5. Soluciones para cumplimiento de la normativa.

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1 5. Soluciones para cumplimiento de la normativa. 5. Soluciones para cumplimiento de la normativa. Para que las instalaciones fotovoltaicas cumplan la nueva normativa referente a los huecos de tensión es necesario acometer una serie de reformas que pueden llevarse a cabo en cada equipo inversor individualmente, o bien, en el punto de conexión a red de toda o parte de la instalación. Principalmente, existen dos tipos de actuaciones para la adecuación a la normativa: Modificación hardware y software del inversor fotovoltaico para cumplir los requisitos de la normativa a la que esté sujeto. Incorporación de equipos externos en la instalación (compensadores) que permitan que la instalación en su conjunto esté adecuada a la norma vigente en la zona de la instalación de la planta generadora fotovoltaica. A continuación describiremos las soluciones adoptadas más comúnmente y en las próximas secciones mostraremos los resultados esperados y las ventajas e inconvenientes de cada una de las soluciones propuestas Modificación del sistema de control del inversor. Una posible solución, sería la adecuación de cada inversor fotovoltaico de la planta para superar las pruebas y comportamiento exigido en la normativa. Las modificaciones hardware, en caso de ser necesarias, son particulares a cada modelo de inversor analizado, pero la modificación más común es proveer al inversor de un sistema de alimentación ininterrumpido durante la totalidad de la falta de tensión independiente de la red eléctrica (usualmente una unidad UPS). Por otro lado, las modificaciones software comprenden varios aspectos que indicaremos a continuación: 1. Modificación de las protecciones: Los errores referentes a subtensiones de red tienen que ser modificados. No se ha de proceder a detectar un error de subtensión tras sobrepasar el umbral de tensión mínima admisible, sino proceder a informar sobre la detección de un hueco de tensión y actuar en consecuencia. Sólo si se sobrepasan los límites temporales o/y de profundidad determinados en la normativa vigente se puede proceder a dar la señal de error y efectuar el paro y desconexión del equipo. Además, la aparición de faltas de tensión con perfiles bruscos de caídas de tensión puede originar que el inversor se encuentre en situaciones excepcionales de funcionamiento, y con ello ser necesaria la modificación de 42

2 5.1 Modificación del sistema de control del inversor. algunas protecciones adicionales. Este efecto puede aparecer en equipos con transformador de aislamiento galvánico por ejemplo, en dónde la magnetización y desmagnetización debido a los cambios en el nivel de tensión harán que aparezcan transitorios de corriente de magnitudes considerables. 2. Algoritmo de detección de huecos de tensión: Es necesario introducir algún mecanismo que determine el inicio de una falta de tensión de forma rápida (se suele requerir un tiempo máximo de retraso para comenzar la actuación durante hueco de tensión) y sea capaz de determinar el tipo de falta presentada (dependiendo el tipo de falta puede ser necesario actuar de distinta forma). Existen multitud de técnicas en este aspecto, y las diferencias pueden hacer aconsejable utilizar una u otra dependiendo de varios factores, como el tipo de control del equipo, las condiciones de la red de la instalación, etc. En particular, nosotros utilizaremos un método basado en [9]. Para la detección de la falta de tensión calcularemos el módulo instántaneo de la tensión (basándonos en las tensiones en coordenadas alpha-beta, ver ecuación 1), y determinaremos el inicio de la falta cuando el valor descienda por debajo del umbral de detección de hueco. M = V 2 alpha +V2 beta < M umbral (1) Por otro lado, distinguiremos entre faltas simétricas, cuando la tensión en las tres fases de la red se ve mitigada en la misma cantidad, y faltas asimétricas, cuando sólo se ven afectadas una o dos de las fases de la red. En la figura 17 y 18 se puede observar el comportamiento del módulo ante una falta trifásica y bifásica (cortocircuitamos dos fases de la red entre sí) respectivamente. Podemos observar que mientras que en las faltas simétricas el módulo permanece constante, en las faltas asimétricas oscila, con lo que utilizaremos esta propiedad para determinar el tipo de la falta a la que ha sido sujeto el inversor, ya que si la diferencia entre el valor máximo y mínimo del módulo supera cierto valor se tratara de una falta asimétrica. 43

3 5.1 Modificación del sistema de control del inversor. Figura 17: Falta trifásica del 20%: a la izquierda tensiones de línea de red y a la derecha módulo de tensión. Figura 18: Falta bifásica del 40%: a la izquierda tensiones de línea de red y a la derecha módulo de tensión. 3. Inyección de potencia activa: Durante la falta de tensión no es conveniente ni la inyección de potencia activa en la red (si nadie consume la potencia activa la red se calentaría y podría dañarse), y el consumo tampoco (podría hacer caer aún más la tensión de red). Por lo tanto, ha de seguirse una referencia de P ref = 0. Usualmente, un inversor fotovoltaico determina su potencia activa de referencia de acuerdo a un algoritmo denominado MPPT (maximum power point tracking) [19]. El algoritmo MPPT pretende extraer la máxima potencia activa de los paneles fotovoltaicos conectados al inversor. Una curva típica de caracterización tensión vs. corriente se muestra en la figura 19. Se puede observar que el 44

4 5.1 Modificación del sistema de control del inversor. inversor busca la solución al problema de optimación de P = V I dentro de la curva. Esta situación no es admisible durante la falta de tensión, ya que ha de buscarse P = 0. Para ello, podemos imponer un seguimiento de referencia en la parte de continua que persiga este objetivo, como es imponer I dcref = 0, o bien, V dcref = V o (tensión de vacío de los paneles fotovoltaicos) tal y como se ve en el extremo de la curva de la figura 19. Figura 19: Curva característica V-I de un panel fotovoltaico. 4. Inyección de potencia reactiva: Por último, la última acción necesaria para el cumplimiento de la normativa de las faltas de tensión es la inyección de potencia reactiva en la red, ya que esta contribuye favorablemente a la recuperación de la tensión en la red del operador. Por lo tanto, será conveniente modificar la referencia de potencia reactiva durante la falta de tensión, o en caso de no seguir referencia alguna durante la operación normal de la máquina, introducirla con el mayor valor posible. Suponiendo que el diseño del filtro permite inyectar toda la potencia reactiva posible sin llegar a la sobremodulación, y teniendo en cuenta del punto anterior que la potencia activa será aproximadamente cero, la potencia reactiva de referencia máxima a entregar será equivalente en magnitud a la potencia aparente máxima en el régimen de operación normal del equipo por la tensión remanente durante la falta de tensión Q ref = K S max V rem, siendo 0 < K < 1 un factor de escalado de seguridad. La limitación de la potencia reactiva que es capaz de inyectar el inversor viene dada por la magnitud de la corriente, de ahí que la potencia de referencia deba tener en cuenta la tensión remanente durante la falta. No es necesario tener que inyectar siempre toda la potencia reactiva posible, dependerá de las exigencias del 45

5 5.2 Introducción de un compensador serie. operador de red, y se puede operar de distinta forma según se trate de faltas asimétricas o simétricas. E incluso puede ser suficiente dejar de conmutar la etapa de electrónica de potencia durante la falta, y aún así se seguirá inyectando reactiva debido a la capacidad del filtro de salida del inversor fotovoltaico. Finalmente en la figura 20 se muestra un diagrama de bloques de como podría ser el control de un inversor ante la presencia de un hueco de tensión. Aunque existen muchas posibilidades, se ha seleccionado un control en el inversor en corriente según la fórmula de cálculo de potencia de Akagi [14]. Figura 20: Estructura de bloques del controlador del inversor durante la falta de tensión Introducción de un compensador serie. Si la modificación de los inversores no es posible para la adecuación de la normativa (fabricantes no existentes, placas de control analógicas no reprogramables, etc.), es posible incorporar uno o varios equipos externos que ayuden al cumplimiento de la normativa. La primera opción analizada en este estudio consiste en un convertidor que actué como compensador serie [9]. Se puede optar por introducir un compensador serie a la salida de cada inversor fotovoltaico, o bien, colocar un compensador serie en el PCC (punto de conexión a red), o también serían posible otras configuraciones intermedias. En la figura 21 se muestra la topología de un compensador serie. 46

6 5.2 Introducción de un compensador serie. Figura 21: Topología propuesta para el compensador serie. En la figura 21 podemos diferenciar cada una de las partes principales involucradas en el compensador serie. Vemos que en paralelo a la conexión del compensador se colocan para cada fase un par de tiristores en antiparalelo, lo que permite bypassear el compensador cuando no es necesaria su actuación, lo que permite mejorar el rendimiento del sistema, así como disminuir los requisitos del compensador serie en la fase de dimensionamiento del convertidor. El compensador serie está formado por tres puentes en H, cada uno conectando los dos extremos de una fase de la red por un lado, y por el otro a un DC-Link independiente para cada puente en H. Así mismo, cada DC-Link dispone de un crowbar y de un sistema de precarga. La filosofía de un compensador serie consiste en evitar que las condiciones de la falta de tensión lleguen hasta el inversor fotovoltaico. Para conseguirlo se interpone el convertidor en una configuración en serie entre el inversor y la red. Cuando se produzca la falta de tensión el convertidor modulará la diferencia de tensión entre la condición nominal de la red y la presente durante la falta. En la figura 22 se muestra el conexionado de un compensador serie en el PCC de una instalación fotovoltaica. 47

7 5.2 Introducción de un compensador serie. Figura 22: Conexionado de un compensador serie en el PCC de una instalación fotovoltaica Control del compensador serie. El control del compensador serie es mostrado en detalle en el estudio realizado en [23]. Podemos resumir la técnica de control dividiéndola en varios bloques de interés que enumeramos a continuación: 1. Algoritmo de detección de huecos de tensión: Es necesaria la implementación de un algoritmo de detección de huecos para determinar en qué momento es necesaria la actuación del compensador, momento en el que deshabilitaremos el bypass y los puentes en H empezarán a actuar. El algoritmo de detección de huecos debe utilizar las medidas en el PCC, y se puede utilizar el mismo método descrito en la sección Modulación de la tensión de red: Como ya se ha mencionado anteriormente, el principal objetivo del compensador serie es aportar la diferencia de tensión entre la condición nominal de operación y la presente durante la falta de tensión. Por lo tanto, un término importante en el controlador del compensador serie es el indicado en la ecuación 2. V compref = V ideal V red (2) 48

8 5.2 Introducción de un compensador serie. Por otro lado, sobre esta referencia base, se pueden añadir varios términos de compensación con realimentación que permitan obtener un control suavizado del convertidor y corrijan los errores de seguimiento de referencia. De esta forma, incorporaremos el término correspondiente a la caída de tensión en la inductancia del filtro de salida, un término procedente de un controlador PI que regula el error presente en la tensión instantánea en la parte del convertidor con respecto a la tensión ideal que se pretende conseguir, y un término de un controlador proporcional con el error de corriente en el convertidor, que debe mantenerse equivalente al que existía antes de la detección de hueco (el objetivo es que el inversor no perciba el hueco, y por tanto debe seguir actuando de la misma forma). En la figura 23 se muestra un diagrama de bloques aproximado del control del convertidor. Figura 23: Diagrama de bloques de control del compensador serie. 3. Regulación de la potencia activa: El compensador serie modifica la tensión tal que en el punto de conexión al inversor tenemos la tensión ideal de red, mientras que en el lado de red se ve presente la falta de tensión. Sin embargo, la magnitud de la corriente debe ser la misma a ambos lados del compensador. Como P = V I y hemos visto que V no es constante, e I si lo es, P red P inversor y la diferencia entre estas potencias ha de ser absorbida por el compensador. De forma natural, la energía procedendente de esta potencia absorvida es almacenada en el DC-Link de cada puente H, así que es necesario un mecanismo que matenga en unos márgenes razonables la tensión en este punto. Con este propósito se han incorporado los crowbar de cada DC-Link, 49

9 5.3 Introducción de un compensador serie-paralelo. cuya misión es la de disipar la potencia sobrante del DC-Link, mediante un sencillo control en tensión. Según el principio explicado anteriormente, con un compensador serie no es posible regular la potencia activa inyectada en la red, sino que dependerá de la profundidad de la falta, lo cual podría suponer un problema para cumplir determinadas normativas vigentes. No obstante, este problema puede ser resuelto tal y como se explica en el punto siguiente. 4. Regulación de la potencia reactiva: En las normativas estudiadas en la sección 3 es necesario también la inyección de corriente reactiva durante la falta de tensión. Para conseguirlo hay que rotar la señal modulada tal que desafasemos la corriente y la tensión entre sí. La clave está en la conservación de la potencia aparente inyectada en al red, la cual nopuede ser modificada[23]. Así, desfasandola señal 90 o conseguimos que toda lapotencia activa que transmitíamos originariamente sea ahora potencia reactiva, conservándose la misma potencia aparante. Toda esta potencia activa que deja de inyectarse a la red debe absorverla el convertidor, y a su vez, ser quemada en el crowbar para evitar sobretensiones en el DC-Link. En el controlador expuesto anteriormente en el esquema de la figura 23 este desfase es posible introducirlo en el término V ideal, pudiéndose hacerse a través de la teoría de Akagi [9], tal y como se muestra en la ecuación 3, o bien, generar una onda desfasada 90 o y un detector de fase. V α = 2 I α P ref I β Q ref 3 Iα 2 +Iβ 2 V β = 2 I β P ref +I α Q ref 3 Iα 2 +Iβ 2 (3) 5.3. Introducción de un compensador serie-paralelo. La última solución propuesta consiste en un compensador serie-paralelo. Todas las consideraciones descritas sobre el compensador serie en la sección 5.2 son válidas para el compensador serie-paralelo. La diferencia estriba en la utilización conjunta de un compensador paralelo en el lado de red. El compensador serie ya ha sido descrito, mientras que la topología del compensador paralelo consiste en un convertidor AC/DC controlado, como puede ser el caso de un convertidor binivel de tres ramas. En la figura 24 se muestra una posible topología de compensador serie-paralelo donde en esta ocasión se ha optado por una configuración con un único DC-Link, 50

10 5.3 Introducción de un compensador serie-paralelo. ya que la configuración de la sección 5.2 hubiese implicado la utilización de un cuarto DC-Link para el compensador paralelo y un sistema de precarga independiente. Figura 24: Topología propuesta para el compensador serie-paralelo. Con respecto al conexionado del compensador en la instalación se muestra en la figura 25 y sería equivalente al descrito para el compensador serie en la sección 5.2. Figura 25: Conexionado de un compensador serie-paralelo en el PCC de una instalación fotovoltaica. 51

11 5.3 Introducción de un compensador serie-paralelo. Por último reseñar que la inclusión del compensador paralelo contribuye favorablemente en los siguientes casos: Cuando en periodos transitorios de tiempo el compensador serie no es capaz de alcanzar la referencia necesaria para cumplir con la normativa, el compensador paralelo puede aportar de forma transitoria la potencia reactiva necesaria, así como absorber toda aquella potencia activa sobrante del compensador serie (a través del crowbar dispuesto en el DC-Link). Si toda la potencia reactiva aportada por el compensador serie no es suficiente para cumplir con la normativa y es necesario un aporte extra, el compensador paralelo puede ayudar en este concepto. 52