Convertidores Electrónicos en Sistemas Fotovoltaicos

Sistemas Fotovoltaicos: Estructuras de Conversión Electrónica

• Los sistemas fotovoltaicos transforman la corriente continua producida por los generadores fotovoltaicos en corriente alterna.
• El convertidor electrónico es el elemento fundamental en la etapa de conversión.
• La etapa de conversión debe funcionar en un amplio rango de tensión de entrada para adaptarse a las configuraciones serie-paralelo de los paneles solares.
• Las estructuras de conversión típicamente reducen la tensión dc/ac y requieren un amplio rango de tensiones de entrada, por lo que a menudo se utiliza un convertidor dc/dc elevador en la entrada de la etapa.
• Existen diversas topologías de convertidores electrónicos dc/dc y dc/ac, con y sin aislamiento galvánico.
• Se utilizan estructuras de elevado rendimiento, generalmente cercanas al 97% o superior a 99% en algunos casos, para la etapa de conversión.
• Los sistemas fotovoltaicos pueden ser conectados a la red o aislados.
• Los sistemas conectados a la red inyectan corriente alterna a la red eléctrica, cumpliendo las especificaciones de la red.
• En los sistemas aislados, la entrada es normalmente una tensión continua fijada por las baterías.
• La salida de los sistemas aislados produce una tensión de alterna adecuada a las cargas a alimentar.
• Los convertidores electrónicos utilizados en sistemas fotovoltaicos incluyen diodos y IGBTs.
• La electrónica de señal controla el sistema, generando las órdenes de control para los semiconductores activos.
• Los convertidores fotovoltaicos comunes son el elevador (para elevar la tensión continua) y el inversor de puente en H (para convertir en alterna la tensión continua).

Convertidor dc/dc Elevador

• El convertidor elevador (boost) está formado por un único diodo y un IGBT.
• No requiere interruptores de tres segmentos.
• El circuito emplea PWM (modulación de ancho de pulso) comparando la tensión triangular (vtri) con una tensión de control (vc).
• En esta clase de topología el valor medio de la tensión de salida (VDC) es mayor que la entrada (VPV).

Convertidor dc/dc Inversor de Puente en H

• En este tipo de modulación, los transistores de cada diagonal (T1-T4 y T2-T3) se emparejan, por lo que solo se necesita una tensión de control.
• Existen técnicas de modulación PWM, incluyendo las técnicas bipolar y unipolar.
• La modulación PWM bipolar conmuta las ramas de forma complementaria, mientras que la unipolar las conmuta por separado.
• La modulación unipolar utiliza la mitad de la frecuencia y la mitad de la amplitud de la modulación bipolar, lo que simplifica el filtrado.

Formas de Onda para Un Inversor de Puente en H (con Modulación Bipolar)

• Las formas de onda se muestran para un inversor de puente en H con modulación bipolar, con la frecuencia de conmutación y la tensión del control, mostrando las tensiones de salida, los rizos de corriente en la bobina, y otros parámetros relevantes.

Formas de Onda para Un Inversor de Puente en H (con Modulación Unipolar)

• Se muestran las formas de onda para un inversor de puente en H con modulación unipolar, incluyendo la tensión de control (vtri) y el voltaje de salida (vAB).

Requisitos generales

• Deben tener una alta eficiencia, ser compactos, tener bajas emisiones electromagnéticas (EMI), alta fiabilidad, mantenimiento sencillo y larga vida útil.
• Incluir monitorización para uso en smartphones.

Requisitos en cuanto a la entrada DC

• Alto rango de tensión de entrada.
• Algoritmos MPPT fiables.
• Bajo rizado en la tensión DC.
• Protecciones para sobretensiones, sobrecargas y sobretemperatura.
• Baja histéresis en el encendido y apagado.

Requisitos en cuanto a la salida AC

• Generación de corriente senoidal.
• Baja distorsión armónica.
• Cumplimiento de las normas de la red.
• Aporte de potencia reactiva.
• Detección de variaciones importantes en la tensión y frecuencia de la red.

Estructura de conversión 1: Inversor

• Estructura más sencilla sin elevador ni transformador.
• Requiere una tensión de entrada mayor que en otras configuraciones.
• Utilizada para potencias más bajas.
• Se muestra el circuito de este inversor.
• La tensión máxima de entrada corresponde a 1000V según el fabricante, pero el punto de máxima potencia está en torno a los 800V.

Estructura de conversión 2: Elevador + Inversor

• Utilizada para voltajes de entrada menores a 350V.
• El elevador aumenta la tensión de entrada hasta un valor cercano a 600V, convirtiendo la tensión DC en una tensión mayor.
• El inversor transforma la tensión en corriente alterna para inyectarla en la red.

Estructura de conversión 3: Inversor + Trafo de baja frecuencia

• Utiliza un transformador para elevar la tensión de entrada del inversor.
• Se emplea en sistemas de baja potencia y bajas tensiones de entrada.
• Utilizada para sistemas de bajo voltaje.

Estructura de conversión 5: DC/DC con trafo de alta frecuencia + inversor

• Se elimina el transformador de baja frecuencia para conseguir un menor peso y coste.
• Se emplean etapas dc/dc con transformadores de alta frecuencia para el aislamiento galvánico.
• Ofrece una mayor eficiencia que la estructura tipo 3.

Estructuras Trifásicas

• Se utilizan para sistemas fotovoltaicos con más de 5 kW.
• Son más eficientes para altas potencias.
• Las estructuras trifásicas funcionan de manera similar a las monofásicas, pero con tres fases en lugar de una sola.

Control del subsistema de conversión

• El control depende del tipo de sistema (conectado o desconectado a la red eléctrica).
• El control en sistemas conectados a la red tiene objetivos como MPPT (máxima potencia), inyección "directa" a la red y control de la corriente y tensión de los paneles.
• Se describe la estructura de los lazos de control para convertidores electrónicos, incluyendo las referencias, controlador, sensor, acondicionador de señal y potencia.

El controlador

• El equipo de control utiliza un tipo de controlador proporcional-integral (PI).
• La parte proporcional da rapidez y la integral elimina errores en estado estacionario.
• El controlador genera la señal de control.
• Se controla las tensiones por medio de condensadores y corrientes por medio de bobinas.

Control en cascada

• Esta estructura de control permite generar la señal de control desde el lazo más interno hacia el más externo, asegurando una mayor estabilidad del sistema.

Esquema general de control para el elevador + puente en H

• Diagrama que muestra el esquema general de control para el elevador de voltaje + puente en H.
• Se incluyen elementos como algoritmos MPPT, lazos de control de corriente, lazos de control de tensión, drivers, y otros nodos clave para la operación correcta del circuito.

Control del elevador

• Debe controlar la tensión de los paneles solares.
• En sistemas con MPPT, la tensión de control del elevador corresponde a la potencia máxima de los paneles.
• El lazo interno controla la corriente, mientras que el externo la tensión.

Control del puente en H

• El puente en H inyecta corriente a la red eléctrica en fase con la tensión de red.
• Se usa un lazo externo para controlar la tensión del condensador.