Teoría Parcial Energías Renovables PDF

Convertidores Electrónicos de Potencia Integración de Energías Renovables Grado en Ingeniería de la Energía Rafael J. Moreno Sáez  Conversión de Energía Fuente de Energía (Power Source)  presenta la energía de una determinada forma (c.a., c.c.)...

Convertidores Electrónicos de Potencia Integración de Energías Renovables Grado en Ingeniería de la Energía Rafael J. Moreno Sáez  Conversión de Energía Fuente de Energía (Power Source)  presenta la energía de una determinada forma (c.a., c.c.) dTE - Convertidores de Potencia  Conversión de Energía Consumo de Potencia (Power Consumption)  Se entrega la energía recogida de la manera lo más eficiente posible dTE - Convertidores de Potencia Conversión de Energía Esquema tradicional Power Electronics in Smart Electrical Energy Networks, Strzalecki (Springer 2008) dTE - Convertidores de Potencia  Conversión de Energía Sistema Electrónico de Potencia (SEP)  Un Convertidor (circuito Electrónico Potencia) que realizar el proceso de recogida y entrega (conversión) de energía mediante:  interruptores controlados (semiconductores),  inductancias,  transformadores  condensadores.  SIN elementos disipativos, idealmente (eficiencia elevada) dTE - Convertidores de Potencia  Conversión de Energía Sistema Electrónico de Potencia (SEP) Convertidor Circuito de Control realizar el proceso de recogida y entrega (conversión) de energía mediante: funciones son:  interruptores controlados (semiconductores)  Sintetizar la onda de salida  inductancias,  Asegurar las calidad de ésta en función de  transformadores la carga  condensadores.  SIN elementos disipativos, idealmente (eficiencia elevada) dTE - Convertidores de Potencia Electrónica de Potencia dTE - Convertidores de Potencia  Electrónica de Potencia Algunas Definiciones:  Aplicación de la electrónica de estado sólido para el control y conversión de la potencia eléctrica (M. H. Rashid, 1993)  El procesamiento y control de la energía eléctrica suministrando voltajes y corrientes en la manera más óptima para ser utilizada por diferentes cargas (N. Mohan et al., 1995)  Combina la conversión y el control de la potencia eléctrica para diversas aplicaciones…(B.K. Bose, 1996) Parte de la Electrónica encargada del estudio de dispositivos, circuitos, sistemas y procedimientos para el procesamiento, control y conversión de la energía eléctrica. dTE - Convertidores de Potencia  Electrónica de Potencia Se centra en el estudio de los circuitos y técnicas que permiten la manipulación de energía eléctrica Objetivo principal es el RENDIMIENTO dTE - Convertidores de Potencia  Electrónica de Potencia Aplicaciones Tradicionalmente en entornos industriales y transporte  trenes, tranvías, carros de golf… Actualmente se han incorporado para  Aplicaciones cotidianas:  Electrodomésticos, aires acondicionados, herramientas  Nuevos entornos:  Coches eléctricos, sistemas de potencia FACTS, sistemas de energía renovables dTE - Convertidores de Potencia Electrónica de Potencia Visión Interdisciplinar dTE - Convertidores de Potencia  Dispositivos de Potencia Los Semiconductores que se emplean en los circuitos de Electrónica de Potencia funcionan como: INTERRUPTORES dTE - Convertidores de Potencia  Dispositivos de Potencia Interruptor (Semiconductor) Misión:  controlar el paso de corriente/tensión hacia un circuito  con la mayor eficiencia energética posible Curva Característica Ideal:  relaciona la intensidad (I) que atraviesa el dispositivo con la caída de tensión (V) dTE - Convertidores de Potencia  Dispositivos de Potencia Tiempo de Conmutación Interruptor Ideal Interruptor Real tOFFON = 0; tONOFF = 0 tOFFON ≠ 0; tOFFON ≠ 0  El tiempo para la  Deseable: Cortos tiempos conmutación entre entre bloqueo y conducción estados de bloqueo y apagado. conducción es nulo. (Uso a frecuencias elevadas) dTE - Convertidores de Potencia  Dispositivos de Potencia Tensión - Corriente Interruptor Ideal Interruptor Real VOFF, máx = ∞ VOFF, máx  Soporta una tensión infinita Gran capacidad de bloquear tensión entre sus terminales cuando directa e inversa. se encuentra en el estado de ION, máx bloqueo. Gran capacidad de conducir corrientes elevadas. ION, máx = ∞  Soporta una intensidad de Capacidad para resistir tensión y paso infinita cuando se corriente simultáneamente durante encuentra en el estado de conducción. las transiciones de los estados. dTE - Convertidores de Potencia  Dispositivos de Potencia Potencia Interruptor Ideal Interruptor Ideal Pcontrol = 0 Pcontrol ≠ 0  Potencia consumida por  Pequeña potencia para el circuito de control nula. control. PON y POFF = 0  Consumo de potencia despreciable en ambos estados dTE - Convertidores de Potencia  Dispositivos de Potencia Resistencia Interruptor Ideal Interruptor Real ROFF = ∞ RON  Presenta una resistencia  Coeficiente de temperatura infinita entre sus terminales positivo en la resistencia del cuando se encuentra en el estado de bloqueo. estado de conducción. RON = 0  Al paralelizar componentes,  Presenta una resistencia estos comparten la corriente. nula entre sus terminales cuando se encuentra en el estado de conducción. dTE - Convertidores de Potencia Semiconductores de Potencia dTE - Convertidores de Potencia  Semiconductores de Potencia  Requisitos:  Dos estados definidos: bloqueo(corte), conducción  Conmutación:  control de un estado a otro sencillo  poco consumo, eficiente  velocidad cambio estado  Gestión de grandes potencias:  Corte: soportan altas tensiones  Conducción: soportan altas corrientes dTE - Convertidores de Potencia Semiconductores de Potencia Clasificación  Controlados dTE - Convertidores de Potencia  Semiconductores de Potencia No controlados Conducción o Bloqueo en función del signo de la señal Puros rectificadores  Diodos  DIAC  Shockley dTE - Convertidores de Potencia  Semiconductores de Potencia No controlados: Diodo (modelo Ideal) Elemento circuital Modelo ideal Curva característica ideal Bloqueo Conducción Inversa (VAK < 0) Directa (VAK ≥ 0) Cortocircuito Circuito Abierto https://www.youtube.com/watch?v=4ThvGy2o4uA dTE - Convertidores de Potencia  Semiconductores de Potencia No controlados: Diodo (modelo Real) Curva característica real Modelo real  Tiempo de Recuperación (transitorio)  Inversa (de conducción a bloqueo):  10us (diodo normal)  0.5 a 2 us (diodo rápido)  Directa (de bloqueo a conducción):  de menor importancia que el anterior  diodo se asemeja a una Resistencia Dinámica (Rd) ya que su valor decrece con el tiempo- dTE - Convertidores de Potencia  Semiconductores de Potencia No controlados: Diodo de Potencia  Presenta dos estados: bloqueo, conducción  Tiempo de paso de un estado al otro determina la frecuencia de trabajo  Márgenes de Funcionamiento, pueden llegar a:  Corrientes de 1.500A  Tensiones de 2.000V dTE - Convertidores de Potencia  Diodos de Potencia Parámetros dTE - Convertidores de Potencia  Semiconductores de Potencia No controlados: Otros  Diodos SCHOTTKY: es una unión METAL-SEMICONDUCTOR (Tipo N). Para conmutaciones rápidas, con caída de tensión directa muy baja (0.3V) y cientos de amperios (1A-300A) soportan en inversa poca tensión (50-100 V). Rectificadores de Bajo Voltaje.  Diodos de recuperación rápida (FRED): tiempos de recuperación inferior a 5 μseg. para aplicaciones de alta frecuencias (conmutaciones de hasta ns), soportan cientos de voltios (50V-3kV) y cientos de amperios (1A-300A).  Diodos de frecuencia de línea. Pequeña caída de tensión directa. Corrientes de hasta KA y tensiones inversas de hasta KV. Tiempos de recuperación mayores (aptos para frecuencia de línea, ~50Hz). Encapsulado TO-200AB Encapsulado DO-5 (>1400 V, > 100A) (>30 A, hasta 1600 V) dTE - Convertidores de Potencia  Semiconductores de Potencia No controlados: DIAC Diodo de Corriente Alterna  El dispositivo conduce cuando se alcanza cierta tensión (VBO≈30 V) para la que se consigue una corriente mínima de disparo (IBO)  Una vez que se dispara, la tensión cae y la corriente sube muy bruscamente: picos de corriente repentinos  Funciona igual en ambas direcciones  Cuadrante 1: VA2>VA1 conducen P1N2P2N3  Cuadrante 1: VA2 VK  Si no hay señal aplicada a la puerta, permanecerá bloqueado (OFF) independientemente del signo de la tensión VAK  Aplicando un DISPARO o pulso de corriente (IG) en puerta, durante una tiempo determinado (pequeño), pasará a conducción (ON)  Una vez empieza a conducir, se fija al estado de conducción (ON), aunque la corriente de puerta desaparezca  NO puede ser cortado por pulso de puerta.  SEMICONTROLADO VA < VK  Solo cuando la corriente se invierte (o se hace inferior a un valor umbral) se bloqueará (OFF) el tiristor dTE - Convertidores de Potencia  Semiconductores de Potencia Controlados por Pulso, Tiristor Regiones de funcionamiento  Bloqueo Inverso, VAK < 0  Bloqueo Directo, VAK > 0 sin disparo  Conducción  Disparo (estado inestable) dTE - Convertidores de Potencia  Semiconductores de Potencia Controlados por Pulso, Tiristor DISPARO Circuito de Disparo Vpuerta VG t1 t2 t dTE - Convertidores de Potencia  Factores de forma en SEP Electrónica es hoy sinónimo de elementos muy pequeños:  MOSFET, BJT, Zener,…  Microprocesadores, comunicaciones, instrumentación electrónica (miniaturas) Fuente: M.Rico (Gijón, Junio 2010) dTE - Convertidores de Potencia  Factores de forma en SEP Existen componentes con tamaños muy grandes  Rectificadores controlados de Silicio (SCR) que permiten manejar muy altos niveles de potencia (3700A, 8kV) dTE - Convertidores de Potencia  Semiconductores de Potencia Controlados por Pulso : GTO GATE TURN-OFF THYRISTOR (GTO)  Variedad de tiristor completamente controlable  Permite controlar conducción y bloqueo con un solo terminal de puerta  La conducción se produce con un disparo (pulso positivo entrante) de corriente en puerta  El bloqueo se produce aplicando una tensión negativa en puerta con respecto a cátodo (VGK> 25 ºC) F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 137 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Energía generada por el GFV. Valores usuales de PR F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 138 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Referencias bibliográficas IDEA: Instalaciones de Energía Solar Fotovoltaica. Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones Conectadas a Red F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 139 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Referencias web http://valentin.de/calculation/pvonline/pv_system/en http://www.pvsyst.com/en/ http://www.pvsyst.com/en/publications/scientific-publications http://www.hmsistemas.es/shop/catalog/calculadora_consumos.php?os Csid=7e538b05744befd4b0d04b1193cd13cd F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 140 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Inversor fotovoltaico F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 141 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Balance de generación Potencia DC (W) Potencia AC (W) ═ ≈ Pérdidas DC Pérdidas AC Energía DC (Wh) Energía AC (Wh) F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 142  3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Estimación de la potencia generada en AC a la salida del inversor: — PAC = Potencia de AC generada a la salida del inversor (W). — PDC,MPP = Potencia pico DC instalada — ηinv = Rendimiento del inversor F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 143 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Energía generada por el sistema FV en AC (EAC) - PAC = Potencia generada en AC durante un período de tiempo (año) en horas (kWh) F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 144 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor fotovoltaico F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 145 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Consideraciones iniciales  El número de inversores y la potencia dependen de la potencia total de la instalación  La potencia de entrada en DC del inversor depende de la potencia fotovoltaica generada  Se admite que la potencia de entrada del inversor en DC sea:  El factor de dimensionamiento del inversor sería:  Admitiéndose: F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 146 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Consideraciones iniciales  La tensión de entrada del inversor es la suma de las tensiones de los PFV conectados en serie  Es conveniente tener en cuenta la temperatura de funcionamiento F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 147 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Consideraciones iniciales  Número máximo de PFV conectados a un inversor (considerando condiciones STC  El inversor requiere una tensión mínima de entrada para un funcionamiento correcto  Un aumento notable de la temperatura ambiente producirá una disminución de la Voc, pudiendo afectar el rendimiento del inversor F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 148 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Consideraciones iniciales  Número máximo de strings conectados a un inversor (considerando condiciones STC F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 149 Inversor fotovoltaico. Topologías de conexionado 150 dte. Sistema Conectado a Red (SFCR) 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Tipos de conexionado Modelo de inversor centralizado F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 151 Conexión Centralizada o Inversor Central (10kW – 1MW)  Uso en plantas homogéneas  mismas características (orientación e inclinación, tecnología,…)  Un solo inversor  Trifásica (3ϕ)  Alta Eficiencia  Mucha dependencia del inversor Grandes Plantas FV  Uno o varios propietarios  Vender Electricidad al Sistema 152 dte. Sistema Conectado a Red (SFCR) 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Tipos de conexionado Modelo de inversores conectados al string F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 153 Conexión Hileras, String o Ramas (1,5kW – 5kW)  Uso en plantas heterogéneas  distintas características (orientación, tecnología,…)  Un Inversor por cada Hilera  Monofásico (1ϕ)  Pequeñas instalaciones  Viviendas unifamiliares  Pequeños negocios  Comunidades de vecinos 154 dte. Sistema Conectado a Red (SFCR) 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Soladin 600  Convierte la corriente continua generada por los paneles solares en corriente alterna estándar a 230 V/50 Hz, hasta 600 Wp  En el caso de que la línea eléctrica sea cortada, se apagará automáticamente  Seguidor MPP dinámico que permite alcanzar un 99 % del MPP en la salida  Rango de entrada, capaz de suministrar hasta 600 Wp, con una franja en el voltaje desde 45 a 125 V CC  Admite configuraciones con paneles de 36, 54 así como también 72 células  El rango de corriente de entrada va desde 0 a 8 A DTE. GIE Integración de Energías Renovables F. Sánchez Pacheco 155 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Soladin 600 ESPECIFICACIONES Y CARACTERÍSTICAS: Potencia nominal: 550W Voltaje de entrada solar: 40-125 VCC Voltaje máximo: 155 VCC Voltaje de salida a red: 230V ( Programable ) Potencia máxima de salida: 2.25A Frecuencia de red: 50 Hz. Eficacia: 91-93% F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 156 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Sunny Island ESPECIFICACIONES Y CARACTERÍSTICAS: Salida de Ca (equipo consumidor / red aislada)  Rango de tensiones de salida CA 230 V / 202 V – 253 V  Frecuencia nominal / rango de frecuencia (ajustable) 50 Hz / 45 Hz-65 Hz  Potencia asignada (a Unom,fnom / 25 °C / cos ϕ = 1) 4600 W  Potencia de CA a 25 °C durante 30 min / 5 min / 3 s 6000 W / 6800 W / 11000 W  Intensidad asignada / corriente de salida máxima (pico) 20 A / 120 A  Coeficiente de distorsión no lineal de tensión de salida / factor de potencia a potencia asignada < 4 % / -1... +1 Batería de entrada de CC  Tensión asignada de entrada / rango de tensión de CC 48 V / 41 V-63 V  Corriente de carga máx. de la batería / corriente de carga asignada 110 A / 100 A  Tipo de batería / capacidad de la batería (rango) FLA, VRLA / 100 Ah... 10 000 Ah Regulación de carga Procedimiento de carga IUoU con carga completa y de compensación automáticas Rendimiento / consumo característico  Rendimiento máx. 95%  Consumo característico sin carga / en espera < 26 W / < 4 W  Rango de temperatura de servicio -25 °C... +60 °C F. Sánchez Pacheco 157 DTE. GIE Integración de Energías Renovables 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Soladin 1500 web Grid output (AC) specifications Grid voltage 230 V +15%/-20% Nom. output power 1575 VA Max. output power 1575 VA Max. output current 7.6 A Frequency 50/60 Hz Power factor > 0.99 Standby power < 0.5 W EU efficiency 95.0 % Max. efficiency 95.6 % Solar input (DC) specifications PV power range 1300-2000 Wp Start-up power < 5 W Operating voltage range 80-375 V MPP voltage range at nom. power 150-300 V Nom. voltage 220 V Max. voltage 375 V Number of inputs 1 MPP tracker and 1 set AmphenolDC connections Efficiency MPP trackers (static/dynamic) 99.9 % / 99.7 % Nom. input current 11A DC protection surge arresters, class III according to IEC 61643-1 Number of panels 6-8 F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 158 Conexión Multi-Hilera, MultiString (> 10kW)  Evolución de Conexión en Hilera  Uso en plantas heterogéneas  Trifásica (3ϕ) y  Monofásica (1ϕ)  Formado por :  Convertidor dc/dc por hilera  Bus DC  Inversor Central  Buen Rendimiento  Convertidor dc/dc realizan MPPT  Pérdidas de convertidores se propagan 159 dte. Sistema Conectado a Red (SFCR)  3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Inversor fotovoltaico. Topologías de conexionado  Inversores distribuidos (de baja potencia) F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 160 Conexión Modular (100W - 350W)  1 Inversor (μicro-inversor) en cada panel  Permite mucha versatilidad, características muy distintas (orientación, inclinación, tecnología…)  Cada módulo tiene su MPPT  Monofásico (1ϕ)  Fácil Ampliación  Sin cableado en c.c.  Muy caro 161 dte. Sistema Conectado a Red (SFCR) Inversor Modular 162 dte. Sistema Conectado a Red (SFCR) 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Conexionado y protecciones Estructura del conexionado del sistema FV F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 163 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Referencias: - Planning and Installing. Photovoltaic Systems. A guide for installers, architects and engineers. DTE. GIE Integración de Energías Renovables 164