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SFCR: ConceptosGenerales

Oscar PerpiñánLamigueirohttp://

oscarperpinan.github.io

SistemasFotovoltaicos deConexión a Red

Inversor de CR

SFCR: Conceptos Generales

Oscar Perpiñán Lamigueirohttp://oscarperpinan.github.io

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Sistemas Fotovoltaicos de Conexión a Red

Inversor de CR

Sistemas Fotovoltaicos de Conexión a RedDefiniciónMecanismos de RetribuciónSFCR en suelo y en edificaciónCondiciones técnicas de la conexión

Inversor de CR




SistemasFotovoltaicos deConexión a RedDefinición

Mecanismos de Retribución

SFCR en suelo y enedificación

Condiciones técnicas de laconexión

Inversor de CR

Definición de un SFCR

Un Sistema Fotovoltaico Conectado a la Red (SFCR) es unsistema cuya función es producir energía eléctrica encondiciones adecuadas para poder ser inyectada en la redconvencional.

Ge f , Ta

Generador FV

Pdc

=

∼Inversor

Pac

b

Protecciones

Red

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Mecanismos de retribución

I La energía producida por este sistema seráconsumida parcial o totalmente en las cercanías, y laenergía sobrante será inyectada en la red para sudistribución a otros puntos de consumo.

I Mecanismos de retribuciónI Prima (Feed-in tariff)I Balance neto (Net-metering)

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Retribución con prima

I Ingresos por la energía total producida(independientemente de la que haya sido consumidaen las cercanías del SFCR).

I El diseño no necesita considerar un consumo asatisfacer.

I Objetivo: producción anual del sistema sea lamáxima posible sin tomar en consideración losconsumos cercanos.

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Balance neto

I Compensa los saldos de energía eléctrica entre elSFCR y un sistema de consumo asociado.

I Cuando la producción del SFCR supera al consumo,la red eléctrica absorbe el excedente puntual,generándose derechos de consumo diferido.

I Estos derechos de consumo se pueden ejercercuando la producción del SFCR no es suficiente parasatisfacer el consumo asociado.

I El diseño debe incluir el consumo asociado comouna variable adicional que condicionará el tamaño delgenerador fotovoltaico.

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Características distintivas sobre suelo y enedificación

I Sobre sueloI Sistemas estáticos, con una inclinación y orientación

fijaI Sistemas de seguimiento, que varían la posición del

generador a lo largo del día y año para maximizar laradiación efectiva incidente

I Sobre edificación, según el grado de integraciónI GeneralI Superposición de módulos: colocación paralela a la

envolvente del edificioI Integración arquitectónica: doble función energética

y arquitectónica; sustituyen elementos constructivosconvencionales o son elementos constituyentes de lacomposición arquitectónica

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SFCR sobre suelo

I Objetivo: maximizar la producción energética anualdel sistema con el menor coste y la menor ocupaciónde terreno posibles

I El diseñador debe decidir el tamaño del generadorteniendo en cuenta:I Inversión económica (relacionada principalmente

con la potencia del generador)I Rendimiento económico deseado (relacionado con la

energía producida por el sistema y, por tanto, con elmodo de seguimiento empleado)

I Ocupación de terreno (relacionado con el modo deseguimiento empleado).

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Estructuras sobre suelo

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SFCR sobre suelo: seguimiento

I Fundamento:I Radiación incidente aumenta al seguir al solI Pérdidas por reflexión disminuyen si el

apuntamiento al sol mejora

I Las diferentes técnicas de seguimiento son uncompromiso entre un apuntamiento perfecto ysistemas estructurales más económicos y mejoresaprovechamientos del terreno.

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SFCR sobre suelo: seguimiento

I Doble ejeI Apuntamiento «perfecto»I Mejor productividad, peor ocupación de terreno.

I Seguimento acimutalI Sacrifica un movimiento (inclinación del generador)

para conseguir sistemas más económicos.

I Seguimiento horizontal con eje Norte-SurI Sencillez y estabilidad estructural (el eje es

horizontal y paralelo al terreno, con tantos puntos deapoyo como se consideren necesarios),

I Facilidad de motorización,I Buen aprovechamiento del terreno.

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Seguidor de eje horizontal N-S

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Seguidor de doble eje

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SFCR en edificación

I La integración del sistema fotovoltaico con el edificioexige tener en cuenta muchos factores quecondicionan la ubicación y la configuración delgenerador.

I El diseñador debe tomar las decisiones oportunaspara aprovechar las sinergias entre edificio ysistema fotovoltaico, reduciendo las posiblesinterferencias entre uno y otro.

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Integración arquitectónica

I Cubierta InclinadaI Cubierta PlanaI ParasolI Fachada AcristaladaI Muro CortinaI AparcamientoI . . .

http://www.pvdatabase.org/

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http://www.pvdatabase.org/








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Cubierta Inclinada

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Cubierta Plana

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Parasol

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Fachada Acristalada

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Muro Cortina

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Aparcamiento

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SFCR en edificación: CTE-HE5

I El CTE-HTE5 divide España en cinco zonasclimáticas de acuerdo al valor medio anual de laradiación global diaria en el plano horizontal.

I Por ejemplo, toda la cornisa cantábrica estáencuadrada en la zona I (radiación inferior a3,8 kW h m−2) mientras que Canarias y parte deAndalucía pertenecen a la zona V (radiaciónsuperior a 5 kW h m−2) .

I Este Código aboga por instalar mayor potencia en laszonas con mayor radiación.

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Inversor de CR

SFCR en edificación: CTE-HE5

I Potencia nominal a instalar

Pmin = C · (0.002 · S− 5)

I Esta potencia debe ser inferior a 100 kW.I C = 1 para zona climática I, C = 1.4 para zona

climática V.I Aplica sólo cuando S > 5000 m2.

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Inversor de CR








Inversor de CR

SFCR en Edificación: sistemas eléctricos

I En este tipo de SFCR el diseño de los sistemaseléctricos debe tener en cuenta las canalizacionesprevistas o existentes en el edificio.

I Por facilidad de instalación y mantenimiento, y porseguridad de los sistemas, es recomendable el uso decanalizaciones separadas del resto de sistemas deledificio.

I Sin embargo, los criterios de seguridad eléctricaaconsejan utilizar una red de tierras común para eledificio y el sistema fotovoltaico.

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Inversor de CR

Separación entre comercialización ygeneración

I La reglamentación eléctrica española establece laseparación administrativa entre la comercialización yla distribución de la energía (así, la empresa que nosvende energía eléctrica en nuestro hogar es distinta ala que compra la energía que produce el sistema quepodamos tener en nuestro tejado).

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Inversor de CR

Generación distribuida

I Por tanto, al menos administrativamente, lageneración fotovoltaica y el consumo cercano sondos elementos independientes.

I No obstante, es claro que la corriente eléctrica noentiende de leyes ni contratos, sino que fluye segúnlas leyes de Kirchhoff.

I Así, la energía producida por un SFCR seráconsumida parcial o totalmente en el propio edificio(generación distribuida).

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Inversor de CR

El problema de la medida

I La separación existente entre empresacomercializadora y empresa distribuidora se reflejaen la separación de contratos y facturas, y por tanto,también de elementos y puntos de medida.

I Es decir, no pueden utilizarse las lecturas de doscontadores distintos (uno de venta y otro de compra)para componer una única factura.

I El sistema fotovoltaico debe conectarse en un puntopropiedad de la compañía eléctrica (por tanto,externo a las instalaciones eléctricas propias deldomicilio, empresa, etc).

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Inversor de CR

Ejemplo: suministro en MT

I Titulares con contrato de suministro en MediaTensión con instalaciones fotovoltaicas de potenciamenor a 100 kWI A pesar de que la potencia fotovoltaica es menor que

el valor que obliga a la conexión en MT, la otraobligación de conexión en punto propiedad de lacompañía eléctrica implica el uso de untransformador BT-MT distinto al usado paraconsumo.

I Sin embargo, esta solución conlleva pérdidasenergéticas e incremento de inversión de lainstalación que la pueden hacer inviable.

I La posibilidad de inyectar aguas abajo deltransformador de consumo y hacer los balancesnecesarios en las facturas de venta y consumo,utilizando las medidas de los respectivos contadoreses posible bajo el RD 1699/2011.

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Inversor de CR

Ejemplo: comunidades de vecinos

I Titulares en edificios de varias viviendasI De nuevo, la necesidad de realizar la conexión aguas

arriba al contador de consumo, implica en este casola instalación de cableado bajante desde la viviendaen cuestión hasta la sala de protecciones del edificio.

I Esta solución no es siempre fácil ni técnicamente (nosiempre existe espacio o canalizaciones disponiblesen la bajante del edificio) ni administrativamente (esnecesario el permiso de la comunidad de vecinos).

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Inversor de CR


Inversor de CRConceptos GeneralesTipos de InversoresCaracterísticas básicasComposiciónFuncionamientoIslanding





Inversor de CRConceptos Generales

Tipos de Inversores

Características básicas

Composición

Funcionamiento

Islanding

Acoplamiento a la red

La potencia suministrada por un generador fotovoltaicoiluminado es de tensión continua, que debe seradecuadamente acondicionada para permitir elfuncionamiento correcto de las cargas conectadas en unsistema autónomo o el acoplamiento a la red eléctrica enel caso de sistemas de conexión a red.

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Tipos de Inversores


Composición

Funcionamiento

Islanding

Definición

I El equipo de acondicionamiento de potencia,denominado inversor DC/AC, realiza la conversiónde continua a alterna cumpliendo condeterminados requisitos de tensión eficaz,frecuencia, distorsión armónica de las ondas detensión y corriente, rendimiento instantáneo ymedio, seguridad eléctrica, etc.

I Funciona como fuente de corriente autoconmutada ysincronizada con la red.

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Tipos de Inversores


Composición

Funcionamiento

Islanding

Tipos de inversores

A grandes rasgos, los inversores pueden agruparse entres categorías:

I Inversor central: un único inversor dedicado a todoel generador (o a un conjunto de ramas)

I Inversor orientado a rama (string-inverter): uninversor dedicado a una rama del generador.

I Módulo-AC: un inversor dedicado a un módulo delgenerador.

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Tipos de Inversores


Composición

Funcionamiento

Islanding

Inversores de Rama

I Los inversores orientados a rama sonparticularmente útiles en algunos sistemas deintegración arquitectónica, al poder adaptarse mejora las condiciones de funcionamiento conorientaciones e inclinaciones diversas.

I Los inversores módulo-AC deben descartarse encualquier caso (salvo pequeños sistemasdemostrativos).

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Tipos de Inversores


Composición

Funcionamiento

Islanding

Inversores Centrales

I Los inversores centrales son recomendables parainstalaciones de medio o gran tamaño. Permitenreducir costes (de adquisición, instalación ymantenimiento) y aumentar fiabilidad y eficiencia.

I La potencia del inversor debe estar en consonanciacon la potencia del generador (una planta de 1MWp debiera contar con 10 inversores de 100 kW o 4de 250 kW, pero no con 200 de 5 kW).

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Tipos de Inversores


Composición

Funcionamiento

Islanding

Potencia y ventana MPP

I Potencia nominal y máxima, siendo ésta unporcentaje de sobrecarga que el equipo es capaz desoportar durante un determinado período de tiempo(indicado por el fabricante).

I Ventana de búsqueda del Punto de MáximaPotencia (MPP en siglas inglesas): es el rango detensiones en las que el inversor aplica un algoritmode búsqueda del MPP del generador fotovoltaico.

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Tipos de Inversores


Composición

Funcionamiento

Islanding

Tensiones

I Tensión máxima de entrada: es la máxima tensiónque el inversor puede aguantar sin sufrir una avería.

I Tensión nominal de salida: es la tensión de red a laque se puede conectar el inversor (habitualmente 230Vac para equipos monofásicos y 400 Vac paraequipos trifásicos).

I Umbral de arranque: según las unidades en las quese expresa, puede indicar la radiación solar incidenteen el generador (W m−2) o la potencia de entrada(W) necesaria para que el inversor comience elproceso de conversión.

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Tipos de Inversores


Composición

Funcionamiento

Islanding

Eficiencia y Rendimiento

I Eficiencia máxima: máximo valor que toma larelación entre potencia de salida y potencia deentrada. En inversores de calidad la eficiencia esestable en un amplio rango de funcionamiento delequipo y de un valor cercano a la eficiencia máxima.

I Rendimiento europeo: es la relación entre la energíaentregada por un inversor que recibe una energíaproducida por un generador fotovoltaicofuncionando en unas condiciones de radiacióncaracterísticas de la zona centroeuropea.

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Tipos de Inversores


Composición

Funcionamiento

Islanding

Entrada

VPV

+

CPV

LB

SB

DB

CDC

Convertidor DC/DC (Boost)

S1

S2

S3

S4

Linv

Tinv

Inversor DC/AC

Vred

I Filtro de entrada: atenúa el rizado que produce laconmutación en la corriente de entrada

I Convertidor DC/DC: adecúa (eleva o reduce) latensión de salida del generador a la tensión necesariapara el puente de conmutación. Puede realizar lasfunciones de búsqueda del punto de máximapotencia.

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Tipos de Inversores


Composición

Funcionamiento

Islanding

Puente y salida

VPV

+

CPV

LB

SB

DB

CDC


S1

S2

S3

S4

Linv

Tinv

Inversor DC/AC

Vred

I Puente inversor: realiza el troceado de la señalcontinua para convertirla en alterna

I Filtro de salida: elimina o atenúa los armónicos nodeseados

I Transformador: adecua el valor de tensión de salidadel puente al de la red y proporciona aislamientogalvánico entre la parte DC y AC.

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Tipos de Inversores


Composición

Funcionamiento

Islanding

Control

VPV

+

CPV

LB

SB

DB

CDC


S1

S2

S3

S4

Linv

Tinv

Inversor DC/AC

Vred

I Control: realiza la supervisión de la entrada y salidadel convertidor DC/DC y del puente inversor yentrega las consignas correspondientes para localizary seguir el MPP del generador, y para obtener unaseñal sinusoidal con bajo contenido en armónicos enla salida del inversor.

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Tipos de Inversores


Composición

Funcionamiento

Islanding

Modulación SPWM

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Tipos de Inversores


Composición

Funcionamiento

Islanding

Busqueda del Punto de Máxima Potencia

Tensión de célula (V)

0

1

2

3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Isc

Impp

VocVmpp

MPPPotencia (W)Corriente (A)

dPdV > 0 0 < V < VmppdPdV = 0 V = VmppdPdV < 0 Vmpp < V < Voc

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Tipos de Inversores


Composición

Funcionamiento

Islanding

Busqueda del Punto de Máxima Potencia

Tensión de célula (V)

0

1

2

3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Isc

Impp

VocVmpp

MPPPotencia (W)Corriente (A)

dIdV > − I

V 0 < V < VmppdIdV = − I

V V = VmppdIdV < − I

V Vmpp < V < Voc

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Tipos de Inversores


Composición

Funcionamiento

Islanding

Transformador de salida

VPV

+

CPV

LB

SB

DB

CDC


S1

S2

S3

S4

Linv

Tinv

Inversor DC/AC

Vred

I El transformador permite adecuar el nivel de tensiónde salida del puente de conmutación a la tensión dered.

I La componente inductiva del transformador es partedel filtro de salida y sirve como acoplamiento entrela red eléctrica y la salida del inversor.

I Establece el aislamiento galvánico entre la entradadel inversor (DC) y la salida (AC).

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Tipos de Inversores


Composición

Funcionamiento

Islanding

Opciones comerciales

Existen tres opciones en el mercado de inversores deconexión a red:

I Inversores con transformador de salida en bajafrecuencia

I Inversores sin transformadorI Inversores con transformador de alta frecuencia

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Tipos de Inversores


Composición

Funcionamiento

Islanding

Normativa relativa al transformador

La normativa vigente en España obliga al uso de untransformador de aislamiento o elemento equivalentepara cumplir tres objetivos:

1. Aislar la instalación generadora para evitar latransferencia de defectos entre la red y la instalación

2. Proporcionar seguridad personal3. Evitar la inyección de corriente continua en la red.

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Tipos de Inversores


Composición

Funcionamiento

Islanding

Normativa: Nota de Interpretación Tecnica

I Objetivos 1 y 2 se consiguen mediante la adecuadaconexión de masas y tierras en el sistema.

I Objetivo 3: «la corriente continua inyectada en lared de distribución por una instalación generadorano será superior al 0,5% de la corriente nominal dela misma», cumplido «cuando se disponga en lainstalación de un transformador separador entre elinversor y el punto de conexión de la red dedistribución». Los inversores con transformador de altafrecuencia o sin transformador deben demostrar elcumplimiento de este requisito mediante un ensayodescrito en esta nota.

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Tipos de Inversores


Composición

Funcionamiento

Islanding

Definición del problema

Generador FV

=

∼Inversor

b b

PPVQPV

b

bPcargaQcarga

Carga

b b

Red

∆P−

∆Q−

Ge f , Ta

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Tipos de Inversores


Composición

Funcionamiento

Islanding

Ecuaciones básicas

Antes de la desconexión:

∆P = Pcarga − PPV

∆Q = Qcarga −QPV ' Qcarga

siendo:

Pcarga =V2

Rcarga

Qcarga =V2

ωL−V2ωC

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Tipos de Inversores


Composición

Funcionamiento

Islanding

Casos posibles

I ∆P− > 0→ Pcarga > PPV. Al producirse ladesconexión, dado que PPV no cambia, disminuye lapotencia entregada a la carga, y por tanto baja latensión.

I ∆P− < 0→ Pcarga < PPV. Al producirse ladesconexión, aumenta la potencia entregada a lacarga, y por tanto sube la tensión.

I ∆Q− > 0→ Qcarga > 0. La carga es inductiva. Alproducirse la desconexión, dado que el generadorFV no entrega reactiva, la reactiva debe tender a 0, ypor tanto aumenta la frecuencia.

I ∆Q− < 0→ Qcarga < 0. La carga es capacitiva. Lareactiva debe tender a cero, y por tanto disminuye lafrecuencia.

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Tipos de Inversores


Composición

Funcionamiento

Islanding

Ventana de no-detecciónCuando las condiciones de trabajo del generador y elconsumo antes de la desconexión son muy cercanas,existe una ventana de no-detección.

∆P

∆Q

UV

OF

OV

UF

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Tipos de Inversores


Composición

Funcionamiento

Islanding

Estudio experimental IEA-PVPS

I La probabilidad de que se de una situación debalance entre consumo y generación en una red deBaja Tensión está entre 10−5 y 10−6.

I Para que se de una situación de isla, este balancedebe coincidir con una desconexión de la red: laprobabilidad de ocurrencia simultánea de estos dossucesos es virtualmente nula.

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Tipos de Inversores


Composición

Funcionamiento

Islanding

Estudio experimental IEA-PVPS

I El riesgo eléctrico existente en cualquier red eléctricaes del orden de 10−6.

I Este estudio mostró que el riesgo de accidenteeléctrico asociado a un sistema fotovoltaicofuncionando en isla bajo los escenarios de mayorpenetración fotovoltaica era inferior a 10−9.

I Este resultado indica que el riesgo asociado alaccidente eléctrico por isla FV no incrementa elriesgo que ya existe en las instalaciones eléctricas.

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