SELECCIÓN DEL INVERSOR EN INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS ( I )

A lo largo de los diferentes post que hemos ido colgando en el blog, se ha comentado que el “director de orquesta” de toda instalación fotovoltaica siempre es el inversor, tanto para las conectadas a red como las aisladas. Pues bien, en esta ocasión, trataremos de profundizar algo más en cuáles son los parámetros que es necesario tener en cuenta para su correcta selección; en este caso nos centraremos en los inversores para instalaciones denominadas de conexión a red.

INVERSOR

El inversor transforma la corriente con­tinua en alterna y controla la calidad de la energía desti­nada a la red mediante un filtro L-C montado en el interior del propio inversor. La figura 1 muestra el esquema de conexión de un inversor. Los transistores, utilizados como conmutadores estáticos, se controlan mediante una señal de apertura-cierre que en su forma más simple propor­cionaría una onda de salida cuadrada.

Fig. 1 Esquema del principio de funcionamiento de un inversor monofásico.

Para que la onda sea lo más sinusoidal posible se utiliza una técnica más sofisticada: modulación del ancho del pulso (PWM, Pulse Width Modulation). Esta técnica permite regular la frecuencia y el valor rms de la forma de onda de salida, figura 2.

Fig. 2 Principio de funcionamiento de la tecnología PWM

La potencia suministrada por un generador FV depende del punto de la instalación en el que está operando. Para optimizar el suministro de energía de la planta, el gene­rador debe adaptarse a la carga, de modo que el punto de funcionamiento corresponda siempre al punto de potencia máxima.

Con este objetivo, dentro del inversor se utiliza un cho­pper controlado llamado seguidor del punto de potencia máxima (MPPT, Maximum Power Point Tracking). El MPPT calcula el valor instantáneo de la curva I-V ("ten­sión-intensidad") del generador al cual se produce la máxima potencia disponible. Tomando la curva I-V del generador FV:

Fig. 3 Punto de potencia máxima (MPP) de un generador fotovoltaico

El punto máximo de la transferencia de potencia corres­ponde al punto tangente entre la curva I-V para un valor dado de la radiación solar y la hipérbola descrita por la ecuación V . I = const.

El sistema MPPT de uso comercial identifica el punto de potencia máxima de la curva característica del generador induciendo, a intervalos regulares, pequeñas variaciones de la carga que determinan las desviaciones de los valo­res tensión-intensidad y evaluando si el producto resul­tante I-V es mayor o menor que el anterior. En caso de aumento de carga, se mantiene la variación de las condi­ciones de carga en la dirección elegida. De lo contrario, se modifican las condiciones en el sentido opuesto.

TENSIONES E INTENSIDADES EN UNA PLANTA FOTOVOLTAICA

Los módulos FV generan una intensidad de 4 a 10 A a una tensión de 30 a 40 V.

Para obtener la potencia pico deseada, los paneles se conectan eléctricamente en serie para formar las cade­nas, que se conectan en paralelo. La tendencia actual es desarrollar cadenas formadas por el máximo número de paneles posible, dada la complejidad y el coste del cableado, en particular de los cuadros de distribución para realizar la conexión en paralelo entre las cadenas.

El número máximo de paneles que pueden conectarse en serie (proporcionando la máxima tensión alcanzable) para formar una cadena se determina a partir del inter­valo de operación del inversor y de la disponibilidad de los dispositivos de desconexión y protección adecuados para la tensión alcanzada.

En concreto, la tensión del inversor está ligada por mo­tivos de eficiencia a su potencia: al usar un inversor con una potencia inferior a 10 kW, el rango de tensión más habitual es de 250 a 750 V; en cambio, si la potencia del inversor es superior a 10 kW, el rango de tensión suele ser de 500 a 900 V.

La conexión de las cadenas que componen el campo solar de la planta FV es posible si se cumple principal­mente lo siguiente:

·         un solo inversor para todas las plantas (inversor único o con inversor central) (figura 4);

·         un inversor por cadena (figura 5);

·         un inversor para varias cadenas (planta con varios inversores) (figura 6).

Fig 4.

Fig. 5

Fig. 6

SELECCIÓN Y CONEXIÓN DEL INVERSOR

La selección del inversor y de su tamaño se hace con arreglo a la potencia nominal FV que deba gestionar. El tamaño del inversor puede determinarse partiendo de un valor de 0,8 a 0,9 para la relación entre la potencia activa inyectada a la red y la potencia nominal del gene­rador FV. Esta relación considera la pérdida de potencia de los módulos FV en condiciones de funcionamiento reales (temperatura de trabajo, caídas de tensión en las conexiones eléctricas, etc.) y la eficiencia del inversor. Esta relación también depende de los métodos de ins­talación de los módulos (latitud, inclinación, temperatu­ra ambiente...) que pueden hacer variar la potencia ge­nerada. Por ello, el inversor está equipado con una limitación automática de la potencia suministrada para resolver situaciones en las que la potencia generada es mayor de lo normal.

Entre las características para el dimensionado correcto del inversor, deben considerarse las siguientes:

• Lado CC:

- potencia nominal y potencia máxima;

- tensión nominal y tensión máxima admisible;

 - campo de variación de la tensión MPPT en condi­ciones de funcionamiento estándar;

• Lado CA:

- potencia nominal y potencia máxima que el grupo de conversión puede suministrar de manera con­tinua, así como el campo de temperatura ambien­te al que puede suministrarse esa potencia;

- intensidad nominal entregada;

- intensidad suministrada máxima que permite el cálculo de la contribución de la planta FV a la in­tensidad de cortocircuito;

 - tensión máxima y distorsión del factor de potencia;

- eficiencia de conversión máxima;

- eficiencia con una carga parcial y al 100% de la potencia nominal (mediante la "Eficiencia europea" o el diagrama de eficiencia).

Además es necesario evaluar los valores asignados de tensión y frecuencia en la salida y de la tensión a la en­trada del inversor.  Los valores de tensión y frecuencia a la salida para plantas conectadas a la red de distribución pública los impone la red con tolerancias definidas según la compañía.

En lo referente a la tensión a la entrada, deben evaluar­se las condiciones extremas de funcionamiento del generador FV para garantizar un empleo seguro y pro­ductivo del inversor.

Primero, es necesario verificar que la tensión sin carga Uoc en la salida de las cadenas a la temperatura mínima prevista (-10 °C) es menor que la tensión máxima que el inversor puede soportar, es decir:

U_{OC max} ≤ U_MAX        (1)

En algunos modelos de inversor existe un banco de condensadores a la entrada, de modo que la inserción en el campo FV genera una corriente de arranque de valor igual a la suma de las corrientes de cortocircuito de todas las cadenas conectadas. Esta corriente no debe provocar el disparo de ninguna protección interna (en caso de que exista).

Cada inversor se caracteriza por un intervalo de funcio­namiento normal de tensiones a la entrada. Dado que la tensión a la salida de los paneles FV es función de la temperatura, es necesario verificar que bajo las condi­ciones de servicio previstas (de -10 °C a +70 °C) el in­versor funciona dentro del rango de tensión declarado por el fabricante. En consecuencia, deben verificarse simultáneamente las inecuaciones [1] y [2]:

U_min ≥ U_MPPT        (2)

es decir, la tensión mínima (a +70 °C) a la potencia máxi­ma correspondiente a la salida de la cadena en condi­ciones de radiación solar estándar será mayor que la tensión de funcionamiento mínima para el MPPT del inversor; la tensión mínima del MPPT es la tensión que mantiene la lógica de control activa y permite un sumi­nistro de potencia adecuado a la red de distribución. Además, debe ser:

U_max ≤ U_{MPPT max}         (3)

es decir, la tensión mínima (a -10 °C), a la potencia máxi­ma correspondiente a la salida de la cadena en condi­ciones de radiación solar estándar será menor o igual que la tensión de funcionamiento máxima del MPPT del inversor.

La figura 7 muestra un diagrama de acoplamiento entre el campo FV y el inversor considerando las tres inecuaciones mencionadas.

Adicionalmente al cumplimiento de las tres condiciones mencionadas referentes a la tensión, es necesario veri­ficar que la intensidad máxima del generador FV funcio­nando en el punto de potencia máxima (MPP) es menor que la intensidad máxima admitida por el inversor a la entrada.

Ref:

"CT10 ABB Plantas FV"