localizan en las partes externas de edificios y construcciones, pudiendo ser sometidos a una descarga atmosférica directa. La instalación de paneles fotovoltaicos en techos no aumenta el riesgo de una descarga eléctrica directa; sin embargo, el uso del sistema de protección contra descargas atmosféricas -SPDA- sigue siendo necesario y es la única forma práctica de protección contra los efectos de una descarga eléctrica proveniente de un rayo. Los efectos indirectos de descargas atmosféricas pueden ser atenuados por la utilización adecuada de los dispositivos de protección contra sobretensiones. Estos efectos indirectos ocurren cuando una descarga atmosférica pasa en las proximidades de una estructura en la que la inducción electromagnética genera una sobretensión en los conductores, siendo un gran peligro para las personas y los equipamientos. En especial, los cables de SPDA serán expuestos a la sobretensión constituidos de una corriente continua, causada por la descarga atmosférica. Las sobretensiones en sistemas fotovoltaicos no son originadas solo por agentes atmosféricos, por lo que es necesario considerar sobretensiones debido a cambios en la red eléctrica ocasionadas por equipos eléctricos y electrónicos conectados a ella. Las sobretensiones pueden ser perjudiciales tanto para los inversores como para los paneles fotovoltaicos. Los dispositivos de protección contra sobretensiones -SPD- son necesarios en los lados CC y CA del sistema fotovoltaico, garantizando la perfecta protección de los módulos e inversores. Sistemas de instalación Tensión fotovoltaica [OUC STC]: corresponde a la tensión máxima de funcionamiento del SPD, y debe ser mayor o igual a la tensión máxima sin carga del sistema fotovoltaico. Dependiendo de la configuración, se puede usar la puesta a tierra aislada o conectada al neutro. Se sugiere que la máxima tensión sin carga del sistema FV sea calculada basándose en siguiente fórmula: 1,2 x N x U OC (Panel) en la que, U OC (Panel) es la tensión sin carga de un panel fotovoltaico individual en condiciones normales, y N es el número de módulos conectados en serie, en cada matriz del sistema FV (TS ). Sistema de puesta a tierra aislado Este sistema es muy utilizado en pequeñas instalaciones en el lado CC fluctuante, sin puesta a tierra. El parámetro UOC STC se refiere a la tensión entre los polos positivo y negativo. Los paneles fotovoltaicos son normalmente utilizados con el sistema de tierra libre. Sin embargo, fueron utilizados paneles Clase I; la moldura metálica debe estar conectada a tierra por razones de seguridad. Figura 6 Sistema de puesta a tierra centralizado Este sistema es utilizado en grandes instalaciones, en las cuales existen altas tensiones. La conexión con el punto central de la instalación reduce al a mitad el valor máximo de tensión en relación a uno solo. En este caso, UOC STC 72 Ingeniería Eléctrica Julio 2013

6 es la tensión entre el polo contactado al SPD y el solo. Figura 7 Sistema fotovoltaico en edificios sin SPDA Como ejemplo, la figura 8 representa un sistema fotovoltaico simplificado instalado en un predio sin pararrayos. En este caso, el sistema de protección contra descargas atmosféricas debe considerar los siguientes puntos de instalación: -- Entrada del inversor en CC -- Salida del inversor en CA -- Tensión en la red de alimentación En la entrada CC del inversor, deberá instalarse el SPD Clase II específico para sistemas fotovoltaicos, de acuerdo con la tensión de protección del FV. En la salida CA del inversor, conforme al sistema, Figura 8. Esquema simplificado de una instalación fotovoltaica en un edificio sin SPDA, protegido por el lado DC con SPD con UOC STC = 420 V y por el lado AC con un 7P.22 específico para instalaciones TT. Fuente: Finder deberá ser instalado el dispositivo de protección contra sobretensiones tipo Clase II y en la conexión con la entrada de energía en baja tensión, considerando el tipo del sistema de puesta a tierra (IT, TT, TN), podrá ser necesaria la coordinación con otros SPD Clase II si no hubiera riesgo contra Iimp y en el caso de que haya riesgo combinado con un Clase I o directamente instalando un Clase I+II. En sistemas más complejos, podrán ser necesarios SPD adicionales, cerca del panel de conexión y protección FV, si la distancia entre el mismo y el inversor es superior a 10 metros. Otro SPD será necesario para el punto donde los cables CC entran en el edificio, si la distancia entre el panel del sistema FV y el inversor es superior a 20 metros. Sistema fotovoltaico en edificios con SPDA En edificios con SPDA es indicado que los paneles fotovoltaicos se instalen en las áreas protegidas por los pararrayos. Los pararrayos, el SPD y todas las partes metálicas de la estructura deben ser equipotencializados con el sistema de puesta a tierra. El SPD que protege el lado CC es el mismo para sistemas sin SPDA, por lo tanto, se aconseja la utilización de pararrayos para sistemas fotovoltaicos y SPD de una tensión adecuada (UOC STC). Para la protección del lado CA del inversor es suficiente un SPD Clase II, pues este deberá estar protegido por un SPD Clase I. Siguiendo la norma EN 62305, la instalación de un SPD Clase I es obligatoria en el circuito de entrada de alimentación de la concesionaria de energía, en el caso de que el predio tenga SPDA (con o sin paneles solares). Sin embargo, si el inversor estuviera situado en el campo, por ejemplo, debajo de la estructura que soporta los paneles, se recomienda la instalación de un SPD Clase I para el lado CA, en vez de Clase II para proporcionar una protección contra Iimp. Como opción para la coordinación de SPD es posible utilizar en este caso el Clase I+II, que es caracterizado por soportar Iimp y tener un bajo valor de Up. Ingeniería Eléctrica Julio

7 Aplicación Figura 9. Instalación de un SPD en una instalación fotovoltaica Coordinación de SPD Una óptima protección contra sobretensiones requiere una cascada de SPD, llamada coordinación. La coordinación tiene el objetivo de dividir la energía asociada con las tensiones entre los SPD. Esta coordinación se obtiene introduciendo entre ellos una impedancia de valor adecuado o, de manera alternativa, conectándolos por conductores con el cumplimiento mínimo indicado en las figuras 9 y 10, con el fin de utilizar la impedancia de los propios conductores. Figura 10. Instalación de un SPD en una instalación fotovoltaica Conexión en serie (V-shape) La conexión en serie (V-shape) permite aumentar la eficacia de protección, eliminando la contribución de la tensión inducida por los conductores de conexión del SPD durante el drenaje de la sobrecorriente. El límite de esta instalación está dado por la corriente nominal del sistema que debe atravesar el terminar doble de SPD y no puede exceder a la corriente de 125 A. Para sistemas en que la corriente nominal es mayor que 125 A, se debe continuar con la instalación tradicional de SPD, en paralelo con el sistema (T-shape). Figura 11. Instalación de un SPD en una instalación fotovoltaica Cables de conexión Dependiendo del tipo de conexión, en serie o en paralelo, se debe tener cuidado para que el cumplimiento y la sección mínima 74 Ingeniería Eléctrica Julio 2013

8 Clase I y I+II), 4 mm 2 (SPD Clase II) y 1,5 mm 2 (SPD Clase III). Figura 12. Conexión V-Shape de un SPD Protección con fusible Se recomienda promover la protección contra cortocircuitos al SPD, haciéndola por dispositivos de protección de sobrecorriente (fusibles tipo gl/gc). Protección en AC Si los dispositivos de protección de sobrecorriente F1, que son parte de la instalación, tienen menor o igual capacidad al máximo recomendado de acuerdo con la clasificación para dispositivos de protección F2 (fusible de backup), los F2 pueden ser omitidos (ver Figura 14). Figura 13. Cables de conexión de un SPD 7P.0X (Clase I+II): si F1 es mayor a 250 A, F2 tendrá que ser de 250 A. Si F1 es menor o igual a 250 A, F2 puede ser omitido. 7P.1X (Clase I), 7P.2X (Classe I+II): si F1 es mayor a 160 A, F2 tendrá que ser de 160 A. Si F1 es menor o igual a 160 A, F2 puede ser omitido. Figura 14. Instalación de fusibles para SPD de los cables que alimentan el SPD estén conformes con las normas ABNT NBR 5410 e IEC en Brasil. Figura 15. Instalación de fusibles para SPD La sección transversal de los conductores de cobre para conexión a la puesta a tierra no debe ser inferior a los 6 mm 2 (SPD Protección en CC El SPD es capaz de interrumpir individualmente corrientes de la orden de 100 A CC. Eso significa que para corrientes de cortocircuito (Isc) inferiores a 100 A no es necesario colocar un fusible de back-up, como se muestra en la figura 15. Ingeniería Eléctrica Julio