nuevos procedimientos de optimizaciÓn - … los interruptores s1 y s3 para generar tensión cero de...

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Antonio Domínguez VázquezUniversidad de Valladolid -

Asoc. LACECALMétodos de optimización

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NUEVOS PROCEDIMIENTOS DE OPTIMIZACIÓN

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NUEVOS PROCEDIMIENTOS DE OPTIMIZACIÓN

•

La optimización de una planta tiene dos puntos principales:–

En los paneles: Todos los paneles agrupados deben trabajar en su punto de máxima potencia. Pérdidas por mismatch.

•

Estudio detallado de las características de cada inversor individual: TESTEO

–

En el inversor: Como la potencia de entrada es variable: Pérdidas en inversor.

•

Métodos diversos.

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Visto el inversor como un todo las pérdidas dependen de los siguientes factores:

•

El factor de potencia: no es igual el rendimiento a factor de potencia unidad que a factor de potencia inductivo o capacitivo.

•

El factor de carga: es la potencia de salida respecto a su nominal en tanto por ciento. Suelen estar diseñados para obtener su mejor rendimiento a una potencia dada. (el 50% de la nominal aprox.) puesto que la mayor parte del tiempo estará

funcionando alrededor de esa potencia.

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Convertidores CC/CALa tensión de entrada: gran problema para determinar el

rendimiento de un inversor ya que esta puede ser variable debido a la naturaleza de las plantas fotovoltaicas. Depende:

•

Tipo de semiconductor usado y de su circuito de disparo (driver).

•

Si es de conexión a red con transformador - >mayor rendimiento a baja tensión, mientras que

uno sin transformador (transformerless) (España no) lo suele tener a mayor tensión.

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Convertidores CC/CAmuy difícil mostrar una única gráfica de rendimiento puesto que depende de diversos factores muy cambiantes en las plantas fotovoltaicas.

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Convertidores CC/CA“Factor de rendimiento Europeo”-> para uniformizar el rendimiento que se define de la siguiente forma:

•Se calculan unos tiempos de funcionamiento en % sobre su vida total anual. •Favorece a los inversores cuya mejor eficiencia se sitúe en el 50% de su carga nominal. •Las eficiencias a bajas potencias, así

como la calidad de

la onda generada es realmente muy pobre y ello perjudica a la carga receptora, ya sea la red o el electrodoméstico que tengamos conectado.

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Problemática y soluciones– Topología H4– Topología H6– Topología H5– Topología HERIC– Topología UltraEta® de REFU– Sistema MIX de Fronius– Sistema MODEN – Sistema CPD/TEAM – Sistema String de ASM– Otros sistemas.

Convertidores CC/CA

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Problemática 1/3

•

Transformador: 2% aprox.de pérdidas + aumenta coste•

Gran impulso a los inversores “transformerless”

para lograr

una mayor eficiencia, economía y ligereza •

En estos inversores se ha de exigir que cuenten con mecanismos de seguridad adicionales:pruebas de resistencia de aislamiento y de medición de corriente residual (RCD) para asegurar que sean tan seguros como los inversores con transformador.

•

Difícil en fenómenos de descarga, sobretensiones y cortocircuitos, fenómenos mucho más rápidos que cualquiera de los elementos mencionados.

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Problemática 2/3•

También como consecuencia de eliminar el transformador, se elimina también el acceso al neutro de la red

y por ello

a un punto de referencia común al inversor y a la carga, en este caso la red. -> módulo fotovoltaico forma flotante

.

Con ello una parte de la amplitud de tensión alterna llega al módulo. Esa tensión oscila con una frecuencia de 115 V/50 Hz.

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Problemática 3/3•

Consecuencia directa de esta tensión de flotación: capacidades parásitas de los módulos pueden llegar a ser de un valor entre 1nF y 5nF provocan corrientes de fuga considerables de hasta 50mA,

•

Motivan constantes problemas de desconexión de los inversores, ya que que pueden hacer disparar las protecciones de aislamiento instaladas para proteger a personas de posibles descargas desde la instalación

•

Con transformador con neutro para unir estructuras y/o punto medio de los paneles fotovoltaicos a tierra, la tensión de los módulos fotovoltaicos sólo fluctúa un ripple (rizado) de pocos voltios.

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topología H4: inductancias divididas.•

Primer cambio en la topología respecto la convencional de puente monofásico

•

La modificación consiste en dividir la bobina de filtrado en dos, una en cada rama, con el objetivo de igualar las impedancias vistas desde la entrada de continua positiva y la negativa, usando conmutación BIPOLAR (S1+S4; S2+S3; nunca cero).

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topología H4: inductancias divididas.

•

Cualquier otra topología y/o método de conmutación causan tensiones fluctuantes entre los paneles y tierra y provocan que la capacidad parasita del generador fotovoltaico aumente considerablemente

•

La eficacia inversor puede subir entre el 96% y el 97% en inversores de hasta 10 kW.

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topología HERIC•

High Efficiency and Reliable Inverter Concept desarrollado por la Universidad de Fraunhofer y comercializado por la empresa Sunways.

Convertidores CC/CA

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•

los polos de potencia S1-S4 y S3-S2 funcionan como un PWM convencional en montaje en puente monofásico H4 inductancias divididas

•

Se sustituyen los diodos de libre circulación por las ramas de los polos S5 y S6. Además tiene la ventaja de mejorar el contenido armónico de la corriente de salida. GENERADOR SOLAR FLOTANTE AISLADO

topología HERIC

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•

Aumento de rendimiento a bajas cargas•

Impide la recirculación de corrientes y por lo tanto las pérdidas por capacidades parásitas.

•

Mejora el contenido armónico de la corriente de salida.•

Como contrapartida necesita de un mayor número de polos de potencia

topología HERIC

Convertidores CC/CA

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topología H6 de INGETEAM•

Se cambian los dos polos S5 y S6 de la topología de HERIC de la salida del puente a la entrada del mismo, evitando los diodos D1 y D2.

•

Generador solar queda desconectado para evitar escalones de tensión: flotante respecto tierra.

•

Así

que cuando se genera tensión cero, S5 y S6 tienen que estar abiertos.

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topología H5 de SMA•

Simplificación anterior patentada en 2005. SMA.

•

Utiliza los interruptores S1 y S3 para generar tensión cero de salida, mientras los interruptores S5, S2 y S4 se cortan para desconectar el generador solar

•

Mediante el uso de los polos S2 y S4 para desconectar el polo negativo del generador solar, se puede eliminar el polo S6 de la configuración anterior.

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•

Inversores de Refu elektronik–

Factor de eficiencia Máximo superior al 98%

–

Factor de eficiencia Europea superior al 97% en todo el rango de 400., 800VDC

–

Novedoso PMP de seguimiento

Topología UltraEta® de REFUConvertidores CC/CA

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topología REFU

Convertidores CC/CA

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•

Única topología de 5 niveles.•

Inversor trifásico dividido en dos etapas.

•

Filtro de interferencias entre paneles y entrada CC.

•

El dispositivo cuenta con un divisor capacitivo con punto medio conectado al cable neutro de red.

•

Posee dos puentes trifásicos de salida, que están conectados en paralelo, tipo B6

topología REFU (fuente:Revista Photon)

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•

El primer puente está

conectado directamente a la entrada CC. •

El segundo puente es alimentado por dos elevadores(booster) que se encuentran en el terminal positivo y en el negativo de entrada, los cuales alimentan un segundo divisor capacitivo.

topología REFU

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•

Para los pequeños valores instantáneos de las tensiones de la red, se hace conmutar el puente B6 de menor tensión (polos S11 a S16). Para valores superiores de la tensión instantánea, se usa el puente B6 de mayor tensión (polos S21 a S26). Para obtener valores de tensión cero con este puente se usan los polos S31 a S36 para los dos puentes. La misión de los diodos D11 a D16 es evitar los cortocircuitos entre los

dos niveles de tensión continua que se producirían al conmutar los polos S21 a S26 y polarizarse los diodos de freewheeling de los

polos

S11 a S16

topología REFU

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MIX de Fronius•

Sistema de trabajo Master-Slave.

•

Varios puentes de baja potencia (2’2kW) trabajando en paralelo

•

Objetivo: obtener buenos rendimientos a baja potencia de entrada.

•

Un único control.•

Desventaja: muchos puentes para obtener grandes potencias. Potencias grandes limitadas.

•

Ventaja: la rotura de un inversor no supone gran pérdida de producción.

Convertidores CC/CA

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•EntradaMPP voltage range

210-420V 210-420V

210-420V

Max. input voltage(at 1 kW/m²; -10°C)

530V 530V

530V

Recommended PVplant

output

24-31kWp

32-42kWp

40-52kWp

Max. input current

123 A

164 A 205 A

•SalidaNominal output

24kW 32kW

40kW

Max. power 24kW 32kW 40kW

Max. efficiency 94,3%

94,3%

94,3 %

Euro efficiency 93,3%

93,4%

93,5%

Mains voltage / frequency

3NPE~400 V / 50 Hz Distortion factor

< 5%

Power

factor

1Power consumption at night

9w

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MODEN•

Uso de ultracondensadores para regular la potencia proveniente de los paneles y así:–

Aprovechar los momentos de baja irradiancia

–

Funcionar el cc/ca en su mejor rendimiento

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==

≈≈PVPV

RedRed

UltracondensadoresUltracondensadores

CC/CACC/CA

== ==

DC/DC ?DC/DC ?

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Estrategias MODEN

Salida a potencia constante Salida a potencia constante, CC/CC

Salida a potencia constante, doble nivelSistema mixto moden-convencional

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CPD / TEAM•

Varios campos de paneles de iguales características con conexionado variable a varios inversores en función de la potencia disponible

•

Desventaja: conexionado más caro, necesidad de contactos de bajo consumo o consumo esporádico.

•

Ventaja: a baja irradiancia, toda la potencia se dirige a un solo convertidor -> trabaja en su mejor rendimiento. Sombras, paradas de un campo fotovoltaico no supone un lastre para el resto.

Convertidores CC/CA

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Funcionamiento equipo CPD

Funcionamiento aislado

Grupo de paneles 1

Grupo de paneles 2

Grupo de paneles 3

Grupo de paneles 4

Inversor 1

Inversor 2

Inversor 3

Inversor 4

C1 C2 C3 C4

C5 C6 C7

+ + + +- - - -

Contactores con retención mecánica en cable +Todos los cables -

unidos

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Funcionamiento aislado3 posibles configuraciones:

P1 P2 P3 P4

I1 I2 I3 I4

P1 P2 P3 P4

I1 I2 I3 I4

P1 P2 P3 P4

I1 I2 I3 I4

Configuración 1 a 1

P1

> P2a1

PI1

=P1


P4a1

< P1

< P2a1

PI1

=2·P1


P1

< P4a1

PI1

=4·P1

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Funcionamiento master-slave

Funcionamiento independiente para P1

> Pslave (Configuración 4 a 1 si Pslave

< P1

< P4a1

)Configuración 8 a 1 para P1

< Pslave

. Inversor 1 de masterMisma tarjeta para ambos equipos.

CPD

MASTER

CPD

SLAVE

C8(accionado por

slave)

Línea comunicación

MASTER-SLAVE

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Funcionamiento equipo CPDPotencias de cambio

P1

(w) 8 a 1 4 a 1 2 a 1 1 a 1100 89,14 83,75 76,64 65,3

475 92,43 92,13 89,14 83,75

600 92,77 91,07 87,45

800 92,64 92,13 89,14

950 92,43 92,42 90,12

1000 92,37 92,52 90,39

1200 91,95 92,77 91,07

1400 92,74 91,74

1600 92,64 92,13

1800 92,51 92,34

1900 92,43 92,42

2000 92,37 92,52

2500 91,9 92,78

Rendimiento de inversores para diferentes potencias de entrada y

configuraciones:


P1

> 1900 w


950 w < P1

< 1900 w


475 w < P1

< 950 w

P1

(w) 8 a 1 4 a 1 2 a 1 1 a 1100 89,14 83,75 76,64 65,3

475 92,43 92,13 89,14 83,75

600 92,77 91,07 87,45

800 92,64 92,13 89,14

950 92,43 92,42 90,12

1000 92,37 92,52 90,39

1200 91,95 92,77 91,07

1400 92,74 91,74

1600 92,64 92,13

1800 92,51 92,34

1900 92,43 92,42

2000 92,37 92,522500 91,9 92,78


P1

< 475 w

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Funcionamiento equipo CPDEjemplo funcionamiento

P1 P2 P3 P4

I1 I2 I3 I4

P1 P2 P3 P4

I1 I2 I3 I4

Equipo convencionalP1

= 500 w

η

= 84,78 %

Psal

= 4·η· PI1conv

= 1695,6 w

Equipo CPD

PI1conv

= P1

= 500 wP1

< P4a1


PI1CPD

= 4·P1

= 2000 w

η

= 92,52 %

Psal

= η· PI1conv

= 1850,4 wGanancia: 154,8 w

8,37 %

Rendimiento inversor CC/CA

0102030405060708090

100

0 75 300

600

900

1100

1400

1700

2000

2300

2600

2900

3200

3500

3800

4100

4400

4700

5000

Potencia de entrada (w)

Ren

dim

ient

o (%

)

500 w

84,78 %

2000 w

92,52 %

EquipoConvencional

EquipoCPD

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Funcionamiento equipo CPDComparación de rendimientos

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STRING

CC/CC CC/CC CC/CC CC/CC

CC/CA

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•

Varios campos de paneles de distintas características con conexión a un único inversor

•

Desventaja: al haber varios reguladores CC/CC peor rendimiento.

•

Ventaja: sombras, paradas de un campo fotovoltaico no supone un lastre para el resto. Posibilidad de tener campos de paneles de distintos fabricantes (actualización de viejas plantas)

•

Conclusión: ventajas compensan pérdidas en CC/CC

Convertidores CC/CA: Sistema STRING

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•

Sistema conectado entre paneles para evitar problemas por sombreados

Convertidores CC/CA: Otros Sistemas: SolarMagic (National Semiconductors)

CC/CCCC/CC CC/CC

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•

16V/4 A (64w) si se sombrea 16V/1 A (16w) ¡¡¡

Nos limita la corriente de toda la serie!!!

•

Por lo tanto: conversión de 16v/1 A -> 4v/4 A para no limitar al resto.

Convertidores CC/CA: Sistema SolarMAgic

CC/CCCC/CC CC/CC CC/CCCC/CC CC/CC

nuevos procedimientos de optimizaciÓn - … los interruptores s1 y s3 para generar tensión cero de...

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