Investigación sobre los Efectos en la red Eléctrica de los Sistemas Fotovoltaicos Interconectados Raúl González Galarza Instituto de Investigaciones Eléctricas rgg@iie.org.mx 1
Principales temas de investigación relacionados con Sistemas Fotovoltaicos Interconectados: Generador FV (celdas fotovoltaicas) Materiales, eficiencia, procesos de fabricación, etc Balance del Sistema (BDS) Inversor, protecciones electricas, acoplamiento a la red, etc. Efectos en la red Eléctrica Calidad de la energía, FP, fluctuaciones de voltaje, etc. Generador FV Transformador PCC Red Eléctrica 22/127 VCA kwh Inversor CD-CA Medición 1 O, 3 O Cargas 2
Efectos: Retos y oportunidades de investigación 1.- Compatibilidad de la potencia de salida del SFVI con las características de la red Calidad de la energía Factor de Potencia Fluctuaciones de voltaje 2.- Protección y seguridad Respuesta del SFVI a situaciones de falla Posibilidad de operación del SFVI en la condición de modo isla. 3
Experiencia y asimilación tecnológica del IIE Año Localidad Objetivo Potencia Situación pico kw P actual 1997 1999 Cuernavaca Investigación del sistema 1.7 Desmantelado 1999 2 Mexicali Prueba de concepto: autogeneración domiciliaria 1.5 Desmantelado 4 sistemas para evaluar 2 26 Mexicali beneficios a la red y 1.5 2 cada usuarios domiciliarios, y uno para probar diferentes Desmantelado tecnologías FV y de BDS 21 26 Hermosillo Prueba de concepto: 1.5 Desmantelado 22 25 25 a la fecha 27 a la fecha Nuevo León Ciudad de México La Paz, BCS. autogeneración domiciliaria Prueba de concepto: autogeneración institucional Prueba piloto: autogeneración en términos comerciales Prueba piloto: autogeneración domiciliaria 1 Desmantelado 3.6 En operación 6.5 En operación 4
Algunas investigaciones realizadas por el IIE en cuanto a efectos en la red eléctrica: Calidad de la energía Factor de Potencia Fluctuaciones de voltaje 5
Caso 1.- Sistemas fotovoltaicos interconectados a la red eléctrica en Mexicali, B.C. Línea de distribución operada por CFE (bifásica, 3h, 22/127 V) Potencia instalada de 1.7 kwp por SFVI Transformador de distribución de 75 kva (Monofásico tres hilos) DISTRIBUTION TRANSFORMER 13.8kV/24V T T L1 N L2 P 1,S 1 V L1 V L2 T A P 2,S 2 H 1 H 2 H 3 H 4 Monitoreo del transformador de distribución antes de la instalación de los SFVI. 6
Parámetro Verano Julio Invierno Diciembre Caso 1. Factor de Potencia (pu) Temperatura Transformador (º C) Mínimo.9.88 Promedio.92.94 Máximo.94.99 Mínimo 35 23 Máximo 5 34 Comportamiento del Transf. en verano e invierno, sin los SFVIs. Common coupling point P AC,S AC TRANSFORMER P 1,S 1 P 2,S 2 P 3,S 3 P 4,S 4 T T H 1 T A H 2 H 3 H 4 P PV1 P PV4 PV 1 PV 2 PV 3 PV 4 Variables Medidas después de la instalación de los cuatro SFVI. 7
Caso 1. A nivel mensual después de la instalación de los SFVI: 1 1 1 1 9 8 Ir.9.8 9 8 PF.9.8 Irradiance (W/m 2 ) 7 PF 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 Month.7.6.5.4.3.2.1 PF (pu) Temperature (C) 7 6 5 4 3 2 1 T A 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 Month.7.6.5.4.3.2.1 PF (pu) Mínimo factor de potencia y máxima irradiancia. Mínimo factor de potencia y máxima temperatura. 8
Caso 1 5 45 T T 4 Temperature (C) 35 3 25 2 15 T A 1 5 T Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Nov Dec Month Figura 7. Temperatura promedio diaria durante el año 9
Irradiance (W/m 2 ) 11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 T T PF T A Ir 11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Temperature (C) & P. F. (%) Caso 1 Valores Promedio (Marzo) -1-1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 21 22 23 24 Hour 11 11 Valores Promedio (Abril) Active & reactive power (kw - kvar) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1-1 -2 P AC P E R PF 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 21 22 23 24 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1-1 -2 P. F. (%) Hour 1
Comportamiento del FP en el PCC Caso 1 1.8.6.4.2 PF -.2 -.4 -.6 -.8-1 25 5 75 1 125 15 175 2 225 25 P PV (W) Factor de potencia en función de la potencia activa inyectada por los SFVI. 11
Caso 2 Primer Sistema Fotovoltaico Trifásico Interconectado a la red eléctrica en México; efectos preliminares. Línea de distribución operada por L&FC (trifásica, 4h, 22/127 V) Potencia instalada 3.6 kwp 12
Caso 2 Demanda en el inmueble: desbalance Potencia Activa en FA Potencia Activa en FC Potencia Activa en FB 13
Caso 2 25 3 2 2 Potencia Real (kw) 15 1 5 1-1 Temperatura Amb. ( C) -2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 21 22 23 24-5 Hora Demanda sin FV Generación FV Demanda con FV Temperatura Amb. -3 Reducción de la demanda en la red por la generación FV 14
Caso 2 2 1 Potencia Real y Reactiva (kw, kvar) 15 75 1 5 5 25 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 21 22 23 24-5 -25 Factor de Potencia (%) -1 Hora Potencia Real PCC Potencia Reactiva PCC Factor de potencia -5 Comportamiento del FP en el PCC por la generación FV. 15
Caso 2 1 8 6 Factor de Potencia (%) 4 2 2 4 6 8 1 12 14-2 -4 Potencia Real FV Generada / Demanda de Potencia Real de la Carga (%) Comportamiento del FP en el PCC en razón de la generación FV 16
Caso 2. 12 13 1 128 Potencia Reactiva (kvar) 8 6 4 126 124 122 Voltaje de fase (Volts) 2 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 21 22 23 24 Hora VAR L1 VAR L2 VAR L3 VOLT L1 VOLT L2 VOLT L3 118 Comportamiento del voltaje y la potencia reactiva en el PCC por la generación FV. 17
Medición preliminar de Armónicas (Fase A): Caso 2 Corriente de salida del SFVI Voltaje en el PCC V I Fecha 29.11.26, 13:25 Formas de onda de I y V en la fase A del SFVI 18
Caso 2 THDI = 8.9 % 3º 5º 7º Frecuencia de conmutación de inversores Espectro en frecuencia del SFVI en la corriente de salida de la fase A. 19
5a armónica de voltaje FA 7a armónica de voltaje FA 3a armónica de voltaje FA 11a armónica de voltaje FA 9a armónica de voltaje FA Armónicas de voltaje de la fase A. 2
Conclusiones: Los efectos en la red eléctrica asociados a la generación fotovoltaica es un campo relativamente nuevo en el ámbito nacional que requiere de importantes esfuerzos en I&D para responder a requerimientos específicos de calidad de la energía que CFE y CL&FC demandan. En un escenario de implantación masiva de SFVI en el sistema eléctrico nacional, estos efectos representan importantes retos y oportunidades de I&D tanto para la comunidad científica, como para la industria eléctrica. 21
Gracias... 22