sistemas de gen solar - cpc2015 - p2_2
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Generación de Electricidad mediante Energía Solar
Parte 2. Sistemas Solares Fotovoltaicos.
Curso Plan Complementario 2015
Dr. Miguel López G.Escuela de Ingeniería EléctricaPontificia Universidad Católica de Valparaíso
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Sistemas de Generación Eléctrica mediante Energías Renovables No Convencionales
2Dr. Miguel López G. EIE-PUCV
Sistemas Fotovoltaicos• Tipos
– Sistemas Fotovoltaicos Autónomos o Aislados (Stand-alone PV Systems)
– Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red (Grid-Connected PV Systems)
– Sistemas Híbridos (HybridSystems)
• PV – Diesel, PV – Wind, PV – Wind – Diesel, etc.
http://www.solarchoice.net/http://www.electricityforum.com/
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Sistemas de Generación Eléctrica mediante Energías Renovables No Convencionales 3
Dr. Miguel López G. EIE-PUCV
Sistemas PV Autónomos(Stand-alone PV Systems)
• Principales aplicaciones:– Carga de Baterías– Bombeo de agua
• Componentes principales• Arreglo PV• Almacenamiento típico:
Baterías.• Controlador de Carga • Inversor
http://www.solarchoice.net/
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Dr. Miguel López G. EIE-PUCV
Sistemas de Generación Eléctrica mediante Energías Renovables No
Convencionales
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Sistemas PV AutónomosCaracterísticas de la Batería
• Descarga profunda (70-80%)• Bajas corrientes de carga/descarga• Largos tiempos de carga y descarga• Carga y descarga variable e irregular• Baja descarga propia• Larga vida útil• Requerimientos de mantención
bajos• Alta eficiencia de almacenamiento• Bajo costo http://jgdarden.com/
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Sistemas de Generación Eléctrica mediante Energías Renovables No Convencionales 5
Dr. Miguel López G. EIE-PUCV
Sistemas PV AutónomosTipos de Controladores de carga
• Serie, Shunt– Serie: Desconexión del arreglo PV a V pre-definido (nivel alto)– Shunt: Cortocircuito del arreglo PV + Diodo Bloqueo – Desconexión de la carga a V pre-definido (nivel bajo)– Problemas con las pérdidas en los interruptores.– Muy simples, pero el ajuste de corriente es muy amplio y rara
vez se cumplen los requisitos del sistema PV (lazo abierto)
• Convertidores DC/DC– Topologías: Buck, Boost y Buck Boost.
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Sistemas de Generación Eléctrica mediante Energías Renovables No Convencionales
6Dr. Miguel López G. EIE-PUCV
Sistemas PV AutónomosConvertidores DC/DC. MPPT
• Seguimiento del Punto de Máxima Potencia (MaximalPower Point Tracking, MPPT)– Característica IV no lineal celda
PV: hay un punto de trabajo óptimo, donde la potencia extraída es máxima (MPP)
– El MPP depende de las condiciones ambientales: se necesita un sistema de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) para seguir los cambios
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Sistemas de Generación Eléctrica mediante Energías Renovables No Convencionales 7
Dr. Miguel López G. EIE-PUCV
Sistemas PV AutónomosControl del MPPT
http://bama.ua.edu/~bwbuckley/projects/mppt.html
• Seguimiento del Punto de Máxima Potencia (MPPT)– Métodos de Control Análogo, Digital– Control Retroalimentado de Tensión, o de Potencia
• Métodos más conocidos– Perturbar y Observar (P&O, PAO)– Técnica de Conductancia
Incremental (ICT)– De Referencia Constante
• Basado en Corriente (CB-MPPT)• Basado en Tensión (VB-MPPT)
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Sistemas de Generación Eléctrica mediante Energías Renovables No Convencionales 8
Dr. Miguel López G. EIE-PUCV
Sistemas PV AutónomosInversores. Características deseadas
• Salida de Tensión Sinusoidal• Cumplimiento de la norma en Tensión y en Frecuencia • Capacidad de soportar grandes variaciones Vin• Regulación de Vout• Alta eficiencia (en particular para cargas livianas)• Baja Generación de Armónicos• Operación a factor de potencia alto• Capacidad de sobrecarga por tiempos cortos (Partida de motores
de bombas, refrigeradores,…)• Capacidad de transitorios (surge)• Desconexión a baja tensión de batería • Bajo ruido en frecuencia (RF y audio)
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Sistemas de Generación Eléctrica mediante Energías Renovables No Convencionales
9Dr. Miguel López G. EIE-PUCV
Sistemas PV AutónomosInversores
• Semiconductores: – MOSFET (hasta 100 V, 5 kVA) – IGBT para mayores potencias
• Modulación: Cuadrada o PWM• Topologías:
– Monofásicas: Puente (medio y completo) con aislamiento– Puente Trifásico
• Bi-direccionalidad (Sistemas PV-Diesel)
– Carga-descarga Batería.
Fuente: Rashid, Power Electronics Handbook (3rd Ed.), p.731
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Sistemas de Generación Eléctrica mediante Energías Renovables No Convencionales 10
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• Clasificación– Residencial – Sistema PV a gran escala
(tipo Central Generadora)
• Concepto de utilización residencial– Aprovechamiento de la
disponibilidad de la red
http://www.solarchoice.net.au/blog/home-energy-consumption-versus-solar-pv-generation/
Conexión a la RedGrid-connected
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Sistemas de Generación Eléctrica mediante Energías Renovables No Convencionales 11
Dr. Miguel López G. EIE-PUCV
Conexión a la RedInversores
• Clasificación por tipo de topología: – VSI (preferido), CSI (raramente utilizado)
• Tipo de control: VC, CC
Fuente: Rashid, Power Electronics Handbook (3rd Ed.), p.741
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Sistemas de Generación Eléctrica mediante Energías Renovables No Convencionales 12
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Conexión a la RedTipos de Inversores
• Conmutado por línea (Line switched). Basado en Tiristores. – Menor costo, a menor calidad de suministro de potencia:
• Necesita de filtros sintonizados y compensación de reactivos, Bajo factor de potencia, – No se pueden utilizar si la red es débil
• Auto-Conmutado (Self-switched). VSI + Transformador LF. – Largamente más utilizado para aplicaciones trifásicas.
• Con Transformador HF. – Se prefiere cuando el Transformador LF se hace muy pesado y costoso.
Preferido para < 3kW
• Numerosas otras Topologías: Basados en el Puente completo: H5, HERIC, REFU, VSI sin aislación (Boost),…, Multinivel (NPC), CSI sin aislación, Convertidor Buck con link medio puente con Transformador, Convertidor Flyback, …
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Sistemas de Generación Eléctrica mediante Energías Renovables No Convencionales
13Dr. Miguel López G. EIE-PUCV
Conexión a la RedControl de la Potencia
• Control del inversor VSI– Basado en Tensión (VC)
• Sincronismo con la Red. El ángulo de desfase (δ) entre V y E controla la potencia activa
– Un leve error de desfase implica una sobrecarga del inversor. Potencial falla del sistema
• Respuesta dinámica más lenta– Basado en Corriente (CC)
• No requiere de inductor de desacople• Control de P y Q desacoplado• Necesita de más hardware y control para mantener V de la carga
– Prevención de la operación en isla (islanding)
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Sistemas de Generación Eléctrica mediante Energías Renovables No Convencionales 14
Dr. Miguel López G. EIE-PUCV
Conexión a la RedConfiguraciones Sistemas PV
Fuente: Rashid, Power Electronics Handbook (3rd Ed.), p.748
• Inversor Central– Con convertidor
DC/DC (MPPT) único
– Múltiples líneas con convertidor DC/DC (MPPT)
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Sistemas de Generación Eléctrica mediante Energías Renovables No Convencionales
15Dr. Miguel López G. EIE-PUCV
Conexión a la RedConfiguraciones Sistemas PV
Fuente: Rashid, Power Electronics Handbook (3rd Ed.), pp. 748-749
• Inversores múltiples– Para cada línea (Multiple String Inverter)– Inversor modular (Modular Integrated Inverter)