Sistemas Fotovoltaicos: Bloque A, Tema 3

Sistemas Fotovoltaicos: Bloque A, Tema 3

• Conversión electrónica: La etapa de conversión en los sistemas fotovoltaicos transforma la corriente continua producida por el generador fotovoltaico en corriente alterna.
• Convertidor electrónico: El elemento fundamental en la etapa de conversión es el convertidor electrónico. Este debe funcionar en un amplio rango de tensión de entrada para adaptarse a las configuraciones serie-paralelo de los generadores fotovoltaicos (FV).
• Rendimiento: Los convertidores de elevado rendimiento son cruciales, actualmente se alcanzan rendimientos del 99% en los mejores casos y suelen estar alrededor del 97%.
• Tipos de Conversión: Existen multitud de topologías de convertidores electrónicos dc/dc (con y sin aislamiento galvánico) y dc/ac (monofásicos, trifásicos, con o sin transformador).
• Conversión dc/dc elevador: La necesidad de trabajar con un amplio rango de tensiones de entrada en la etapa de conversión dc/ac suele requerir un convertidor dc/dc elevador en la entrada.
• Sistemas de conexión a red: En estos sistemas, el generador fotovoltaico se conecta directamente a la etapa de conversión y la salida genera una corriente alterna que se inyecta en la red eléctrica. El convertidor determina el punto de funcionamiento óptimo (MPPT).
• Sistemas aislados: En estos sistemas, la etapa de conversión recibe típicamente una tensión continua fijada por baterías (en caso de acoplamiento indirecto). La salida debe generar una tensión de alterna apropiada (amplitud y frecuencia) para las cargas a alimentar.
• Elementos de convertidores electrónicos: Los convertidores electrónicos están formados por dispositivos de estado sólido (semiconductores que actúan como interruptores) y elementos pasivos (bobinas, condensadores) que no consumen potencia activa. Los semiconductores de potencia más comunes en sistemas fotovoltaicos son el diodo y el IGBT. La electrónica de señal controla el funcionamiento del sistema.
• Conversores fotovoltaicos: Los convertidores más comunes son el elevador (para aumentar la tensión) y el inversor de puente en H (para convertir a corriente alterna).

Convertidor dc/dc elevador

• Componentes: El convertidor elevador está formado por un solo diodo y un IGBT.
• Conmutación: La conmutación se realiza comparando una tensión triangular con una tensión de control. Esto permite ajustar las velocidades y controlar el flujo de corriente.
• Valores de tensión:
  • TON: IGBT en conducción, diodo en corte.
  • T OFF: IGBT en corte, diodo en conducción.
  • Vc>Vtri: TON
  • Vc<Vtri: T OFF
• Valor medio de la tensión de salida (VDC) es mayor que la tensión de entrada (VPV).

Convertidor DC/DC

• Topología: El elevador (boost) está conformado por un solo diodo y un solo IGBT.
• Conexión: No requiere tres interruptores.
• Conmutación: La conmutación, o sincronización, PWM se ejecuta comparando una tensión triangular con la señal de control.

Inversor de Puente en H

• Modulación PWM: Este inversor utiliza técnicas como PWM bipolar y unipolar para la conmutación.
• PWM bipolar: Conmuta las ramas de forma complementaria, con armónicos a la frecuencia de conmutación.
• PWM unipolar: Conmuta cada rama por separado, con armónicos a doble frecuencia y mitad de amplitud comparado con el método bipolar.
• Modulación: Es importante elegir la modulación adecuada pues el filtrado es más sencillo en el caso unipolar.

Inversor de Puente en H: Modulación bipolar

• Transistores: Los transistores de cada diagonal (T1-T4 y T2-T3) se emparejan en esta modulación.
• Tensión de control: Solo se necesita una tensión de control (Vcon).

Inversor de Puente en H: Modulación unipolar

• Conmutación: Conmuta cada rama por separado utilizando la misma señal triangular, pero con señales de control opuestas.
• Armónicos: Genera armónicos a doble de la frecuencia de conmutación.
• Filtrado: El filtrado de la modulción unipolar se realiza con mucha más facilidad que la bipolar.

Valores en la obtención de tensión de salida:

• valor medio instantáneo: Un valor clave para el correcto análisis del proceso.

Sistemas fotovoltaicos: Mode común y Uso de transformador

• Capacidades parásitas: Las capacidades parásitas entre los componentes y la tierra inducen corrientes de alta frecuencia y afectan negativamente a las interferencias magnéticas (EMI).
• Eficiencia: La eficiencia de los convertidores es mayor en algunos casos que cuando se utiliza transformador.
• Eliminación de transformadores: Es posible reducir frecuencias de conmutación cuando se evita el uso de transformador.
• Regulaciones y Normativas: En España, el Real Decreto 1699/2011, rige la conexión de sistemas fotovoltaicos a la red.
• Transformador: El uso de transformador ofrece aislamiento eléctrico entre la instalación y la red.

Estructuras de conversión monofásicas

• Potencia: Se emplean por debajo de 5 kW, apropiadas para aplicaciones residenciales y sistemas aislados.

Estructuras de conversión trifásicas

• Potencia: Utilizadas en sistemas de 5 kW o superiores.
• Ventajas: Entregan potencia constante a la red, con una mayor tensión pico, que en el caso monofásico.
• Componentes: Están constituidas por tres células elementales de conmutación.

Requisitos generales

• Eficiencia: Deben tener una elevada eficiencia.
• Tamaño: Tienen que ser pequeños y ligeros.
• Ruido: Deben generar un bajo nivel de ruido.
• EMI: Presentan bajas emisiones electromagnéticas y alta inmunidad a ellas (EMI).
• Fiabilidad: Deben tener alta fiabilidad, buen mantenimiento y garantía amplia.
• Vida útil: Su vida útil debe maximizarse.
• Monitorización: Deben incluir monitorización con interfaces amigables.

Requisitos de entrada DC

• Rango de tensión de entrada: Deben tener un alto rango de tensión de entrada.
• Algoritmos MPPT: Sus algoritmos MPPT deben ser fiables.
• Rizado de tensión: Deben tener bajo rizado de tensión DC.
• Modos comunes: Deben presentar bajo modo común para evitar corrientes de tierra.
• Protecciones: Incluyen protecciones contra sobretensión, sobrecarga y sobre temperatura.
• Histéresis: La histéresis en el encendido y apagado debe ser mínima.
• Sistema de Detección de Robo: pueden incluir sistemas de detección de robo.
• Detección de Arco Eléctrico: pueden incluir detección de arco eléctrico.

Requisitos de salida AC

• Forma de onda: Deben generar una corriente de salida senoidal.
• Distorsión armónica: Con baja distorsión armónica típicamente menor al 3%.
• Normativas: Deben cumplir las normativas de red aplicables a instalaciones de baja tensión
• Potencia reactiva: Deben aportar potencia reactiva al detectar un hueco de tensión.
• Variaciones de tensión de frecuencia: Deben poderse desconectar rápidamente en caso de variaciones importantes en la tensión (fuera del rango 0,8-1,15 de la tensión nominal sin tratarse de un hueco de tensión) o frecuencia (fuera del rango 48-52 Hz)
• Detección de isla: Deben detectar el funcionamiento en isla (algoritmos de detección anti-isla) y, en ese caso, apagarse.

Otras estructuras de conversión

• Elevador + Inversor: Esta estructura, combinando ambos, permite un amplio rango de tensiones de entrada.

• Inversor + Trafo de baja frecuencia: Ofrece aislamiento galvánico y menor frecuencia de conmutación.

• DC/DC con trafo de alta frecuencia + inversor: Elimina la necesidad de transformador de baja frecuencia y ofrece mayor eficiencia.

• Control en cascada: Este método mejora la estabilidad del sistema, al controlar elementos como la tensión y la corriente.