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Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el DesarrolloPrograma Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo

Novedades tecnológicas en la conexión a la Red

de sistemas fotovoltaicos

Taller Internacional: ELECTRIFICACIÓN CON FUENTES RENOVABLES A GRAN ESCALA PARA LA

POBLACIÓN RURAL IBEROAMERICANA

Cochabamba, Bolivia 30 julio 2009

Estefanía Caamaño, Ricardo Orduz, Daniel Masa, Miguel A. Egido

Instituto de Energía Solar – Universidad Politécnica de Madrid


Situación actual de la tecnología de

inversores

Arquitectura de conexionado distribuida:

Módulos MPPT

Gestión de la demanda


Ejemplo, curva real de generador fv:

NS =18; NP = 1ISCG = 6,4 A

VOCG = 310,9 V

PMG = 1.371 W

Generador fotovoltaico

IV = 1371 W


Evolución de los inversores conectados a la red


Topologías de los inversores conectados a la red


Inversores string (≤5 kW)

Inversor central (5-1000 kW)

Ejemplos

Inversores módulo AC (240 W)


Arquitectura de conexionado distribuida

Ventajas

Mejor optimización de cada módulo

Aumenta la fiabilidad debido a la redundancia de equipos

Mejor monitorización, y por tanto mejor control

Posibilidad de mezclar módulos de diferentes tecnologías,

tamaños y potencias en un mismo sistema fotovoltaico

Inconvenientes

Temperatura de trabajo

Modulos AC: vigilancia de red

Coste del ciclo de vida del producto


Módulos MPPT

MPPT

MPPT

MPPT

MPPT

MPPT

MPPT

Sur

Este

MPPT

MPPT

MPPT

Oeste

Diferente tamaño

(potencia)

Inclinación y orientación Sombras o

suciedad

Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo

Caracterización módulos MPPT

2mc

m

V= ·M(D) ·C

I



Estudio de comportamiento

• Parámetros más influyentes:

– Limitación de operación a la máxima relación de

conversión de los convertidores.

– Voltaje impuesto por el inversor

– Característica I-V del módulo y funcionamiento de los

diodos de paso

Oii

i i CONV

1VIM(D) = · ·

I VMAX O

CONV

1 1 1( ) · · ·

max( )i

i

M D VVI

I

O MAX·( -1)· ( )V V n M D



MPP MPP

Sombreamiento progresivo: Influencia de lacaracterística I-V del módulo sobre la configuración yfuncionamiento de los diodos de paso.

• Desacoplamiento cero: Sombra > 60% de área cubierta sobrecualquier célula.

Estudio de comportamiento



Procedimiento de Ensayos

≈

VO1

SB 700

VINV = Cte

VO=VINV

Red

VM1

MPPTM 1

GIE 1

IM1=f(Vshunt)

MPPTM 2

IM2=f(Vshunt) GIE 2

MPPTM 3

GIE 3

MPPTM 4

GIE 4

VM2

VM3

VM4

VO4

VO3

VO2

N

O INV Oi

1i

V V V

IM1=f(Vshunt)

IM3=f(Vshunt)

IM4=f(Vshunt)

+

+

+

+

+

+

+

+

+



EnsayosMáxima potencia extraída por los convertidores con

módulos sombreados

PUNCTUAL SHADING OF FOUR CASCADE MPPT CONVERTERS : COMPARATIVE BETWEEN P-V CURVE OF PV GENERATOR AND INPUT POWER OF MPPT CONVERTERS

OUTPUT OF MPPT CONVERTERS

M 3 M 4Tc

(ºC) W/m2

D1 D2 D1 D2 D2 D1 V (V) I (A) P (W) V (V) I (A) P (W) V (V) M(D)v V (V) M(D)v V (V) M(D)v V (V) M(D)v

43 808 25% 64,9 2,90 191 63,4 3,28 208 9% 23,3 1,4 27,2 1,8 28,1 1,8 26,7 1,7

40 729 40% 54,1 3,10 167 65,2 2,84 185 11% 20,3 1,2 28,3 1,8 28,8 1,8 27,7 1,7

42 780 50% 54,4 3,30 175 63,7 2,99 190 9% 18,5 1,1 28,8 1,9 30,1 1,9 28,2 1,9

40 830 60% 54,0 3,50 190 64,0 3,12 200 5% 15,7 1,0 30,1 1,9 30,6 1,9 29,0 1,8

45 856 75% 52,4 3,60 187 53,9 3,58 193 3% 11,9 1,8 31,1 2,0 31,9 2,0 30,1 1,9

52 941 25% 45% 55,7 3,20 180 62,4 3,41 212 18% 26,2 1,6 21,1 1,3 29,4 2,0 28,1 1,9

61 873 35% 45% 64,6 2,30 150 60,8 3,03 184 23% 24,3 1,5 21,2 1,3 30,3 2,1 29,0 2,0

56 834 40% 50% 42,1 3,40 143 63,4 2,80 177 24% 23,3 1,4 20,4 1,2 31,6 2,1 29,7 2,0

47 903 50% 70% 43,0 3,80 163 55,2 3,24 179 10% 22,6 1,3 13,8 1,9 35,3 2,3 33,4 2,2

49 945 70% 70% 42,8 3,80 165 44,8 3,85 172 5% 14,9 2,1 15,3 2,2 38,6 2,5 36,4 2,4

42 905 25% 100% 58,1 3,10 182 55,7 3,67 204 12% 10,9 1,4 31,6 2,0 32,3 2,0 30,3 1,9

59 816 40% 100% 40,8 3,40 137 50,9 3,24 165 21% 9,3 1,3 31,9 2,2 32,9 2,2 31,3 2,1

49 891 50% 100% 43,3 3,80 162 54,1 3,49 189 16% 7,9 1,1 32,6 2,1 31,8 2,0 31,3 2,0

44 828 75% 100% 44,4 3,50 153 49,6 3,45 171 12% 1,4 0,6 34,5 2,2 35,7 2,2 33,6 2,1

48 899 35% 100% 100% 35% 48,3 2,70 132 46,5 3,34 156 18% 12,7 1,8 13,6 1,8 40,2 2,5 38,6 2,5

41 943 40% 100% 100% 30% 50,3 2,60 131 47,7 3,51 167 28% 11,9 1,5 14,2 1,9 40,6 2,4 38,2 2,4

61 889 100% 50% 60% 100% 25,2 3,50 89 46,9 2,46 115 30% 12,2 1,7 10,2 1,4 41,4 2,5 41,4 2,6

48 961 30% 35% 20% 25% 67,0 2,90 193 66,7 3,18 212 10% 24,8 1,5 25,0 1,5 29,4 1,8 26,2 1,6

52 897 40% 25% 40% 50% 68,4 2,10 142 66,4 2,56 170 20% 25,4 1,6 31,0 1,9 26,9 1,6 22,1 1,3

MPPT 4M 2 I-V CURVE MPPT 1 MPPT 2 MPPT 3

INPUT SYSTEMCONDITIONS

M 1

PUNCTUAL SHADING IN PV MODULES

MPPT CONVERTERS

Fm



Simulación energética de convertidores MPPT e inversores convencionales en un

sistema fotovoltaico real: La Pérgola Fotovoltaica del Palacio de la Moncloa

CAMPO A CAMPO B CAMPO A CAMPO B

Ene 1188 1201 986 1025

Feb 1442 1460 1234 1244

Mar 2417 2463 2114 2180

Abr 2956 3019 2636 2630

May 3393 3471 2997 3065

Jun 3721 3825 3222 3273

Jul 3906 4023 3358 3406

Ago 3448 3546 2929 2993

Sep 2733 2800 2300 2248

Oct 1971 2006 1637 1602

Nov 1172 1186 990 995

Dic 986 996 818 845

TOTAL 29334 29996 25221 25506

Fm 16% 18%

MPPT

Energía Anual generador FV (kWh)Inversor

Comparativa de la energía anual producida por el

generador fotovoltaico en la pérgola de la Moncloa

usando convertidores MPPT y un Inversor convencional

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Energ

ía [

MW

h ]

Convertidores MPPT - PLANTA A Convertidores MPPT - PLANTA B

GENERADOR FV - PLANT A GENERADOR FV - PLANT B

12,6

º

7,6º 2,6º

+56

º

-124º

-124º+56

ºSUR (0º) ESTE (-90º)


Productos comerciales


SISTEMAS FOTOVOLTAICOS HÍBRIDOS PARA LA GESTIÓN DE LA

DEMANDA ELÉCTRICA

• Sistemas FV híbridos: Conexión a red + Acumulación (+ Generador auxiliar)

• Gestión de cargas eléctricas (electrodomésticos, climatización,…)

GESTIÓN ACTIVA DE LA DEMANDA CON TECNOLOGÍAS RENOVABLES


• MODO DE FUNCIONAMIENTO CONECTADO A RED

– Fotovoltaica atiende (suministra potencia) a:

1º Consumos, Baterías, 2º Red

– Carga de baterías de fotovoltaica o red

– Producción fotovoltaica óptima (seguimiento

PmP)

• MODO DE FUNCIONAMIENTO AISLADO

PL

PBAT

PFV

– Conmutación del contactor de red muy rápida:

~ 30 ms

– Inversor de baterías controla la microrred

(fuente de tensión, control de los inversores

fotovoltaicos mediante la frecuencia)

– Posibilidad de definir líneas de consumo

prioritarias

PL

PBAT

PFV

PRED


EJEMPLO: magic BOX (IES-ETSIT, UPM)



Estación

meteorológica


Data-logger

Inversores,

Contactores,

Baterías

Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el DesarrolloData-logger(Sunny Web Box)

Sunny Boy

1700 W

Rama 2

β = 12,5º

1650 Wp

Rama 1

β = 12,5º

1650 Wp

Rama 3

β = 25º

1540 Wp

Rama 5

β = 39º

880 Wp

Rama 6

β = 90º

900 Wp

Rama 4

β = 25º

1540 Wp

Sunny Boy

1700 W

Sunny Boy

1700 W

Sunny Boy

1700 W

Sunny Boy

1100 W

Sunny Boy

700 W

Estación

Meteorológica

Bus AC(AS box)

48 VDC

1500 Ah

Sunny Back-up

5000 W

Generadores fv: 7 kWp

Inversores “string”: 7.7 kW

Inversor de batería: 5 kW

Acumulación útil: 43 kWh


Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el DesarrolloElectrodomésticos

“controlables”


• DÍA 1: Conexión a red convencional, Sin uso de baterías, Consumos “día

solar”

PL

PBAT=0

PFV

PRED

-6

-4

-2

0

2

4

6

00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:01 22:01 23:01

Hora

Po

ten

cia

(k

W)

Fotovoltaica

Baterías

Red

Consumos

F otovoltaica Baterías C onsumos R ed

35 0 10 -25

kWh kWh kWh kWh

Consumo en horas de generación fotovoltaica

Optimizado el uso de la energía solar

Fotovoltaica > Consumos Exportación neta a la

red


• DÍA 2: Descarga de baterías (1 kW neto) durante 8 h, Consumos tarde-noche

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:01 22:01 23:01

Hora

Po

ten

cia

(k

W)

Fotovoltaica

Baterías

Red

Consumos

Fotovoltaica Baterías C onsumos R ed

34 12 13 -33

kWh kWh kWh kWh

Consumos en periodo de poca-nula generación No

optimizado el uso de la energía solar

Descarga de batería de larga duración: permite compensar la

demanda de consumos no gestionados

PL

PBAT

PFV

PRED


• DÍA 3: Descarga de baterías (1kW neto) durante 1,5 h., Consumos diurnos

Fotovoltaica Baterías C onsumos R ed

27 -14 13 0

kWh kWh kWh kWh

Consumos en periodos de generación Optimizado el uso de

la energía solar

Descarga de batería de corta duración: permite compensar la

variabilidad de la radiación solar en el suministro a las cargas

(Gestión Activa de la Demanda)

-6

-4

-2

0

2

4

6

00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:01 22:01 23:01

Hora

Po

ten

cia

(k

W)

Fotovoltaica

Baterías

Red

Consumos

PL

PBAT

PFV

PRED

-6

-4

-2

0

2

4

6

16:00 16:15 16:30 16:45 17:00 17:15 17:30 17:45 18:00


Conclusiones

La mejora en la eficiencia de los inversores ha llegado prácticamente al

máximo. El interés ahora está en nuevas topologías que minimicen las

pèrdidas

La arquitectura de conexionado distribuida permite más grados de

libertad al diseñador de sistemas fotovoltaicos, en especial, en la

integración en edificios

La inclusión de almacenamiento en los sistemas conectados a la red

permite gestionar la procedencia de la electricidad para el suministro de la

demanda

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