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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
Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el DesarrolloPrograma Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo
Situación actual de la tecnología de
inversores
Arquitectura de conexionado distribuida:
Módulos MPPT
Gestión de la demanda
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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
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Evolución de los inversores conectados a la red
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Topologías de los inversores conectados a la red
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Inversores string (≤5 kW)
Inversor central (5-1000 kW)
Ejemplos
Inversores módulo AC (240 W)
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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
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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
Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo
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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
Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo
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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
Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo
Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo
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)
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo
Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo
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
Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo
Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo
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)
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Productos comerciales
Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo
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
Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo
• 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
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EJEMPLO: magic BOX (IES-ETSIT, UPM)
Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo
Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo
Estación
meteorológica
Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el DesarrolloPrograma Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo
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 Desarrollo
Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el DesarrolloElectrodomésticos
“controlables”
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• 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
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• 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
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• 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
Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el DesarrolloPrograma Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo
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