Tema A3 Estructuras de conversión electrónica 2024-2025 PDF

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Tema A3 Estructuras de conversión electrónica EnergíasEnergías renovables renovables 1 BLOQUE A: SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Tema 3 Estructuras de conversión electrónica Pablo Sanchis Gúrpide Curso 2024-2025 [email protected] Dpto. de Ing. Eléctrica, Electrónica y de Comunicación 1 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables 3.1 Introducción La etapa de conversión en los sistemas fotovoltaicos transforma la corriente continua producida por el generador fotovoltaico en corriente alterna. El elemento fundamental de la etapa de conversión es el convertidor electrónico. La etapa de conversión debe funcionar en un amplio rango de tensión de entrada, para adaptarse a las configuraciones serie-paralelo del generador FV realizadas con los diferentes tipos de paneles que se encuentran en el mercado. El carácter habitualmente reductor de las estructuras de conversión dc/ac y la necesidad de trabajar en un amplio rango de tensiones de entrada hace que a menudo se utilice en la entrada de la etapa de conversión un convertidor dc/dc elevador. Existen multitud de topologías de convertidores electrónicos dc/dc (con y sin aislamiento galvánico) y dc/ac (monofásicos, trifásicos, con o sin transformador, etc.). Dado que toda la energía producida por el campo fotovoltaico fluye a través de la etapa de conversión, es interesante el uso de convertidores de elevado rendimiento. En la actualidad se utilizan estructuras con rendimientos que pueden llegar al 99% en el mejor de los casos, aunque habitualmente suelen estar alrededor del 97%. 2 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Respecto al tipo de sistema fotovoltaico puede señalarse lo siguiente: Sistemas de conexión a red ❑ A la entrada de la etapa de conversión se conecta directamente el generador fotovoltaico, cuyo punto de funcionamiento lo determina el convertidor mediante un algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT - Maximum Power Point Tracker) ❑ A la salida debe generar una corriente de alterna que se inyecta en la red eléctrica. Esta conexión a la red debe cumplir las especificaciones correspondientes. Sistemas aislados ❑ A la entrada de la etapa de conversión se tiene, normalmente, una tensión continua fijada por las baterías (en caso de acoplamiento indirecto). ❑ A la salida debe generar una tensión de alterna apropiada (amplitud y frecuencia) para las cargas que se desea alimentar. 3 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Elementos de los convertidores electrónicos Los convertidores electrónicos forman parte de lo que se conoce como Electrónica de Potencia. Están constituidos por dispositivos de estado sólido de material semiconductor que funcionan como interruptores, así como por diversos elementos pasivos como bobinas y condensadores que no consumen potencia activa (conversión con mínimas pérdidas). Los principales semiconductores de potencia utilizados en sistemas fotovoltaicos son el diodo y el IGBT. Por otro lado, la electrónica de señal se encarga del control del sistema (tensiones y corrientes), generando las órdenes de control para los semiconductores activos (IGBTs). Los convertidores más utilizados en fotovoltaica son el Elevador (para elevar la tensión continua generada por el generador FV) y el Inversor de Puente en H (para convertir en alterna la tensión continua generada). EJEMPLO DE CONVERTIDOR FOTOVOLTAICO Topología PV conversión Filtro Transformador Red o carga Filtro EMI Control 4 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables 3.2 Convertidor dc/dc elevador El elevador (boost) está formado por un único diodo y un IGBT. Dado que NO hace falta que sea reversible, no se requieren interruptores de tres segmentos. La conmutación PWM de la célula de conmutación se realiza comparando una tensión triangular (vtri) con una tensión de control (vc). vtri vc + VL vA vDC + VDC VPV vA - iL - I ton T=1/f vc > vtri T ON (IGBT en conducción, diodo en corte) vA = 0 vc < vtri T OFF (IGBT en corte, diodo en conducción) vA = vDC 5 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables El valor medio instantáneo de la tensión vA es:  t   v A = 1 − on  vDC = (1 − d ) vDC ton d= d: ciclo de trabajo  T  T En estado estacionario, la caída de tensión en la bobina puede despreciarse, y por ello: 1 vPV = vA  +  vL = vA = (1 − d ) vDC vDC = vPV 1− d 0  d 1 Tensión de salida (vDC) mayor que la entrada (vPV) Rizado de corriente en la bobina. Durante ton: diL vL = L = vPV  vPV dt = L diL dt t on 1 ton vPV ton vPV d T vPV d vDC (1 − d ) d 0 L di =  i L = L 0 v PV dt = L = L = L fc = L fc v vDC iL max = DC  L 4L fc 4 f c iL max 6 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables 3.3 Inversor de Puente en H Existen varias técnicas de modulación PWM para este inversor. Entre ellas, las dos más utilizadas son PWM bipolar y PWM unipolar. La modulación PWM bipolar se realiza conmutando de forma complementaria cada rama, en función de la comparación de una tensión triangular (vtri) con la tensión de control (vcon). Con esta modulación los armónicos de conmutación aparecen a la frecuencia de conmutación. La modulación PWM unipolar se realiza conmutando cada rama por separado: ❑ Rama A: se compara una tensión triangular (vtri) con la tensión de control (vcon) ❑ Rama B: se compara la misma tensión triangular con la opuesta de la tensión de control (-vcon) En la modulación PWM unipolar, los armónicos de conmutación aparecen al doble de la frecuencia de conmutación y su amplitud es la mitad de los producidos por la PWM bipolar. Por ambos motivos, para una misma frecuencia de conmutación su filtrado resulta “cuatro veces” más sencillo (inductancia de salida de menor tamaño). 7 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Inversor de puente en H: modulación bipolar En esta modulación los transistores de cada diagonal (T1-T4 y T2-T3) quedan emparejados, por lo que sólo es necesaria una tensión de control (vcon). Tcon C D T1 T3 L1 vcon A B vtri A vDC L2 vred t B T2 T4 L=L1+L2 vAN O N ton1 VDC vBN ton2 t T1 = T4 = ON T t vcon > vtri vAB T2 = T3 = OFF ton t T1 = T4 = OFF iL vcon < vtri iL T2 = T3 = ON t 8 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables El valor medio instantáneo de la tensión obtenida entre los puntos A y B es: ton vcon + V pt ton T − ton  t   vcon + V pt  v = v AB = VDC − VDC = VDC   2 on − 1 = VDC   2 − 1 = VDC con 2 V pt T T  T   2 V  V pt Tcon  pt  Si se modula con una tensión de control senoidal: vcon M sen (2Ft ) vcon = M sen (2Ft ) v AB = VDC = VDC = VDC  m V pt V pt 0  M  V pt vcon M sen(2Ft ) con m = =  −1 m 1 V pt V pt Teniendo en cuenta que la tensión vAB es una onda pulsante, esta se puede descomponer  en series de Fourier. M v AB = VDC sen (2Ft ) +  2v ANn sen (nt +  n ) V pt n= Fcon F El valor medio instantáneo es en realidad la tensión de salida vinv, ya que la bobina elimina (filtra) los armónicos de conmutación realizando de algún modo el cálculo del valor medio instantáneo. Los armónicos de conmutación aparecen a la frecuencia de conmutación y con el doble de la amplitud de los armónicos de las tensiones vAN y vBN, ya que quedan desfasados 180º. El gran contenido de armónicos de la modulación bipolar (frente a la unipolar) obliga a utilizar grandes inductancias de filtrado o, lo más habitual, aumentar mucho la frecuencia de conmutación grandes pérdidas de conmutación. 9 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Formas de onda para un inversor de puente en H con modulación bipolar: vcon=8,1 sen (250t); Fc=1 kHz; Vpt=10 V 10 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Tcon Rizado de corriente con modulación PWM bipolar: C D di vL = L L = VDC − vinv  (VDC − vred ) dt = L diL vcon A B dt vtri Teniendo en cuenta que en esta escala de t tiempos la tensión de salida se puede tomar como constante y su valor se puede O vAN aproximar al valor medio instantáneo de vAB: VDC ton1 1 ton (VDC − vred ) ton = ( ) ton 0 L 0 diL = iL = − = ton2 t VDC vred dt vBN L (VDC − vred )(1 + m ) T (VDC − mVDC )(1 + m ) T VDC (1 − m ) 2 = = = vAB T t 2L 2L 2 Lf c ton El rizado depende de la modulante y se t iL anula para m=(-1,1). El valor máximo del iL rizado se dará cuando: iL V VDC = 0  m = 0  iL max = DC  L  m 2 iL max f c t 2 L fc 11 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Inversor de puente en H: modulación unipolar Para las dos células se utiliza la misma triangular. En la primera célula (T1,T2) se modula a partir de la tensión de control vcon (vcon1 = vcon) mientras que en la segunda se modula con –vcon (vcon2 = -vcon). Tcon T = Tcon/2 C B vtri vcon1 F E T1 T3 L1 A t vDC vred vcon2 - vcon L2 D B A vAN T2 T4 L=L1+L2 Ton1 VDC N t vBN Ton2 VDC T t vcon1 > vtri T1 = ON y T2 =OFF vAB = vinv vcon1 < vtri T1 = OFF y T2 =ON Ton t vcon2 > vtri T3 = ON y T4 =OFF iL iL vcon2 < vtri T3 = OFF y T4 =ON t 12 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables El valor medio instantáneo de la tensión obtenida entre los puntos A y B, durante T (=Tcon/2) es: ton ton 2v vcon v AB = VDC De los triángulos = con v AB = VDC Tcon / 2 ABC y DEF: Tcon / 2 2V pt V pt Si la tensión de control utilizada es senoidal: vcon M sen (2Ft ) vcon = M sen (2Ft ) v AB = VDC = VDC = VDC  m V pt V pt 0  M  V pt con vcon M sen(2Ft ) m= =  −1 m 1 V pt V pt Teniendo en cuenta que la tensión vAB es una onda pulsante, esta se puede descomponer en series de Fourier. M sen (2Ft ) v AB =VDC +  (v ANn sen (nt + 1n ) − vBNn sen (nt +  2 n )) V pt Los armónicos de las familias impares quedan en fase no aparecen en vAB. Los armónicos de las familias pares quedan desfasadas 180º aparecen con amplitud doble en vAB. 13 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Formas de onda para un inversor de puente en H con modulación unipolar. vcon=8,1 sen (250t); Fc=1 kHz; Vpt=10 V. 14 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Rizado de corriente con modulación PWM Tcon unipolar: en este caso, el periodo de la tensión de vtri salida vAB es la mitad del de conmutación. La vcon1 frecuencia aparente a la salida es igual al doble de la frecuencia de conmutación. t vcon2 - vcon Valor medio instantáneo de la tensión vAB: t vAN v AB T = on VDC ton1 VDC T diL vL = L = VDC − vred  (VDC − vred ) dt=L diL t vBN ton2 dt iL = (VDC − vred ) ton = (VDC − m VDC ) mT = VDC (1 − m ) m vAB T t L L 2 L fC = vinv ton El rizado depende de la modulante y se anula t para m=0. El valor máximo del rizado se dará : iL iL iL V V DC = 0  m = 0,5  iL max = DC  L  m 8 L fc 8 iL max f c t Los armónicos de conmutación de la tensión de salida aparecen al doble de la frecuencia de conmutación. 15 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Inversor de puente en H: comparación entre modulación bipolar y unipolar Comparativa entre modulación bipolar y unipolar: Si se toma como parámetro de diseño una frecuencia de rizado de corriente en la bobina determinada (por ej. 20 KHz): ❑ La frecuencia de conmutación en unipolar será la mitad (10 KHz) que en la bipolar (20 KHz) por lo que las pérdidas de conmutación serán la mitad. ❑ En la modulación unipolar, el rizado de corriente tendrá la mitad de amplitud, por lo que requerirá una inductancia menor. En sistemas con transformador, en los que las corrientes en modo común quedan fuertemente limitadas por la capacidad parásita del transformador, la modulación utilizada es la unipolar, ya que mejora sensiblemente el rendimiento de la estructura. En sistemas sin transformador, las corrientes de modo común quedan determinadas por la capacidad parásita del campo fotovoltaico. Si se utiliza modulación unipolar, la tensión total de modo común generada por la estructura obliga a utilizar un gran filtro de modo común. Con el fin de reducir este filtro, se puede utilizar PWM bipolar, que no genera corrientes en modo común. 16 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables 3.4 Modo común en sistemas fotovoltaicos Las capacidades parásitas presentes entre los diferentes elementos del convertidor y la tierra se ven sometidas a rápidos flancos de tensión (dv/dt) y en consecuencia inducen en el equipo corrientes de alta frecuencia (kHz-MHz) por la tierra (corrientes en modo común), que son las causantes de las interferencias electromagnéticas (EMI). El desarrollo de la electrónica de potencia ha permitido obtener convertidores cada vez más eficientes. Una de las vías para reducir las pérdidas de los semiconductores ha sido la mejora de su velocidad de conmutación. Sin embargo, esta mejora tiene una repercusión negativa desde el punto de vista de las interferencias electromagnéticas. Por otra parte, determinadas estructuras de conversión provocan variaciones de la tensión de los terminales de entrada respecto a tierra (tensión total en modo común) que inducen corrientes por tierra que se cierran a través de la capacidad parásita existente entre los paneles fotovoltaicos y la tierra (unos 10 nF/kWp en ambientes secos y hasta 400 nF/KWp en días húmedos). PV Convertidor dvc 1 ic = C  Z PV = dt C PV   CPV 17 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Las corrientes de modo común provocan los siguientes problemas: ❑ Pueden hacer saltar el interruptor diferencial, que suele ser de 30 mA, preparado para la protección de las personas. ❑ Se inyectan directamente a la red, empeorando el contenido armónico de la corriente. ❑ Pueden afectar al correcto funcionamiento tanto del equipo que las genera como de otros equipos que se encuentren próximos o compartan conductores comunes (tierras o conductores activos). La proliferación de equipos electrónicos que se da hoy en día ha hecho que aparezcan una serie de normativas al respecto, como la EN-61000-3, que regulan la emisión de interferencias de alta frecuencia. Para limitar las perturbaciones electromagnéticas es necesario colocar a la salida (y en ocasiones a la entrada) del convertidor una serie de filtros, denominados filtros EMC o filtros EMI. 18 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Reducción de la corriente de modo común La corriente de modo común se puede reducir de dos formas: bien reduciendo la variación de la tensión de modo común generada (mediante la modulación o la topología de conversión), bien aumentando la impedancia ante el modo común. La impedancia de modo común se puede aumentar utilizando filtros de modo común (Lcm1, Lcm2 y Ccm), que afectan a la corriente de modo común pero no a la corriente diferencial, y mediante el uso de transformadores. El transformador se opone fuertemente al paso de la corriente de modo común, siendo su único camino la pequeña capacidad parásita existente entre el primario y secundario (0,5-5 nF). Sin embargo, es un elemento caro y pesado. P Topología L1 Filtro EMI i1 electrónica 1 C VPV vdm Cdm Lcm1 Lcm2 vred PV 2 n N i2 L2 Ccm Ccm CPVg icm G 19 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables 3.5 Uso de transformador en los sistemas fotovoltaicos Con el fin de proporcionar mayor seguridad personal al sistema y garantizar una mejor integración de los equipos en la red (si se trata de equipos conectados a la red eléctrica), se puede colocar un transformador entre la salida del convertidor y la red (sistemas conectados a red) o la carga (sistemas aislados). Generador Convertidor dc/ac fotovoltaico Red eléctrica o ó dc/dc + dc/ac carga Ventajas e inconvenientes del uso de transformador ❑ Proporciona aislamiento galvánico. (+) ❑ Asegura IDC = 0. (+) ❑ Limita las corrientes en modo común. (+) ❑ Gran peso y tamaño (40 Kg para 5 kW). (-) ❑ Encarece el inversor (20% del precio de la etapa de conversión). (-) 20 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables La evolución de la tecnología permite eliminar el transformador obteniendo un comportamiento del equipo semejante al que se obtiene con el transformador desde el punto de vista de seguridad personal e integración en la red. ❑ Seguridad personal: Detección de derivas a tierra. ❑ Corriente continua: Precisión de medidas o uso de topologías que impidan la inyección de corriente continua. ❑ Corrientes en modo común: Utilización de filtros de modo común y de topologías y modulaciones que generen una tensión en modo común baja. Los inversores diseñados específicamente para su uso sin transformador se denominan transformerless (TL). El uso de transformador quedará por tanto determinado por la normativa existente en el país y los criterios más o menos conservadores del diseñador de la instalación. Países como Alemania e Italia, con gran tradición fotovoltaica, permiten el uso de sistemas sin transformador. 21 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables En España, el Real Decreto 1699/2011 sobre conexión de sistemas fotovoltaicos a red rige la conexión de estos sistemas a la red. ❑ Régimen de conexión y potencias. ❑ Obligatoriedad de transformador de baja frecuencia entre la instalación y la red. “La instalación deberá disponer de una separación galvánica entre la red de distribución de baja tensión y las instalaciones fotovoltaicas, bien sea por medio de un transformador de aislamiento o cualquier otro medio que cumpla las mismas funciones, con base en el desarrollo tecnológico.” Sin embargo, en la “Nota de interpretación técnica de la equivalencia de la separación galvánica de la conexión de instalaciones generadoras en baja tensión”, publicada por el Ministerio de Industria Turismo y Comercio en su página web, se permite eliminar el transformador de la instalación, siempre que cumpla: ❑ RBT en lo referente a aislamiento de instalaciones y seguridad personal: ITC-BT-18 e ITC-BT-24 ❑ Inyección de corriente continua menor al 0,5% de la corriente nominal. 22 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Si se elimina el transformador, se establece una conexión directa entre la instalación fotovoltaica y la red. Este hecho, unido a la gran capacidad parásita que presentan los paneles fotovoltaicos (unos 10 nF/kWp en ambientes secos y hasta 400 nF/KWp en días húmedos para silicio cristalino y 1 uF/kWp en capa fina), favorece las corrientes de modo común en aquellos convertidores que presenten una tensión en modo común total variable. Para limitar estas corrientes en modo común se pueden colocar filtros EMI (Lcm1, Lcm2 y Ccm). Sin embargo, si se producen variaciones de la tensión de modo común total del equipo a alta frecuencia, el filtro necesario puede resultar demasiado grande y caro. Si se utiliza un puente en H con modulación bipolar, puesto que la tensión de modo común es constante, será suficiente con un filtro de modo común. Sin embargo, si se utiliza un puente en H con modulación unipolar, el filtro de modo común necesario sería demasiado grande, por lo que se utiliza un filtro de modo común junto con un transformador. 23 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables 3.6 Estructuras de conversión para sistemas conectados a la red: estructuras monofásicas Las estructuras monofásicas se utilizan por debajo de 5 kW. Por ello, suelen aparecer en aplicaciones residenciales, sistemas aislados o en plantas fotovoltaicas con múltiples propietarios individuales de pequeños sistemas fotovoltaicos (huertas solares). Normalmente se basan en el inversor de puente en H, y además pueden llevar un elevador a la entrada y un transformador de baja/alta frecuencia. Las estructuras con transformador de baja frecuencia prácticamente han dejado de utilizarse debido a su mayor coste y peso y menor eficiencia. Estructura monofásica Tensión mínima* Tensión máxima a Tensión máxima potencia máxima en circuito abierto 1. Inversor 350 V 800 V 1000 V TL 2. Elevador + inversor 100 – 150 V 450 V 550 V 3. Inversor + trafo baja frecuencia 200 V 450 V 550 V LF 4. Elevador + inversor + trafo 90 V 450 V 550 V baja frecuencia 5. DC/DC con trafo alta 150 V 450 V 550 V HF frecuencia + inversor * Valores para tensiones de red de 230 V 24 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Requisitos generales Deben tener una eficiencia elevada. Deben ser pequeños y ligeros. Deben genera un nivel de ruido audible bajo (conmutaciones, relés, ventiladores, etc.) Deben presentar bajas emisiones electromagnéticas y una alta inmunidad a las EMI. Deben tener una alta fiabilidad, facilidad de mantenimiento y larga garantía (con contratos de reemplazo, por ejemplo). Su vida útil debe maximizarse. Los diseños actuales de inversores tienen una vida útil de aprox. 20-25 años. Deben incluir una monitorización con interfaces amigables y aplicaciones válidas para smartphones. 25 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Requisitos en cuanto a la entrada DC Deben tener un alto rango de tensión de entrada. Sus algoritmos MPPT deben ser fiables (sombreados, transitorios de irradiancia, etc.). Deben generar un bajo rizado de tensión DC, de lo contrario se generarán pérdidas por variación de las condiciones de funcionamiento. Deben presentar un bajo modo común, para evitar las corrientes por tierra. Deben incluir protecciones ante sobretensión, sobrecarga y sobretemperatura. La histéresis en el encendido y apagado debe ser mínima, para maximizar la generación de energía y con ello el rendimiento. Opcionalmente, pueden incluir sistemas de detección de robo. Opcionalmente, al menos por el momento en Europa, pueden incluir detección de arco eléctrico. 26 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Requisitos en cuanto a la salida AC Deben generar una corriente de salida senoidal. La corriente generada debe tener una baja distorsión armónica (típicamente menor del 3%). Debe cumplir con los códigos y normativas de red aplicables a las instalaciones de baja tensión. Deben aportar potencia reactiva al detectar un hueco de tensión. Deben poderse desconectar rápidamente en caso de detectar 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). Deben detectar el funcionamiento en isla (algoritmos de detección anti-isla) y apagarse. 27 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Estructura de conversión 1: Inversor Esta estructura es la más sencilla, puesto que no se utiliza elevador ni transformador, pero tiene el inconveniente de requerir una tensión mínima a la entrada del convertidor más alta que en el resto de casos. La tensión necesaria a la entrada del convertidor es de unos 350 V si nos conectamos a una red eléctrica de 230 V. Por otro lado, la tensión máxima a la entrada del convertidor viene determinada por el tipo de semiconductores empleados, que en este caso son de 1200 V. Debido a las sobretensiones que aparecen en las conmutaciones, es necesario dejar un margen de tensión, por lo que el fabricante limita la tensión fotovoltaica a unos 1000 V trabajando en circuito abierto y a unos 800 V trabajando en el punto de máxima potencia. ipv iin F1 F2 L/2 ired A Vdc C vAB vred B 0 L/2 F1 F2 N 28 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Estructura de conversión 2: Elevador + inversor Una de las estructuras más utilizadas en sistemas fotovoltaicos monofásicos es la formada por un elevador (dc/dc) y un inversor de puente en H (dc/ac). El uso de un elevador (boost) permite utilizar el convertidor en sistemas fotovoltaicos con tensiones de campo inferiores a los 350 V que serían necesarios a la entrada del inversor de puente en H para una tensión de red de 230 V (VDC>Vred,max). El elevador, eleva la tensión de entrada del panel (vPV) hasta la tensión vDC (unos 350 V). Posteriormente el inversor de puente en H invierte esta tensión y la convierte en una corriente alterna que se inyecta a la red. vDC vred vPV PV 29 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables En principio, la tensión mínima a la entrada queda determinada por el ciclo de trabajo máximo con el que puede trabajar el elevador. De esta forma, suponiendo un ratio de elevación máximo de 10, la tensión mínima sería de unos 35 V. Sin embargo, una tensión de entrada tan baja requeriría una corriente muy alta, reduciendo el rendimiento del elevador e incrementando el tamaño y coste de la bobina y de los semiconductores. Por eso, el fabricante proporciona una tensión mínima más alta, del orden de 100 – 150 V. Por otro lado, la tensión máxima a la entrada del convertidor viene determinada por el tipo de semiconductores empleados, que en este caso son de 600 V. Debido a las sobretensiones en las conmutaciones, el fabricante proporciona una tensión máxima de 550 V en circuito abierto y de unos 450 V en el punto de máxima potencia. En funcionamiento, se pueden dar dos situaciones: ❑ Tensión fotovoltaica entre 100 V y 350 V: La tensión de bus se mantiene a 350 V y el elevador aumenta la tensión desde la tensión de entrada hasta la tensión del bus. ❑ Tensión fotovoltaica entre 350 V y 550 V: El IGBT del elevador se mantiene siempre abierto, de forma que el elevador no actúa y la tensión de bus es igual a la tensión de entrada. 30 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Estructura de conversión 3: Inversor + trafo de baja frecuencia En esta estructura, el transformador de salida, además de proporcionar seguridad, asegurar la no inyección de corriente continua a la red y limitar las corrientes de modo común, puede ser aprovechado para elevar la tensión generada (vred1) hasta la tensión de red. De esta manera, la tensión necesaria a la entrada del convertidor es menor que en el caso de no utilizar el transformador. Esta tensión es, de forma aproximada: N 2 vred vred ,max 230 2 325 k= = v pv  = = k 1 N1 vred 1 k k k N1 : N 2 vPV vred1 vred PV 31 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Frente a las estructuras con elevador, esta topología mantiene un amplio rango de tensiones de entrada, ahorrando algunos elementos (bobina, diodo, driver e IGBT), aunque con el gran inconveniente de utilizar un transformador de 50 Hz. El principio de funcionamiento del convertidor es el mismo que el de un puente en H, con la única diferencia de que las corrientes por los semiconductores y bobina estarán multiplicadas por el factor k. Con el fin de que la corriente que vean los semiconductores no sea demasiado grande y para mantener un rendimiento aceptable, esta topología suele utilizarse para potencias de entrada pequeñas (< 3,5 kW). Un valor habitual es k = √3, así que la tensión mínima a la entrada ronda los 200 V. Por otro lado, en este convertidor se emplean semiconductores de 600 V, por lo que el fabricante proporciona una tensión máxima de 550 V en circuito abierto y de unos 450 V en el punto de máxima potencia. Un convertidor comercial que utiliza esta topología es el SB3300 del fabricante alemán SMA (VPV = 200 – 500 V). 32 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Estructura de conversión 4: Elevador + inversor + trafo de baja frecuencia En esta estructura, tanto el elevador como el transformador se pueden utilizar para elevar la tensión, haciendo posible obtener tensiones de entrada muy bajas. Sin embargo, debido al gran número de elementos que transforman la potencia, la eficiencia de esta estructura es la más baja, por lo que solo se utiliza para sistemas de baja potencia y con tensiones de entrada muy bajas. vDC vred vPV PV 33 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Estructura de conversión 5: DC/DC con trafo de alta frecuencia + inversor Para eliminar el transformador de baja frecuencia sin perder el aislamiento galvánico, se puede utilizar una etapa dc/dc con transformador de alta frecuencia: ❑ Proporciona aislamiento galvánico. ❑ Menor peso y coste que en baja frecuencia (reducción del tamaño del transformador proporcional a la frecuencia). ❑ No asegura IDC = 0. ❑ Es una topología más compleja. Topología resultante y estructuras posibles: Convertidor Transformador Puente Inversor Filtro dc/ac alta frecuencia diodos dc/ac Unidireccionales Bidireccionales (mayor aprovechamiento del núcleo) Flyback Push-pull Forward Medio Puente Puente Completo 34 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables 3.7 Estructuras de conversión para sistemas conectados a la red: estructuras trifásicas Según el Real Decreto 1699/2011, que rige la conexión de sistemas fotovoltaicos a la red eléctrica, la conexión de un sistema de más de 5 kW se debe hacer en trifásico. Puesto que se trabaja con altas potencias, la tensión que se puede alcanzar con el campo fotovoltaico es superior al caso monofásico. Una gran ventaja del inversor trifásico es que entrega una potencia constante a la red, sin la componente a 100 Hz de los sistemas monofásicos, por lo que el condensador del bus puede ser mucho menor. El inversor trifásico está constituido por tres células elementales de conmutación. Al igual que en sistemas monofásicos, las estructuras trifásicas pueden ir con o sin transformador. Estructura trifásica Tensión mínima* Tensión máxima a Tensión máxima potencia máxima en circuito abierto 1. Inversor 560 V 800 V 1000 V TL 2. Elevador + inversor 200 V 800 V 1000 V LF 3. Inversor + trafo baja frecuencia 400 V 800 V 1000 V * Valores para tensiones de red de 400 V (tensión de línea) 35 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Estructura de conversión 1: Inversor La estructura básica de conversión dc/ac utilizada en sistemas fotovoltaicos es el inversor trifásico clásico: Para redes habituales de 230 V de fase (400 V de línea), la tensión necesaria a la entrada del convertidor es superior a la tensión necesaria en un puente en H monofásico. Si despreciamos la caída de tensión en la inductancia de salida, la tensión de bus mínima es: ❑ El doble que en un puente en H monofásico: 𝑣𝑝𝑣 ≥ 𝑉𝑟𝑒𝑑 ∙ 8 = 650 𝑉 ❑ Se puede reducir con inyección de 3er armónico: 𝑣𝑝𝑣 ≥ 𝑉𝑟𝑒𝑑 ∙ 6 = 563 𝑉 36 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables En cuanto a la tensión máxima de entrada, puesto que este equipo utiliza 6 diodos y 6 IGBTs de 1200 V, esta es de unos 1000 V trabajando en circuito abierto y de unos 800 V trabajando en el punto de máxima potencia. Actualmente existen también equipos que utilizan semiconductores de 1700 V. En este caso la tensión máxima es de 1500 V en circuito abierto y 1300 V en el punto de máxima potencia. Esta estructura es la más utilizada para sistemas de mucha potencia, pudiendo llegar hasta 2 ó 3 MW. La gran ventaja es el bajo coste y alta eficiencia, ya que se alcanza un 99% de eficiencia máxima y un 98,5% de euroeficiencia. El pequeño rango de tensiones de entrada no suele ser un problema puesto que el gran número de módulos conectados en el campo fotovoltaico permite una gran flexibilidad en la conexión serie-paralelo. Aunque no incluye un transformador, a menudo esta estructura se encuentra dentro de una planta fotovoltaica, donde sí que habrá uno o varios transformadores para subir de baja a media/alta tensión. Por lo tanto, se cumplen los requisitos de de seguridad personal, no inyección de corriente continua y corrientes de modo común. Si esta estructura se conecta a una red de baja tensión, entonces sí que es importante suplir las ventajas que el transformador aporta mediante detección de derivas a tierra, precisión en la medida de las corrientes y reducción de corrientes de modo común. 37 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Estructura de conversión 2: Elevador + inversor La estructura formada por un elevador (dc/dc) y un inversor trifásico (dc/ac) se utiliza para sistemas trifásicos de baja potencia (entre 10 y 30 kW), donde las tensiones de entrada pueden ser más bajas. El elevador eleva la tensión de entrada del panel (vPV) hasta la tensión vDC (unos 600 V), necesaria para el funcionamiento del inversor trifásico. En principio, la tensión mínima a la entrada queda determinada por el ciclo de trabajo máximo con el que puede trabajar el elevador. De esta forma, suponiendo un ratio de elevación máximo de 10, la tensión mínima sería de unos 60 V. Sin embargo, una tensión de entrada tan baja requeriría una corriente muy alta. Por eso, el fabricante proporciona una tensión mínima más alta, del orden de 200 V. Por otro lado, se emplean semiconductores de 1200 V por lo que la tensión máxima es de unos 1000 V en circuito abierto y de unos 800 V en el punto de máxima potencia. En funcionamiento, se pueden dar dos situaciones: ❑ Tensión fotovoltaica entre 200 V y 600 V: La tensión de bus se mantiene a 600 V y el elevador aumenta la tensión desde la tensión de entrada hasta la tensión del bus. ❑ Tensión fotovoltaica entre 600 V y 1000 V: El IGBT del elevador se mantiene siempre abierto, de forma que el elevador no actúa y la tensión de bus es igual a la tensión de entrada. 38 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Estructura de conversión 3: Inversor + trafo de baja frecuencia En esta estructura, el transformador de salida, además de proporcionar seguridad, asegurar la no inyección de corriente continua a la red y limitar las corrientes de modo común, puede ser aprovechado para elevar la tensión generada hasta la tensión de red. De esta manera, la tensión necesaria a la entrada del convertidor es menor que en el caso de no utilizar el transformador. Un valor típico es k = √3, por lo que la tensión mínima necesaria a la entrada es de unos 400 V. Se emplean semiconductores de 1200 V por lo que la tensión máxima es de unos 1000 V en circuito abierto y de unos 800 V en el punto de máxima potencia. vPV k PV 39 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables 3.8 Control del subsistema de conversión en sistemas fotovoltaicos conectados a red El control del subsistema de conversión depende del tipo de sistema fotovoltaico de que se trate: de conexión a red o autónomo. Sin embargo, en ambos tipos de sistemas, el control del subsistema de conversión comparte muchos elementos comunes. En el caso de los sistemas de conexión a red, el control del subsistema de conversión presenta las siguientes características: ❑ Objetivo de extracción de la máxima energía de los paneles fotovoltaicos (MPPT) ❑ Inyección “directa” en la red de la potencia generada por los paneles ❑ Ausencia de etapas de acumulación de energía (baterías) ❑ Control de la corriente inyectada en la red ❑ Control de la tensión en los paneles fotovoltaicos 40 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Los lazos de control para convertidores electrónicos utilizan habitualmente la siguiente estructura: TENSIONES REFERENCIAS + CORRIENTES CONTROLADOR CONVERTIDOR - SENSOR + ACONDICIONADOR SEÑAL POTENCIA POTENCIA: variables físicas reales SEÑAL: mediciones de las variables físicas o implementación del controlador 41 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables El controlador utilizado en convertidores electrónicos es de tipo Proporcional- Integral (P.I.): La parte proporcional da rapidez La parte integral asegura error en estado estacionario nulo La parte derivativa no se utiliza por el riesgo de amplificación de armónicos de conmutación El controlador genera la modulante (o tensión uc, o ciclo de trabajo d) para el convertidor. Las variables que se controlan son tensiones en condensadores y corrientes por bobinas. El sensor realiza la medición de la variable controlada. La medición se acondiciona y filtra para eliminar rizados de conmutación y otros ruidos. La parte de señal se realiza de forma analógica o digital. 42 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Control en cascada Habitualmente, se utiliza para controlar los convertidores una estructura de lazos de control en cascada: LAZO INTERNO REFERENCIA REFERENCIA TENSIONES LAZO EXTERNO + CONTROLADOR LAZO INTERNO + CONTROLADOR CORRIENTES CONVERTIDOR - LAZO EXTERNO - LAZO INTERNO En este tipo de estructura, cada lazo externo genera la referencia para el siguiente lazo interno. La modulante es, por tanto, generada por el controlador del lazo más interno. Los lazos internos deben ser más rápidos que los externos, para asegurar la estabilidad del sistema. El diseño se realiza “desde dentro hacia fuera”, diseñándose en primer lugar los lazos internos y luego los externos. Es una estructura muy robusta que permite limitar los valores de las tensiones y corrientes en el convertidor. 43 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables ESQUEMA GENERAL DE CONTROL PARA EL ELEVADOR + PUENTE EN H ired vDC iPV iBoost vinv vred vPV TRANSFORMADOR RED PV Driver Drivers PWM PWM m d Lazo de ired control de Lazo de corriente ired control de iBoost corriente i Boost ired,ref Cálculo 2·sen(t) iPV vPV iBoost,ref Ief,ref vPV vDC Algoritmo Lazo de Lazo de vPV,ref control de vDC,ref control de MPPT tensión vPV tensión vDC 44 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Control del elevador IB Potencia VPV,ref IB,ref CONTROL DE MPPT CONTROL TENSION CORRIENTE BOOST VPV El elevador debe controlar la tensión de los paneles fotovoltaicos. En el caso deseable de que el subsistema de conversión tenga implementadas técnicas de seguimiento del punto de máxima potencia, dicha tensión será la correspondiente a la máxima potencia. Para controlar la tensión vPV, puede establecerse una estructura de control en cascada, en la que el lazo interno controla la corriente por la bobina iB, mientras que el externo controla la tensión. Esta estructura de control en cascada es opcional. La tensión de salida del elevador es la de entrada del puente en H. Esta tensión es controlada por el puente en H. 45 Tema A3 Estructuras de conversión electrónica Energías renovables Control del puente en H Ired VDC,ref Ired,ref CONTROL DE CONTROL TENSION CORRIENTE INVERSOR VDC El puente en H debe inyectar en la red eléctrica una corriente ired controlada en fase con la tensión de red. La referencia para la corriente ired se obtiene de un lazo externo con el que se controla la tensión vDC. Si esta tensión se mantiene constante, el condensador no almacena nada de energía. En este caso, toda la potencia generada por el generador fotovoltaico en DC se transforma en AC y es inyectada en la red. 46