Aumento-eficiencia

7/26/2019 Aumento-eficiencia

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José

Antonio Domínguez Vázquez

Universidad de Valladolid - Asoc. LACECAL

Métodos de optimización

1

NUEVOS PROCEDIMIENTOSDE OPTIMIZACIÓN



José




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NUEVOS PROCEDIMIENTOS DE OPTIMIZACIÓN

•

La optimización de una planta tiene dospuntos principales: –

En los paneles: Todos los panelesagrupados deben trabajar en su punto de

máxima potencia. Pérdidas por mismatch.•

Estudio detallado de las características de

cada inversor individual: TESTEO

–

En el inversor : Como la potencia deentrada es variable: Pérdidas en inversor.

•

Métodos diversos.



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Visto el inversor como un todo las pérdidas dependen de

los siguientes factores:

•

El factor de potencia: no es igual el rendimiento a factorde potencia unidad que a factor de potencia inductivo o

capacitivo.

•

El factor de carga: es la potencia de salida respecto a su

nominal en tanto por ciento.

Suelen estar diseñados para obtener su mejor

rendimiento a una potencia dada. (el 50% de la nominalaprox.) puesto que la mayor parte del tiempo estará

funcionando alrededor de esa potencia.



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Convertidores CC/CA

La tensión de entrada: gran problema para determinar elrendimiento de un inversor ya que esta puede ser

variable debido a la naturaleza de las plantas

fotovoltaicas. Depende:

•

Tipo de semiconductor usado y de su circuito de

disparo (driver ).

•

Si es de conexión a red con transformador - >mayor rendimiento a baja tensión, mientras que

uno sin transformador (transformerless ) (Españano) lo suele tener a mayor tensión.



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Convertidores CC/CA

muy difícil mostrar una única gráfica de rendimiento puestoque depende de diversos factores muy cambiantes en las

plantas fotovoltaicas.



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Convertidores CC/CA

“Factor de rendimiento Europeo”-> para uniformizar elrendimiento que se define de la siguiente forma:

•Se calculan unos tiempos de funcionamiento en % sobre

su vida total anual.

•Favorece a los inversores cuya mejor eficiencia se sitúe en

el 50% de su carga nominal.

•Las eficiencias a bajas potencias, así

como la calidad de

la onda generada es realmente muy pobre y ello perjudica ala carga receptora, ya sea la red o el electrodoméstico que

tengamos conectado.



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Problemática y soluciones

– Topología H4

– Topología H6

– Topología H5

– Topología HERIC – Topología UltraEta® de REFU

– Sistema MIX de Fronius

– Sistema MODEN – Sistema CPD/TEAM

– Sistema String de ASM

– Otros sistemas.

Convertidores CC/CA



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Problemática 1/3

•

Transformador: 2% aprox.de pérdidas + aumenta coste•

Gran impulso a los inversores “transformerless”

para lograruna mayor eficiencia, economía y ligereza

•

En estos inversores se ha de exigir que cuenten con

mecanismos de seguridad adicionales:pruebas deresistencia de aislamiento y de medición de corrienteresidual (RCD) para asegurar que sean tan seguros comolos inversores con transformador.

•

Difícil en fenómenos de descarga, sobretensiones ycortocircuitos, fenómenos mucho más rápidos quecualquiera de los elementos mencionados.



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Problemática 2/3•

También como consecuencia de eliminar el transformador,se elimina también el acceso al neutro de la red

y por ello

a un punto de referencia común al inversor y a la carga, eneste caso la red. -> módulo fotovoltaico forma flotante .Con ello una parte de la amplitud de tensión alterna llega almódulo. Esa tensión oscila con una frecuencia de 115 V/50

Hz.



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Problemática 3/3•

Consecuencia directa de esta tensión de flotación:capacidades parásitas de los módulos pueden llegar

a ser de un valor entre 1nF y 5nF provocancorrientes de fuga considerables de hasta 50mA,•

Motivan constantes problemas de desconexión delos inversores, ya que que pueden hacer disparar las

protecciones de aislamiento instaladas para protegera personas de posibles descargas desde lainstalación

•

Con transformador con neutro para unir estructurasy/o punto medio de los paneles fotovoltaicos a tierra,la tensión de los módulos fotovoltaicos sólo fluctúaun ripple (rizado) de pocos voltios.



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topología H4: inductanciasdivididas.

•

Primer cambio en la topología respecto la convencional de

puente monofásico•

La modificación consiste en dividir la bobina de filtrado en dos,una en cada rama, con el objetivo de igualar las impedanciasvistas desde la entrada de continua positiva y la negativa, usandoconmutación BIPOLAR (S1+S4; S2+S3; nunca cero).



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topología H4: inductanciasdivididas.

•

Cualquier otra topología y/o método deconmutación causan tensiones fluctuantesentre los paneles y tierra y provocan que la

capacidad parasita del generador fotovoltaicoaumente considerablemente

•

La eficacia inversor puede subir entre el 96% y

el 97% en inversores de hasta 10 kW.



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topología HERIC

•

High Efficiency and Reliable Inverter Conceptdesarrollado por la Universidad de Fraunhofer ycomercializado por la empresa Sunways.

Convertidores CC/CA



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•

los polos de potencia S1-S4 y S3-S2 funcionan como

un PWM convencional en montaje en puentemonofásico H4 inductancias divididas•

Se sustituyen los diodos de libre circulación por lasramas de los polos S5 y S6. Además tiene la ventajade mejorar el contenido armónico de la corriente desalida. GENERADOR SOLAR FLOTANTE AISLADO

topología HERIC

Convertidores CC/CA



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•

Aumento de rendimiento a bajas cargas

•

Impide la recirculación de corrientes y por lo tanto laspérdidas por capacidades parásitas.

•

Mejora el contenido armónico de la corriente de salida.

•

Como contrapartida necesita de un mayor número de polosde potencia

topología HERIC

Convertidores CC/CA



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topología H6 de INGETEAM•

Se cambian los dos polos S5 y S6 de la topología deHERIC de la salida del puente a la entrada del

mismo, evitando los diodos D1 y D2.•

Generador solar queda desconectado para evitarescalones de tensión: flotante respecto tierra.

•

Así

que cuando se genera tensión cero, S5 y S6tienen que estar abiertos.



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topología H5 de SMA•

Simplificación anterior patentada en 2005. SMA.•

Utiliza los interruptores S1 y S3 para generar tensión

cero de salida, mientras los interruptores S5, S2 y S4se cortan para desconectar el generador solar•

Mediante el uso de los polos S2 y S4 para

desconectar el polo negativo del generador solar, sepuede eliminar el polo S6 de la configuraciónanterior.



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•

Inversores de Refu elektronik –

Factor de eficiencia Máximo superior al 98% –

Factor de eficiencia Europea superior al 97% entodo el rango de 400., 800VDC

–

Novedoso PMP de seguimiento

Topología UltraEta® de REFU

Convertidores CC/CA



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topología REFU

Convertidores CC/CA



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•

Única topología de 5 niveles.•

Inversor trifásico dividido en dos etapas.•

Filtro de interferencias entre paneles y entradaCC.

•

El dispositivo cuenta con un divisor capacitivo conpunto medio conectado al cable neutro de red.

•

Posee dos puentes trifásicos de salida, que estánconectados en paralelo, tipo B6

topología REFU (fuente:Revista Photon)



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•

El primer puente está

conectado directamente a la entrada CC.•

El segundo puente es alimentado por dos elevadores(booster) que se

encuentran en el terminal positivo y en el negativo de entrada, loscuales alimentan un segundo divisor capacitivo.

topología REFU



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•

Para los pequeños valores instantáneos de las tensiones de la red, sehace conmutar el puente B6 de menor tensión (polos S11 a S16). Para

valores superiores de la tensión instantánea, se usa el puente B6 demayor tensión (polos S21 a S26). Para obtener valores de tensión cerocon este puente se usan los polos S31 a S36 para los dos puentes. Lamisión de los diodos D11 a D16 es evitar los cortocircuitos entre losdos niveles de tensión continua que se producirían al conmutar los

polos S21 a S26 y polarizarse los diodos de freewheeling de los

polosS11 a S16

topología REFU



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José




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MIX de Fronius

•

Sistema de trabajo Master-Slave.

•

Varios puentes de baja potencia (2’2kW) trabajando enparalelo

•

Objetivo: obtener buenos rendimientos a baja potencia

de entrada.•

Un único control.•

Desventaja: muchos puentes para obtener grandes

potencias. Potencias grandes limitadas.•

Ventaja: la rotura de un inversor no supone gran pérdidade producción.

Convertidores CC/CA



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•Entrada

MPP voltage range

210-420V 210-420V

210-420VMax. input voltage

(at 1 kW/m²; -10°C)

530V 530V

530V

Recommended PVplant

output

24-31kWp

32-42kWp

40-52kWp

Max. input current

123 A

164 A

205 A

•Salida

Nominal output

24kW 32kW

40kWMax. power 24kW 32kW

40kWMax. efficiency

94,3%

94,3%

94,3 %Euro efficiency

93,3%

93,4%

93,5%

Mains voltage / frequency

3NPE~400 V / 50 HzDistortion factor

< 5%

Power

factor

1

Power consumption at night

9w



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MODEN•

Uso de ultracondensadorespara regular la potenciaproveniente de los paneles yasí:

–

Aprovechar los momentos debaja irradiancia

–

Funcionar el cc/ca en su mejorrendimiento

DC/DC ?DC/DC ?



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==≈≈

PVPV RedRed

UltracondensadoresUltracondensadores

CC/CACC/CA

== ==

DC/DC ?DC/DC ?



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Estrategias MODEN

Salida a potencia constante Salida a potencia constante, CC/CC

Salida a potencia constante, doble nivel

Sistema mixto moden-convencional



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CPD / TEAM

•

Varios campos de paneles de iguales características con

conexionado variable a varios inversores en función de

la potencia disponible

•

Desventaja: conexionado más caro, necesidad de

contactos de bajo consumo o consumo esporádico.

•

Ventaja: a baja irradiancia, toda la potencia se dirige a

un solo convertidor -> trabaja en su mejor rendimiento.

Sombras, paradas de un campo fotovoltaico no suponeun lastre para el resto.

Convertidores CC/CA



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Funcionamiento equipo

CPD Funcionamiento aislado

Grupo de paneles 1

Grupo de paneles 2

Grupo de paneles 3

Grupo de paneles 4

Inversor1

Inversor2

Inversor3

Inversor4

C1 C2 C3 C4

C5 C6 C7

+ + + +- - - -

Contactores con retención mecánica en cable +

Todos los cables -

unidos



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CPD Funcionamiento aislado

3 posibles configuraciones:

P1 P2 P3 P4

I1 I2 I3 I4

P1 P2 P3 P4

I1 I2 I3 I4

P1 P2 P3 P4

I1 I2 I3 I4

Configuración 1 a 1

P1

> P2a1

PI1

=P1


P4a1

< P1

< P2a1

PI1

=2·P1


P1

< P4a1

PI1

=4·P1



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CPD Funcionamiento master-slave

Funcionamiento independiente para P1

> Pslave(Configuración 4 a 1 si Pslave

< P1

< P4a1

)Configuración 8 a 1 para P1

< Pslave

. Inversor 1 de master

Misma tarjeta para ambos equipos.

CPD

MASTER

CPD

SLAVE

C8

(accionado por

slave)

Línea

comunicación

MASTER-SLAVE



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Funcionamiento equipo CPD

Potencias de cambio

P1

(w) 8 a 1 4 a 1 2 a 1 1 a 1100 89,14 83,75 76,64 65,3

475 92,43 92,13 89,14 83,75

600 92,77 91,07 87,45

800 92,64 92,13 89,14950 92,43 92,42 90,12

1000 92,37 92,52 90,39

1200 91,95 92,77 91,07

1400 92,74 91,741600 92,64 92,13

1800 92,51 92,34

1900 92,43 92,42

2000 92,37 92,522500 91,9 92,78

Rendimiento de inversores para diferentes potencias de entrada y

configuraciones:


P1 > 1900 w


950 w < P1

< 1900 w


475 w < P1

< 950 w

P1

(w) 8 a 1 4 a 1 2 a 1 1 a 1100 89,14 83,75 76,64 65,3

475 92,43 92,13 89,14 83,75

600 92,77 91,07 87,45

800 92,64 92,13 89,14950 92,43 92,42 90,12

1000 92,37 92,52 90,39

1200 91,95 92,77 91,07

1400 92,74 91,741600 92,64 92,13

1800 92,51 92,34

1900 92,43 92,42

2000 92,37 92,522500 91,9 92,78


P1

< 475 w



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Ejemplo funcionamiento

P1 P2 P3 P4

I1 I2 I3 I4

P1 P2 P3 P4

I1 I2 I3 I4

Equipo convencionalP1

= 500 w

η

= 84,78 %

Psal

= 4·η· PI1conv

= 1695,6 w

Equipo CPD

PI1conv

= P1

= 500 wP1

< P4a1

Configuración 4 a 1PI1CPD

= 4·P1

= 2000 w

η

= 92,52 %

Psal

= η· PI1conv

= 1850,4 wGanancia: 154,8 w

8,37 %

Rendimiento inversor CC/CA

0

10

20

30

40

5060

70

80

90

100

0 7 5 3 0 0

6 0 0

9 0 0

1 1 0 0

1 4 0 0

1 7 0 0

2 0 0 0

2 3 0 0

2 6 0 0

2 9 0 0

3 2 0 0

3 5 0 0

3 8 0 0

4 1 0 0

4 4 0 0

4 7 0 0

5 0 0 0

Potencia de entrada (w)

R e n d i m i e n t o ( % )

500 w

84,78 %

2000 w

92,52 %

Equipo

Convencional

Equipo

CPD



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Comparación de rendimientos



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STRING

CC/CC CC/CC CC/CC CC/CC

CC/CA



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•

Varios campos de paneles dedistintas características con conexióna un único inversor

•

Desventaja: al haber variosreguladores CC/CC peor rendimiento.

•

Ventaja: sombras, paradas de un

campo fotovoltaico no supone un

lastre para el resto. Posibilidad de

tener campos de paneles de distintos

fabricantes (actualización de viejas

plantas)•

Conclusión: ventajas compensan

pérdidas en CC CC

Convertidores CC/CA: Sistema STRING



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•

Sistema conectado entre paneles para

evitar problemas por sombreados

Convertidores CC/CA: Otros Sistemas:

SolarMagic (National Semiconductors)

CC/CCCC/CC CC/CC



José Antonio Domínguez Vázquez Métodos de optimización

•

16V/4 A (64w) si se sombrea 16V/1 A (16w) ¡¡¡

Nos

limita la corriente de toda la serie!!!

•

Por lo tanto: conversión de 16v/1 A -> 4v/4 A para nolimitar al resto.

Convertidores CC/CA: Sistema

SolarMAgic

CC/CCCC/CC CC/CC CC/CCCC/CC CC/CC

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