UNIVERSITARIOS POTOSINOS 238 AGOSTO 201924 GONZÁLEZ, M., CÁRDENAS, V. Y ÁLVAREZ, R. PÁGINAS 24 A 29

Recibido: 12.03.2019 I Aceptado: 20.06.2019

Palabras clave: Energía eléctrica, energía renovable solar, inversores inteligentes y sistemas fotovoltaicos.

Inversores inteligentes en sistemas de

energía solar fotovoltaica

MARIO ARTURO GONZÁLEZ GARCÍAmgonzale@uaslp.mxCONACYT - FACULTAD DE INGENIERÍA, UASLPVÍCTOR MANUEL CÁRDENAS GALINDORICARDO ÁLVAREZ SALASFACULTAD DE INGENIERÍA, UASLP

En nuestro país y en todo el mundo se realizan importantes esfuerzos para incrementar la integración de las diferentes formas

de energía renovable como parte de la generación de energía eléctrica, con el objetivo de satisfacer el constante aumento

de las necesidades energéticas, disminuir la dependencia de los combustibles fósiles y reducir las emisiones de CO2 a la

atmósfera. Entre las energías renovables aprovechables para convertir en energía eléctrica se encuentran la hidráulica,

geotérmica, oceánica, bioenergía, eólica y solar.

AGOSTO 2019 238 UNIVERSITARIOS POTOSINOS 25INVERSORES SOLARES INTELIGENTES

Figura 1.

Mapa de irradiación solar mundial. Imagen tomada y traducida de: Grupo del

Banco Mundial, financiado por ESMAP y preparado

por Solargis (https://globalsolaratlas.info).

La Secretaría de Energía reportó al 30

de junio de 2018 que México cuenta

con una potencia eléctrica total insta-

lada de 75.91 gigawatts (GW). De este

total, 68.55 por ciento (52.04 GW)

proviene de centrales con tecnologías

convencionales de combustibles fósi-

les y 31.45 por ciento (23.87 GW) de

energías limpias, entre ellas las renova-

bles con 26.87 por ciento (20.40 GW).

De las energías renovables empleadas,

predomina la hidroeléctrica con 16.55

por ciento (12.59 GW), le sigue la eó-

lica con 5.74 por ciento (4.36 GW), la

geotérmica con 1.22 por ciento (925

GW) y la solar con 2.16 por ciento (1.64

GW). México tiene como meta para el

año 2024 alcanzar 35 por ciento de

contribución de energías limpias en el

total de potencia instalada, y de llegar

a 50 por ciento para 2050, como un

compromiso internacional establecido

en la XXI Conferencia sobre Cambio

Climático de París, y que se oficializó

en la Ley General de Cambio Climático.

Por su ubicación geográfica, nuestro

país es poseedor de una gran rique-

za en el recurso solar, tal como puede

Figura 2.

Mapa de irradiación solar en México. Imagen tomada y traducida de: Grupo del Banco Mundial, financiado por ESMAP y preparado por Solargis (https://globalsolaratlas.info).

observarse en los mapas de irradiación

mundial de la figura 1 y de irradiación

en México de la figura 2, con datos

reportados por el Grupo del Banco

Mundial. La mayor parte del territo-

rio nacional tiene una alta captación

de energía solar diaria promedio por

metro cuadrado (m2) de superficie,

mayor a 5 kilowatts-hora por metro

cuadrado por día (kWh/m2/día), los es-

tados de Baja California Sur y Sonora

son los que más energía solar perci-

ben, con más de 6.2 kWh/m2/día en

promedio anual.

Hay que destacar que ningún país

europeo supera la irradiación solar

promedio captada en México, aun así

varios de esos países han apostado

e invertido en plantas generadoras

solares. Al realizar un cálculo con los

datos de irradiación reportados, se

estima que si se empleara la tecnolo-

gía actual de paneles fotovoltaicos en

un área de 554 kilómetros cuadrados

(km2) en Sonora (lo que representaría

sólo el 0.028 por ciento de la superfi-

cie del país), sin considerar espacios,

y con una eficiencia comercial de 20

por ciento en los paneles, podría ge-

nerarse la energía equivalente a todas

las necesidades de energía eléctrica

anuales de México (258 971 GWh de

energía en el año 2017). El mismo

Promedio a largo plazo de la suma diaria / anualSol diario

Suma anual

Promedio a largo plazo de la suma diaria / anual, periodo 1999-2015Sol diario

Suma anual

UNIVERSITARIOS POTOSINOS 238 AGOSTO 201926 GONZÁLEZ, M., CÁRDENAS, V. Y ÁLVAREZ, R. PÁGINAS 24 A 29

cesitan un equipo de electrónica de

potencia, que sirva para conectar a

los paneles con las cargas eléctricas o

con la red eléctrica para poder consu-

mir la energía captada por los pane-

les fotovoltaicos, tal como se muestra

en la figura 4. A este dispositivo que

procesa la energía se le llama inversor

fotovoltaico. Los paneles solares, por

las características propias de sus ma-

teriales, generan potencia en corriente

directa, el inversor es la interfaz para

interconectarlos a las cargas o a la red

eléctrica, las cuales funcionan con co-

rriente alterna.

Las instalaciones solares pueden ser

interconectadas a la red eléctrica, el

usuario puede tomar la energía nece-

saria de la red en días nublados o du-

rante la noche, o bien, ser aisladas sin

conexión a red, en cuyo caso deben

contar con almacenamiento de ener-

gía (por ejemplo, baterías) para pro-

porcionar la energía a las cargas cuan-

do el recurso solar no sea suficiente y

durante la noche. En ambos tipos de

instalación es necesario el inversor.

Existen diversos fabricantes de re-

nombre mundial como SMA, Fronius,

Huawei, SolarEdge, SunGrow, ABB,

Enphase y Scheneider Electric, que

comercializan inversores para em-

plearse en instalaciones fotovoltaicas,

que van desde equipos pequeños que

sirven para convertir la energía propor-

cionada por uno o dos paneles (200

W-500 W), los que manejan arreglos

de cuatro a 40 paneles (1 kW-10 kW)

para aplicaciones residenciales y los

que procesan 10 kW-100 kW en apli-

caciones comerciales, hasta los dedi-

cados a convertir grandes cantidades

de potencia para plantas generadoras

(100 kW a 3 MW). Algunos ejemplos

se muestran en la figura 5.

Figura 3.

Parque Solar Fotovoltaico Villanueva ubicado en Viesca, Coahuila, con una capacidad de 754 MW. Fotografía tomada de: Secretaría de Energía (https://www.gob.mx/sener).

cálculo realizado con la irradiación so-

lar percibida en el Altiplano potosino

requeriría de un área efectiva de 636

km2. En realidad varias plantas solares

pueden construirse en varios estados

y contribuir junto con las demás tecno-

logías de generación (es técnicamente

complejo lograr toda la generación de

esta forma), pero los cálculos hablan

del enorme potencial que tiene Méxi-

co para generar energía eléctrica por

medio del sol.

En el año 2008 entró en vigor en Mé-

xico la Ley para el Aprovechamiento

de Energías Renovables y el Finan-

ciamiento de la Transición Energética,

que fomenta e impulsa la instalación

de generadores con energía renova-

ble. Con la Reforma Energética imple-

mentada en el país a partir de 2013,

se permite la participación de la inicia-

tiva privada a la generación de energía

renovable bajo la rectoría del Estado

para impulsar y promover la inversión

en dichas energías, obtener costos

más competitivos, elevar la producti-

vidad, hacer más atractivas las inver-

siones, incluir las energías limpias en

los mercados y reducir la emisión de

contaminantes.

Apenas en años recientes, la red

eléctrica nacional ha comenzado a te-

ner mayor participación de plantas so-

lares que generan grandes volúmenes

de energía, pasando de 35 millones

de watts (MW) de potencia solar foto-

voltaica instalada en 2012 a 1 646 MW

en 2018 (Secretaría de Energía, 2018).

La contribución más significativa la

proporciona el Parque Solar Fotovoltai-

co Villanueva instalado por la empresa

italiana Enel Green Power e inaugurado

en marzo del 2018 en Viesca, Coahui-

la, con 754 MW y más de 2 300 000

paneles fotovoltaicos (figura 3).

Además, se ha incrementado y es

cada vez más común la participación

de pequeños generadores domésti-

cos, los cuales producen la energía

equivalente a su consumo total o par-

cial. La razón de este auge se debe

principalmente al mejoramiento tec-

nológico y a la significativa reducción

en los costos de estos sistemas. Estas

instalaciones domésticas contribuyen

en conjunto con una pequeña parte

a la generación eléctrica nacional y su

crecimiento sostenido, disminuyen la

carga a las centrales que usan com-

bustibles fósiles y reducen la emisión

de CO2 a la atmósfera.

¿Qué son los inversores

fotovoltaicos?

Tanto las grandes plantas solares de

generación eléctrica como las pe-

queñas instalaciones domésticas ne-

AGOSTO 2019 238 UNIVERSITARIOS POTOSINOS 27INVERSORES SOLARES INTELIGENTES

Los inversores comerciales cuentan ya

con un grado de madurez tecnológi-

ca y cumplen normas internacionales

eléctricas de seguridad y de calidad. Sin

embargo, actualmente existen aspectos

que aún se encuentran bajo investiga-

ción en todo el mundo para mejorar el

aprovechamiento de la energía solar fo-

tovoltaica y optimizar su desempeño al

interactuar con la red eléctrica.

En la actualidad se han logrado efi-

ciencias superiores a 95 por ciento en

inversores, llegando incluso a 99 por

ciento en algunos casos, según la infor-

mación que proporcionan los fabrican-

tes en las especificaciones técnicas de

sus productos (https://enphase.com,

www.fronius.com, www.sma-america.

com, https://en.sungrowpower.com

y https://new.abb.com). El incremen-

to en la eficiencia del inversor se ha

logrado con el uso de nuevos mate-

riales en sus componentes, pero un

aumento adicional también puede lo-

grarse mediante un buen diseño

Figura 4.

Sistemas de generación de energía solar fotovoltaica: a) Interconectado a la red yb) Aislado con almacenamiento de energía.

Figura 5.

Inversores comerciales para instalaciones eléctricas solares.

Fuentes: Enphase (https://enphase.com),

Fronius (www.fronius.com), SMA (www.sma-america.com),

Sungrow (https://en.sungrowpower.com) y ABB (https://new.abb.com).

Figura 6.

Inversores inteligentes en sistemas solares fotovoltaicos operando en una microrred eléctrica.

Paneles fotovoltaicos

Inversor

Cargas eléctricas

Medidor bidireccional

Conexión

a la red

kWh

Paneles fotovoltaicos

Inversor

Cargas eléctricas

Baterías

Controlador de

carga/descarga

a)

Microred

Red eléctrica

Carga Carga

Generador/cargaGenerador/carga

Carga

Almacenamiento

AlmacenamientoVehículos eléctricosCarga/almacenamiento Otros

generadores

Conexióna red

Inversorinteligente Compensación de potencia reactiva Compensación de armónicos Gestión de energía Diagnóstico de las fallas Diagnóstico en tiempo real Interacción con elementos de la red

b)

Inversor Enphase de 350 W para un panel

Inversor Fronius de 3 kW de aplicación

residencial

Inversor Sungrow de 125 kW de aplicación comercial

Inversor SMA de 1 MWpara plantas solares

Inversor ABB de 2 MW para plantas solares

Inversor SMA de 30 kW de aplicación comercial

UNIVERSITARIOS POTOSINOS 238 AGOSTO 201928

y control adecuado de la electrónica

de potencia basado en reducción de

pérdidas.

Aun cuando los inversores han alcan-

zado un cierto grado de madurez en

su operación, una desventaja es que

la degradación de sus componentes

electrónicos de potencia hacen que

éstos tengan un tiempo de vida relati-

vamente corto (de tres a 10 años), de-

pendiendo de la calidad y la marca, en

comparación con el tiempo de vida de

los paneles solares fotovoltaicos (de

25 a 40 años). Los fabricantes propor-

cionan garantías de fábrica en los in-

versores que van desde uno hasta 10

años, en el mejor de los casos, siendo

más costosos conforme se aumenta

el periodo. Esto significa que durante

el tiempo de vida de una instalación

solar, podría esperarse la sustitución o

reparación del inversor en dos o tres

ocasiones. La mejora en el tiempo de

vida del inversor es otro tema que si-

gue investigándose.

Por principio fundamental los inverso-

res fotovoltaicos tienen sólo la utilidad

de convertir la potencia generada por

los paneles en potencia aprovechable

por el usuario. No obstante, estos se

deben mejorar y desarrollar para co-

nectarse a las redes eléctricas que

operarán en el futuro. Serán necesa-

rios los inversores inteligentes con ca-

pacidades y tareas extendidas, además

de funciones de comunicación y de

gestión de energía que permitan inte-

ractuar con otros generadores, almace-

namientos de energía y con los usua-

rios en la red, efectuando en conjunto

un control optimizado de los flujos de

energía y ayudando así al control gene-

ral de la red. Estos inversores formarán

parte activa de las denominadas redes

eléctricas inteligentes. Una representa-

ción de inversores fotovoltaicos inteli-

gentes operando en la red se muestra

en la figura 6.

Investigaciones sobre inversores

para sistemas fotovoltaicos en la

UASLP

El Centro de Investigación y Estudios

de Posgrado de la Facultad de Ingenie-

ría de la Universidad Autónoma de San

Luis Potosí (UASLP), por medio del La-

boratorio de Calidad de Energía Eléctri-

ca y Control de Motores (Labceecm),

desarrolla proyectos enfocados en el

diseño y control automático de los in-

versores, en mejorar su confiabilidad y

en proporcionarles funciones adicio-

nales al procesamiento de la energía

captada por los paneles solares, como

capacidades de compensación e inte-

racción con los elementos de la red

eléctrica, contribuyendo así al desarro-

llo de inversores inteligentes.

Una de estas funciones adicionales es

la compensación de potencia reactiva,

que es un tipo de potencia no aprove-

chable demandada por algunos tipos

de cargas, y puede llevar a tener ma-

yores pérdidas en el sistema eléctrico.

La compensación de potencia reactiva

tiene como efecto la disminución de la

corriente eléctrica que fluye por el sis-

tema, lo que se traduce en menos pér-

didas. Puede compensarse la potencia

reactiva asociada a las cargas locales

en una instalación, de esta manera se

reduce aún más el consumo de watts.

A gran escala, un gran número de in-

versores compensando potencia reac-

tiva pueden contribuir a la regulación

del voltaje de la red eléctrica, aportan-

do con ello a su estabilidad.

Los inversores de las plantas a gran

escala tendrían la misma función, pero

con una contribución mucho más sig-

nificativa. Se han reportado varios tra-

bajos en todo el mundo, incluso los

fabricantes comerciales comienzan a

ofrecer esta función (www.sma-ame-

rica.com, https://new.abb.com y

https://en.sungrowpower.com). En la

UASLP también se ha contribuido a

demostrar su viabilidad para sistemas

solares con inversores de mayor ten-

sión (González, Cárdenas, Miranda y

Álvarez-Salas, 2019).

Otra función que es posible asig-

narle al inversor fotovoltaico es la

de compensación de armónicos de

corriente. La distorsión armónica es

un tipo de “contaminación” de las re-

des eléctricas, y que diversas cargas

electrónicas comunes —incluso los

Figura 7.

Paneles solares fotovoltaicos del Labceecm de la Facultad de Ingeniería de la UASLP.

GONZÁLEZ, M., CÁRDENAS, V. Y ÁLVAREZ, R. PÁGINAS 24 A 29

AGOSTO 2019 238 UNIVERSITARIOS POTOSINOS 29

Doctor en Ingeniería Eléctrica por la Facultad de Ingeniería de la UASLP, de donde es profesor investigador y trabaja en el Proyecto Conacyt 1950 “Caracterización y desarrollo de convertidores modulares sin transformador para sistemas fotovoltaicos en media tensión interconectados a red”.

MARIO ARTURO GONZÁLEZ GARCÍA

propios inversores por su operación—

provocan e inyectan a la red. Esta

contaminación se vuelve importante

cuando existe un gran número de

cargas electrónicas conectadas a la

red; si los propios inversores también

se encargaran de compensar, pueden

mejorar la calidad de la red eléctrica

y reducir las pérdidas. Se han repor-

tado diversos trabajos que hablan

sobre esta función. En la UASLP tam-

bién se ha demostrado su viabilidad

(González, Cárdenas y Álvarez-Salas,

2019) y actualmente se trabaja para

su aplicación en inversores de siste-

mas solares a gran escala.

Actualmente en la UASLP también se

investiga cómo mejorar la confiabili-

dad en la operación de los sistemas

fotovoltaicos y se desarrollan algorit-

mos de diagnóstico de fallas que per-

mitan no sólo detectar cuándo falla

el inversor, sino que además provea

una localización automática del com-

ponente que falló. Conocer de ante-

mano el componente dañado ayuda-

ría a dar un mantenimiento ágil y a

reestablecer el servicio más rápido,

de esta forma disminuye la afectación

a los usuarios y se reducen pérdidas

económicas.

Para las tareas de detección de fallas,

es conveniente emplear el mismo dis-

positivo controlador y los mismos sen-

sores de voltaje y corriente que ya uti-

liza el inversor para su operación, por

lo que la implementación de este sis-

tema no agregaría un costo adicional.

Para detectar fallas en los componen-

tes del inversor se realiza un procesa-

miento digital de las señales captadas

por los sensores, y mediante técnicas

matemáticas se extrae información so-

bre el tipo y ubicación de la falla. Los

sistemas de detección de fallas son

de mayor utilidad en las plantas sola-

res que emplean un gran número de

paneles e inversores, dado que éstas

tienen un mayor compromiso en no

interrumpir o disminuir la generación

de energía.

Otro tema de investigación que se

aborda para otorgarle inteligencia al

inversor, es que éste pueda interac-

tuar con una red eléctrica inteligente,

pudiendo ésta ordenarle inyectar total

o parcialmente la potencia generada

por el sol, y de controlar la cantidad de

potencia reactiva y de contaminación

armónica que compensará. También

que el inversor pueda interactuar con

otros generadores, medios de alma-

cenamiento de energía y con usuarios

vecinos, para decidir a quién entregar-

le la energía excedente o de dónde

tomar la energía cuando se requiera

consumir por el usuario local; controlar

cuánto se manda de energía a cierto

o ciertos usuarios y cuánto hacia cen-

trales o bancos de almacenamiento de

energía. A esto se le llama capacidad

de gestión de energía.

Para operar los inversores con un siste-

ma de gestión de energía se requieren

algoritmos matemáticos que corran en

tiempo real y que den soluciones a sis-

temas de ecuaciones que representan

al sistema, para optimizar el funciona-

miento de acuerdo con una cierta ne-

cesidad específica.

Estos estudios contribuyen al desarro-

llo de tecnología para inversores en

sistemas solares fotovoltaicos e impac-

tan en la formación de profesionistas

preparados para enfrentar los retos

tecnológicos que se presenten en la

nueva generación de energías limpias

y en la operación futura de las redes

eléctricas inteligentes.

Referencias bibliográficas:Secretaría de Energía (2018). Reporte de Avance de Energías

Limpias (primer semestre). México. Recuperado de: https://www.gob.mx/cms/uploads/attachment/file/418391/RAEL_Primer_Semestre_2018.pdf

Secretaría de Energía (2018). Prospectiva de Energías Renova-bles 2018-2032, México. Recuperado de: https://www.gob.mx/sener/documentos/prospectivas-del-sector-energetico

Secretaría de Energía (2018). Prospectiva del Sector Eléctrico 2018-2032, México. Recuperado de: https://www.gob.mx/sener/documentos/prospectivas-del-sector-energetico

González, M., Cárdenas, V., Miranda, H. y Álvarez-Salas, R. (2019). Modular multilevel converter for large-scale photo-voltaic generation with reactive power flux and unbalanced active power extraction capabilities. Mathematics and Computers in Simulation, Elsevier, 162, pp. 135-154. DOI: 10.1016/j.matcom.2019.01.007.

González M., Cárdenas V., Álvarez-Salas R. (2019). Generation of new harmonics caused by the processing of DQ trans-formation in power quality compensators. International Transactions on Electrical Energy Systems, John Wiley & Sons Ltd., 29(2). DOI: 10.1002/etep.2717.

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