1
Investigación sobre los Efectos en la red
Eléctrica de los SistemasFotovoltaicos
Interconectados
Raúl González GalarzaInstituto de Investigaciones Eléctricas
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.