jueves, 12 de febrero de 2015

INVERSORES

El generador FV produce corriente continua.

En sistemas fotovoltaicos autónomos para poder utilizar cargas en corriente alterna se necesita un dispositivo electrónico, denominado inversor, que convierta la corriente continua en corriente alterna. Habitualmente en sistemas fotovoltaicos autónomos el inversor está conectado a una batería, mientras en un sistema fotovoltaico conectado a la red eléctrica el inversor está conectado directamente al generador fotovoltaico.

Las funciones principales de los inversores son: inversión DC/AC, modulación de la onda alterna  de salida y regulación del valor eficaz de la tensión de salida. Los inversores que se pueden encontrar normalmente pueden ser monofásicos o trifásicos a 50 Hz, con diferentes voltajes nominales de entrada con un amplio rango de potencias disponibles, de unos pocos vatios hasta varios megavatios. Pueden operar conectados a baterías o directamente al generador FV y pueden estar conectados a diferentes consumos o inyectar energía en la red eléctrica. Los inversores pueden clasificarse en función de la forma de onda de la tensión de salida: 
  • De onda cuadrada.
  • De onda modificada o quasi-senoidal .
  •  De onda senoidal (muy parecida a la onda de la red eléctrica).
Los inversores de onda cuadrada son los más económicos. Se basan en un simple “chopeado” de la potencia DC de entrada, con muy poca modulación o filtrado. La onda resultante tiene un gran contenido en armónicos no deseados. La distorsión armónica total (THD) es bastante elevada, en torno al 40%, y su rendimiento está en torno al 50-60%. La potencia de sobrecarga es baja, del 10-20% de la potencia nominal. Su regulación de voltaje también es muy baja. Se suelen utilizar con pequeñas cargas inductivas  o resistivas, aunque algunos tipos de cargas pueden no operan satisfactoriamente.

Los inversores de onda semi-senoidal o quasi-senoidal presentan una THD del 20% y sus rendimientos son mayores del 90%. Son utilizados en electrificación rural para alimentar los electrodomésticos más habituales, incluyendo ordenadores y equipos musicales. Algunas cargas como las impresoras láser, los microondas y los relojes (que pueden adelantar un 50%) pueden presentar problemas de operación con este tipo de inversores.

Los inversores senoidales tienen un cuidadoso filtrado de la señal generada. En general son la  mejor opción para la alimentación de cargas AC, no presentando ningún problema en relación con la  THD o estabilidad de la tensión. Algunos tipos de consumos electrónicos como los equipos de telecomunicaciones o instrumentación delicada pueden requerir su utilización. Los inversores que  Sistemas fotovoltaicos producen ondas senoidales se están imponiendo sobre el resto de inversores que están dejando de ser utilizados, incluso para las aplicaciones más simples.

Para cargas inductivas, como es el caso de los motores, la forma de la onda que llega al motor debe aproximarse lo más posible a una onda senoidal o a una onda PWM cuyos primeros armónicos se presenten a muy alta frecuencia, ya que el máximo rendimiento en el giro del motor se produce por el armónico fundamental a una frecuencia de 50 Hz. Cualquier otro armónico presente en la onda que llegue al motor no produce giro, sin embargo disipa calor por efecto Joule como I²R, lo que provoca 
calentamientos en las bobinas de cobre y cuerpo del motor y por tanto pérdidas de rendimiento. A  menudo estos armónicos son los responsables de la degradación y destrucción de los aislamientos de las bobinas.

La regulación del valor eficaz de la tensión de salida en inversores autónomos suele realizarse mediante control PWM. Ya que la tensión DC de entrada al inversor varía, también lo hace la  producción de corriente de carga y en consecuencia la tensión de apagado de los interruptores de los semiconductores que forman el inversor. Como consecuencia la duración de los pulsos de la onda de salida debe ser modulado (estrechándolo o ensanchándolo). En algunos inversores la regulación de la tensión de salida se realiza con ayuda de transformadores o regulando la tensión antes del inversor.

El funcionamiento general de un inversor está basado en puentes de interruptores de semiconductores de potencia con un ciclo controlado de apertura y cierre generando ondas de pulsos variables (cuantos más pulsos menor distorsión armónica y mayor proximidad a la onda pura senoidal).

CONFIGURACIONES DE LOS INVERSORES

Los semiconductores de potencia comúnmente utilizados en los inversores fotovoltaicos son: los tiristores (SCR y GTO) y los transistores de potencia (MOSFETs, bipolares e IGBT). A mayor frecuencia de conmutación se obtiene una onda de salida mucho más cercana a la senoidal ideal con menor contenido en armónicos y factores de potencia mayores, eliminando de este modo la necesidad de filtrados a la salida del inversor.

En general, el modo de operación de estos dispositivos semiconductores de potencia es que cuando 
se les aplica un pulso o tensión a la puerta permiten el flujo de corriente del ánodo al cátodo. Se diferencian unos de otros en el voltaje y corriente de trabajo máximo admisible y en el tiempo de interrupción.

Los GTO pueden llegar a frecuencias de 103 Hz y potencias de 109 W. Los IGBT 105 Hz y 106 W 
y los MOSFET 108 Hz y 105 W.
Principio de operación de un inversor. Generación de distintas formas de onda AC desalida a partir de una entrada DC variando el ciclo de apertura y cierre
de los interruptores de potencia.Ejemplo de un puente trfásico de tiristores a red
Los inversores empleados en las aplicaciones fotovoltaicas se pueden agrupar o dividir en  dos grandes categorías: los autoconmutados y los conmutados por la red. Los inversores autoconmutados
pueden funcionar como fuente de tensión o como fuente de corriente mientras que los conmutados por red sólo como fuente de corriente, por ello los autoconmutados se pueden utilizar tanto en aplicaciones autónomas como en aplicaciones conectadas a la red eléctrica mientras que los conmutados por la red únicamente en aplicaciones conectadas a la red. Normalmente los inversores operan a una frecuencia fija de salida (50 Hz) pero existe un caso especial de los inversores autoconmutados que pueden variar su frecuencia de salida en función de la potencia de entrada y la carga de salida, y se suelen utilizar en los sistemas de bombeo fotovoltaico.

Características principales de los dispositivos semiconductores utilizados en los inversores.

Por otro lado los inversores pueden conectarse a un sistema de baterías con una tensión definida, como es el caso de los inversores autónomos, o directamente al generador fotovoltaico, como es el caso de los inversores de conexión a red, en cuyo caso el rango de variación de la tensión de entrada es mayor.

Los inversores de conexión directa a un generador fotovoltaico, poseen además seguimiento del punto de máxima potencia del generador fotovoltaico.

Los inversores autoconmutados pueden operar de modo autónomo. La regulación de tensión suele realizarse por modulación del ancho de pulso (PWM). Normalmente conmutan a alta frecuencia con lofácilmente filtrables. Los posibles armónicos que aparecen son los debidos a la frecuencia de conmutación (típicamente de 1 kHz a 20 kHz). Este tipo de inversores, en su conexión a red, no demanda potencia reactiva ya que puede generar la señal de corriente totalmente en fase con la tensión de red, aunque también puede usarse para compensar potencia reactiva modificando el factor de potencia.

Los inversores commutados por red basados en tiristores necesitan la presencia de la señal de tensión de red que se utiliza para el disparo de los semiconductores. Debido a ello suelen operar con ondas de corriente retrasada respecto a la onda de tensión de red con lo que se necesitan unidades de compensación de potencia reactiva. Este tipo de inversores está dejando de ser utilizados siendo sustituidos por inversores basados en dispositivos autoconmutables, habitualmente IGBTs con un control PWM controlado en corriente.

Debido al alto coste de producción de la energía solar fotovoltaica los inversores han de ser fiables (en instalaciones autónomas puede resultar muy caro reparar cualquier avería por pequeña que sea) y de alto rendimiento (incluso a potencias muy bajas). Aunque los inversores de IGBT tienen un menor rendimiento, todos los inversores han de estar por encima del 90%, siendo 94% un valor normal para el rendimiento (referido a inversores de onda sinusoidal, 60% en el caso de onda cuadrada). El rendimiento del inversor varía dependiendo de la potencia que se genera. Con inversores de nuevas tecnologías se puede alcanzar rendimientos del 85% al 10% de la carga nominal. En el caso de utilizar cargas inductivas, como motores, inducen un desfase entre la corriente y la tensión disminuyendo el factor de potencia con lo que la potencia real suministrada a dichas cargas puede verse reducida por un 10-30% o más.

Las características de operación más destacables de los inversores se pueden condensar en:
  • Voltaje y corriente de entrada/salida.
  • Tipo de forma de onda (cuadrada, cuadrada modificada o sinusoidal).
  • Límites del voltaje de entrada. Los inversores se diseñan para un voltaje de entrada determinado (12, 24 V) con unos límites superior e inferior de variación del voltaje (p. e. para un inversor de 12 V, puede estar entre 11 a 16 V).
  • Bajo autoconsumo y alto rendimiento.
  • Distorsión armónica total (THD). Cuanto menor THD, menor ruido e interferencias. Tener en cuenta el factor de potencia de operación con las cargas. 
  • Potencia de salida. Referida como potencia continuada de operación.
  • Capacidad de sobrecarga. Importante en el caso de arranque de motores con inversores de frecuencia fija, donde es necesaria una corriente de arranque de 3 a 7 veces la nominal. 
  •  Regulación de tensión de salida, independiente de la tensión de entrada y del consumo.
  •  Regulación de la frecuencia de salida.
  •  Facilidad de reparación y mantenimiento.
  •  Umbral de arranque ajustable (nivel mínimo de carga para que el inversor arranque).
  •  Una característica deseable es la capacidad de operar en paralelo adaptándose a la modularidad de los sistemas fotovoltaicos o facilidad de aumentar la potencia disponible (simplemente aumentado el número de módulos fotovoltaicos y/o la capacidad de batería). La operación en paralelo en inversores autónomos requiere una operación en modo “maestro-esclavo” para sincronía de las ondas de tensión generadas por los distintos inversores.

RENDIMIENTO

Los inversores no son intrínsecamente eficientes y conseguir que los rendimientos de los inversores alcancen los niveles actuales ha sido posible gracias al desarrollo tecnológico de las últimas décadas. El rendimiento de conversión DC/AC en inversores autónomos depende del tipo de carga (resistiva, capacitiva o inductiva) a ellos conectada, en concreto se puede establecer una dependencia del rendimiento en función del factor de potencia. El rendimiento no es constante en todo el rango de potencia de operación, si no que varía dependiendo de la potencia generada siendo muy bajo a muy bajas potencias y aumentando progresivamente a medida que aumenta la potencia. La curva de rendimiento frente a la potencia de salida es el mejor modo de ver como se comportará el inversor en una gran variedad de situaciones. Es importante hacer notar que la curva de rendimiento cae rápidamente para pequeñas potencias.

Es importante construir un perfil diario de carga para determinar en que punto de la curva de rendimiento estará operando el inversor durante la mayor parte del tiempo, y que rendimiento utilizar para la estimación de la energía demandada en el dimensionado del sistema.
La curva de rendimiento para cargas inductivas, como motores, es diferente que para cargas  puramente resistivas. Con las cargas inductivas la tensión y la corriente no están en fase, aparece el factor de potencia que reduce la potencia activa entregada hasta un 20-30%.


Forma típica del rendimiento de un inversor autónomo en función del factor de potencia (Cos fi)
.

OTRAS CARACTERÍSTICAS

Además de un elevado rendimiento de operación y la capacidad suministrar los picos de arranque de algunas cargas o capacidad de sobrecarga, hay otra serie de características que es conveniente examinar en los inversores para su utilización en sistemas fotovoltaicos autónomos:
  • Autoconsumo. Cuando un inversor no está en operación el inversor tiene un pequeño consumo de potencia. Existen inversores que se “apagan” cuando no haya cargas conectadas a su salida, minimizando el autoconsumo, esencialmente debido al transformador. En este caso el inversor mantiene un sistema automático de detección de conexión de cualquier carga. 
  • Autoarranque. El inversor ha de tener la capacidad de arrancar automáticamente cuando “detecta” que alguna carga ha sido activada. 
  • Interferencias. Las interferencias electromagnéticas de radiofrecuencia han de suprimirse, minimizando interferencias con otros dispositivos sensibles a ellas como radios, TV u ordenadores. 
  • Regulación del nivel eficaz de la tensión de salida, manteniendo el valor de la tensión de salida cercano a 220 V y el voltaje pico cerca de 380 V para evitar que no se dañen los aparatos conectados. En algunos inversores no regulados la tensión de salida cambia con el consumo y con el voltaje de entrada, lo que puede suponer graves problemas para algunos tipos de cargas. 
  • Baja distorsión armónica total, THD, de la onda de tensión de salida. La THD de la onda detensión de salida depende del tipo de onda del inversor y de los filtros utilizados internamente. La THD de la onda de corriente no depende del inversor, sino del tipo de carga a él conectada.
  •  Regulación en frecuencia. Los inversores autónomos han de mantener constante la frecuencia de operación. 
  • Capacidad de sobrecarga. La capacidad de proporcionar hasta seis veces la potencia nominal,durante un periodo de tiempo limitado, habilita al inversor para el arranque de cargas con elevados picos de corriente de arranque, sin necesidad de sobredimensionarlo para el normal funcionamiento. 
  • Protección contra sobrecorrientes. El inversor se debe proteger si detecta elevadas corrientes de duración limitada. Así por ejemplo puede estar protegido contra cortocircuitos a su salida. 
  •  Protección térmica, el sobrecalentamiento de los componentes debido a condiciones adversas de operación debe parar la operación del inversor o limitar la potencia de operación a determinados niveles de seguridad. 
  • Protección contra sobretensiones. 
  •  Protección contra bajas tensiones. 
  • Protección contra inversión de polaridad. El inversor esta protegido si se cambia la polaridad de la entrada DC. 
  • Posibilidad de conectar inversores en paralelo. En aplicaciones donde la variabilidad del consumo es muy grande, es muy difícil encontrar un solo inversor con alto rendimiento en todo el rango de consumo. La utilización de dos o mas inversores en paralelo puede mejorar el rendimiento considerablemente, si están sincronizados para ello. 
  •  Aislamiento DC/AC. Resulta conveniente en las instalaciones tener aislamiento entre las dos partes del sistema AC y DC. 
  • Los inversores autónomos que se conectan directamente a la batería, sin necesidad de regulador externo de carga para protección contra sobredescargas, lo llevan incorporado internamente.

Cuando se produce el arranque de cargas con elevados picos de corriente de arranque se puede producir una bajada de muy corta duración de la tensión de batería, debida a la corriente de arranque. Por tanto el inversor ha de disponer de un ciclo de histéresis adecuado o en caso contrario no podría arrancar en estos casos, no debido a la capacidad de sobrecarga del inversor, si no debido al corte por baja tensión de batería.

El inversor, utilizado para convertir la energía DC fotovoltaica en energía AC, es el elemento principal para la operación exitosa del sistema FV, y también es la parte más compleja. Durante casi 20 años de aplicaciones de sistemas fotovoltaicos para usos terrestres se ha realizado una investigación y desarrollo sistemático de estos componentes con el objetivo de reducir costes y mejorar el rendimiento.

Los inversores se pueden utilizar tanto en sistemas fotovoltaicos autónomos como en sistemas conectados a la red eléctrica, y algunas de las exigencias comunes son: 
  •  Operar en un amplio rango de voltajes DC de entrada.
  •  Poseer autoprotecciones y seguridad hacia el usuario.
  •  Regular el voltaje y la frecuencia de salida.
  •  Proporcionar potencia AC a las cargas o a la red eléctrica con una determinada calidad de suministro.
  • Realizar seguimiento del punto de máxima potencia si están directamente conectados al generador fotovoltaico. 
  • Operar en un amplio rango de condiciones ambientales de temperatura y humedad relativa.
  • Poseer interfases con otros controles del sistema, o controlar el sistema.
  • Satisfacer las necesidades de seguridad exigidas en la conexión a red.
La fiabilidad y el coste han sido los dos importantes elementos en los últimos desarrollos.
Actualmente se han conseguido los siguientes objetivos:
  • Se han desarrollado nuevos diseños específicos para aplicaciones fotovoltaicas, aumentándose la fiabilidad y reduciéndose el coste final.
  •  Se están utilizando nuevos y mejorados dispositivos de estado sólido dando lugar a diseños con menos fallos, mejor calidad de potencia, mejor control, mayor fiabilidad, y mayores rendimientos en todo el rango de potencia de operación. 
  • Se han desarrollado nuevos conceptos como es el caso de los módulos AC, consistentes en pequeños inversores situados en la parte posterior del módulo, o los “string inverters” consistente en muchos inversores de pequeña potencia conectados a un bus AC. 
  • Se han conseguido inversores de gran potencia (>650 kW) en una sola unidad (utilizando un solo puente inversor).
Las topologías de los inversores han evolucionado continuamente a medida que se ha dispuesto de nuevos y mejores dispositivos de conmutación. En los inicios, únicamente se disponía de inversores conmutados por red utilizando rectificadores controlados de silicio (SCR) y grandes sistemas de filtrado.

El primer inversor sinusoidal que utilizaba transistores bipolares como elementos de conmutación,
seguimiento del punto de máxima potencia del generador fotovoltaico se realizó en 1978. En los años 80 se desarrollaron inversores de onda senoidal utilizando FETs de potencia y transistores bipolares, en algunos casos a frecuencias de conmutación de hasta 40 kHz, y a menudo utilizando una combinación de control analógico y digital con el objeto de reducir costes y complejidad. Estos diseños a elevadas frecuencias de conmutación utilizaban transformadores y filtros más pequeños, con la consecuente reducción de tamaño y peso del inversor. La evolución de los inversores fotovoltaicos continuó en los años 90 utilizando los nuevos IGBTs, MOSFETs mejorados, microprocesadores de elevadas potencias de cálculo en tiempo real y circuitos integrados PWM. Estos componentes avanzados permitieron el diseño de inversores más eficientes con una excelente calidad de potencia. Los nuevos desarrollos incorporan los avances en los IGBTs y MOSFETs, utilizando microprocesadores más rápidos que permiten un control completamente digital, permitiendo mayor flexibilidad en su operación. 

Los inversores comercialmente disponibles en la actualidad incluyen diseños para inversores conectados a red, sistemas híbridos y autónomos. Algunos diseños son modulares (pueden operar en serie o paralelo entre ellos para dar mayor flexibilidad en el diseño del sistema). Algunos nuevos diseños son bidireccionales con control automático que permite tanto la carga de una batería, por ejemplo desde un grupo diesel, como la inversión. Casi todos los inversores utilizan microprocesadores con control digital.

Algunos incorporan la posibilidad de programación remota y sistema de monitorización integrado.
También el rendimiento es cada vez mejor. 

La tendencia de los últimos años es centrarse más en los aspectos de fabricación, control de calidad, modularidad y hardware standarizado. También se están incorporando los circuitos integrados de potencia y dispositivos de conmutación inteligentes. Estos componentes combinan la lógica, protecciones, “drivers” y aislamiento eléctrico en una sola unidad compacta, aumentando la densidad de potencia y  multifuncionalidad a la vez que se disminuye el tamaño, el peso y el coste.

En el caso de inversores de conexión a red se están alcanzando elevados rendimientos de operación, junto con elevados grados de fiabilidad de operación. No obstante son necesarios mejoras y optimización de los algoritmos de seguimiento del punto de máxima potencia del generador fotovoltaico, que en la actualidad es el elemento primordial que diferencia unos modelos de otros, además de las características de telemonitorización y programación de diferentes parámetros de operación en función del tipo de instalación.

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