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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

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




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 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.



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



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)

http://bama.ua.edu/~bwbuckley/projects/mppt.html



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)



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



• 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

http://www.solarchoice.net.au/blog/home



Conexión a la RedInversores

• Clasificación por tipo de topología: – VSI (preferido), CSI (raramente utilizado)

• Tipo de control: VC, CC




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, …



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)



Conexión a la RedConfiguraciones Sistemas PV


• Inversor Central– Con convertidor

DC/DC (MPPT) único

– Múltiples líneas con convertidor DC/DC (MPPT)



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)