1

Investigación sobre los Efectos en la red

Eléctrica de los SistemasFotovoltaicos

Interconectados

Raúl González GalarzaInstituto de Investigaciones Eléctricas

rgg@iie.org.mx

2

Principales temas de investigación relacionados con Sistemas Fotovoltaicos Interconectados:

Generador FV (celdas fotovoltaicas)

• Materiales, eficiencia, procesos de fabricación, etc

Balance del Sistema (BDS)

• Inversor, protecciones electricas, acoplamiento a la red, etc.

Efectos en la red Eléctrica

• Calidad de la energía, FP, fluctuaciones de voltaje, etc.

Generador FV

Cargas

Inversor CD-CA

Transformador

1 O , 3 O

kWh

Medición

Red Eléctrica 220/127 VCA

PCC

3

1.- “Compatibilidad” de la potencia de salida del SFVI con las características de la red

Calidad de la energíaFactor de PotenciaFluctuaciones de voltaje

2.- Protección y seguridad

Respuesta del SFVI a situaciones de falla Posibilidad de operación del SFVI en lacondición de “modo isla”.

Efectos: Retos y oportunidades de investigación

4

Experiencia y asimilación tecnológica del IIE

Año Localidad Objetivo Potencia pico kWP

Situación actual

1997 – 1999 Cuernavaca Investigación del sistema 1.7 Desmantelado

1999 – 2000 Mexicali Prueba de concepto: autogeneración domiciliaria 1.5 Desmantelado

2000 – 2006 Mexicali

4 sistemas para evaluar beneficios a la red y usuarios domiciliarios, y para probar diferentes tecnologías FV y de BDS

1.5 – 2 cada uno Desmantelado

2001 – 2006 Hermosillo Prueba de concepto: autogeneración domiciliaria 1.5 Desmantelado

2002 – 2005 Nuevo León

Prueba de concepto: autogeneración institucional 1 Desmantelado

2005 – a la fecha

Ciudad de México

Prueba piloto: autogeneración en términos comerciales

30.6 En operación

2007 – a la fecha

La Paz, BCS.

Prueba piloto: autogeneración domiciliaria 6.5 En operación

5

Calidad de la energíaFactor de PotenciaFluctuaciones de voltaje

Algunas investigaciones realizadas por el IIE en cuanto a efectos en la red eléctrica:

6

Monitoreo del transformador de distribución antes de la instalación de los SFVI.

Caso 1.- Sistemas fotovoltaicos interconectados a la red eléctrica en Mexicali, B.C.

DISTRIBUTIONTRANSFORMER

13.8kV/240V

L1

L2

N

P1,S1

P2,S2

VL1

VL2

TT

TA

H1 H2 H3 H4

Línea de distribución operada por CFE (bifásica, 3h, 220/127 V)Potencia instalada de 1.7 kWp por SFVITransformador de distribución de 75 kVA (Monofásico tres hilos)

7

Variables Medidas después de la instalación de los cuatro SFVI.

Caso 1.

TRANSFORMER

TT

PAC,SAC

H1

P1,S1

PV1

PPV1

TA

H2

P2,S2

PV2

H3

P3,S3

PV3

H4

P4,S4

PV4

PPV4

Common couplingpoint

Parámetro VeranoJulio

InviernoDiciembre

Factor de Potencia (pu)Mínimo 0.90 0.88

Promedio 0.92 0.94

Máximo 0.94 0.99

Temperatura Transformador(º C)

Mínimo 35 23

Máximo 50 34

Comportamiento del Transf. en verano e invierno, sin los SFVIs.

8

Mínimo factor de potencia y máxima irradiancia.

Caso 1.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0

PF

Ir

Month

Irra

dian

ce (W

/m2 )

PF (pu)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Month

Tem

pera

ture

(C)

PF (pu)

PF

TA

Mínimo factor de potencia y máxima temperatura.

A nivel mensual después de la instalación de los SFVI:

9

Caso 1

Figura 7. Temperatura promedio diaria durante el año

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Nov Dec0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Month

Tem

pera

ture

(C)

TA

TT

∆T

10

Valores Promedio (Marzo)

Caso 1

-100 0

100 200 300 400 500 600 700 800 900

1000 1100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Hour

Irra

dian

ce (W

/m2 )

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

Temperature (C

) & P. F. (%

)

PF Ir

TA

TT

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Hour

Act

ive

& r

eact

ive

pow

er (k

W -

kVA

R)

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

P. F. (%)

PAC

PF

PE

ℜ

Valores Promedio

(Abril)

11

Caso 1

Factor de potencia en función de la potencia activa inyectada por los SFVI.

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

PPV (W)

PF

Comportamiento del FP en el PCC

12

Caso 2

Primer Sistema Fotovoltaico Trifásico Interconectado a la red eléctrica en México; efectos preliminares.

Línea de distribución operada por L&FC (trifásica, 4h, 220/127 V)Potencia instalada 30.6 kWp

13

Caso 2

Potencia Activa en FA

Potencia Activa en FB

Potencia Activa en FC

Demanda en el inmueble: desbalance

14

Reducción de la demanda en la red por la generación FV

Caso 2

-5

0

5

10

15

20

25

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

H ora

Pote

ncia

Rea

l (kW

)

-30

-20

-10

0

10

20

30

Tem

pera

tura

Am

b. (°

C)

Demanda s in FV G eneración FV Demanda c on FV Temperatura Amb.

15

Comportamiento del FP en el PCC por la generación FV.

Caso 2

-10

-5

0

5

10

15

20

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

H o ra

Pote

ncia

Rea

l y R

eact

iva

(kW

, kVA

R)

-50

-25

0

25

50

75

100

Fact

or d

e Po

tenc

ia (%

)

Potencia Real PCC P otencia Reactiva PCC Factor de potencia

16

Comportamiento del FP en el PCC en razón de la generación FV

Caso 2

-40

-20

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100 120 140

Potencia Real FV Generada / Demanda de Potencia Real de la Carga (%)

Fact

or d

e Po

tenc

ia (%

)

17

Comportamiento del voltaje y la potencia reactiva en el PCC por la generación FV.

Caso 2.

0

2

4

6

8

10

12

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Hora

Pote

ncia

Rea

ctiv

a (k

VAR

)

118

120

122

124

126

128

130

Volta

je d

e fa

se (V

olts

)

VAR L1 VAR L2 VAR L3 VOLT L1 VOLT L2 VOLT L3

18

Caso 2Medición preliminar de Armónicas (Fase A):

Corriente de salida del SFVI

Voltaje en el PCC

Fecha 29.11.2006, 13:25

V

I

Fecha 29.11.2006, 13:25

V

I

Formas de onda de I y V en la fase A del SFVI

19

Caso 2

Espectro en frecuencia del SFVI en la corriente de salida de la fase A.

Frecuencia de

conmutación de

inversores 3º 5º 7º

THDI = 8.9 %

20

Armónicas de voltaje de la fase A.

5a armónica de voltaje FA

7a armónica de voltaje FA

3a armónica de voltaje FA 11a armónica de voltaje FA

9a armónica de voltaje FA

21

Conclusiones:

Los efectos en la red eléctrica asociados a la generación fotovoltaica es un campo relativamente nuevo en el ámbito nacional que requiere de importantes esfuerzos en I&D para responder a requerimientos específicos de calidad de la energía que CFE y CL&FC demandan.

En un escenario de implantación masiva de SFVI en el sistema eléctrico nacional, estos efectos representan importantes retos y oportunidades de I&D tanto para la comunidad científica, como para la industria eléctrica.

22

Gracias.....