sistema fotovoltaico de conexión a red: conceptos generales

SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

DE CONEXIÓN A REDCONCEPTOS GENERALES

OSCAR PERPIÑÁN LAMIGUEIRO

ÍNDICE

1 CONCEPTOS GENERALES

2 INVERSOR DE CR

CONCEPTOS GENERALESINVERSOR DE CR

DEFINICIÓN DE UN SFCR

Un Sistema Fotovoltaico Conectado a la Red (SFCR) es unsistema cuya función es producir energía eléctrica encondiciones adecuadas para poder ser inyectada en la redconvencional.

Ge f , Ta

Generador FV

Pdc

=

∼Inversor

Pac

b

Protecciones

Red

OSCAR PERPIÑÁN LAMIGUEIRO SFCR: CONCEPTOS GENERALES


MECANISMOS DE RETRIBUCIÓN

La energía producida por este sistema será consumida parcial ototalmente en las cercanías, y la energía sobrante será inyectadaen la red para su distribución a otros puntos de consumo.

MECANISMOS DE RETRIBUCIÓN

Prima (Feed-in tariff)Balance neto (Net-metering)



RETRIBUCIÓN CON PRIMA

Ingresos por la energía total producida(independientemente de la que haya sido consumida enlas cercanías del SFCR).El diseño no necesita considerar un consumo a satisfacer.Objetivo: producción anual del sistema sea la máximaposible sin tomar en consideración los consumos cercanos.



BALANCE NETO

Compensa los saldos de energía eléctrica entre el SFCR yun sistema de consumo asociado.Cuando la producción del SFCR supera al consumo, la redeléctrica absorbe el excedente puntual, generándosederechos de consumo diferido.Estos derechos de consumo se pueden ejercer cuando laproducción del SFCR no es suficiente para satisfacer elconsumo asociado.El diseño debe incluir el consumo asociado como unavariable adicional que condicionará el tamaño delgenerador fotovoltaico.



NORMATIVA APLICABLE EN ESPAÑA

RD. 1578/2008 / RD 661/2007 /RD 436/2004:Marcan primas por la venta de la energía producidaProcedimiento administrativo de legalizaciónDos tipos de SFCR (Edificios y Terreno) con variedad deprimas.Sistema de cupos.

RD. 1565/2010Modifica al 1578/2008 y 661/2007.Reduce primas.




RD. 1699/2011Establece las condiciones administrativas, contractuales,económicas y técnicas básicas para la conexión a las redesde distribución de energía eléctrica de las instalacionesfotovoltaicas (además de otras tecnologías) de potencia nosuperior a 100 kW.Describe los requisitos técnicos de conexión a red que unSFCR debe cumplir, dedicando especial atención a lossistemas de seguridad eléctrica.Simplifica las tramitaciones para la conexión de pequeñasinstalaciones de generación eléctrica.Posibilidad de conexión en la red interior de unconsumidor.Fija el contrato-tipo que debe ser firmado por el usuario delSFCR y la compañía eléctrica a la que se conecta el sistema.Deroga el RD. 1663/2000 y modifica algunos aspectos delRD. 1578/2008.




Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (no hay uncapítulo específico)Documento HE5 del Codigo Técnico de la Edificación



CARACTERÍSTICAS DISTINTIVAS SOBRE SUELO Y EN

EDIFICACIÓN

Sobre suelo

Sistemas estáticos, con una inclinación y orientación fijaSistemas de seguimiento, que varían la posición delgenerador a lo largo del día y año para maximizar laradiación efectiva incidente

Sobre edificación, según el grado de integración

GeneralSuperposición de módulos: colocación paralela a laenvolvente del edificioIntegración arquitectónica: doble función energética yarquitectónica; sustituyen elementos constructivosconvencionales o son elementos constituyentes de lacomposición arquitectónica



SFCR SOBRE SUELO

Objetivo: maximizar la producción energética anual delsistema con el menor coste y la menor ocupación deterreno posiblesEl diseñador debe decidir el tamaño del generadorteniendo en cuenta:

Inversión económica (relacionada principalmente con lapotencia del generador)Rendimiento económico deseado (relacionado con laenergía producida por el sistema y, por tanto, con el modode seguimiento empleado)Ocupación de terreno (relacionado con el modo deseguimiento empleado).


ESTRUCTURAS SOBRE SUELO


SFCR SOBRE SUELO: SEGUIMIENTO

Fundamento:

Radiación incidente aumenta al seguir al solPérdidas por reflexión disminuyen si el apuntamiento al solmejora

Las diferentes técnicas de seguimiento son un compromisoentre un apuntamiento perfecto y sistemas estructuralesmás económicos y mejores aprovechamientos del terreno.



SFCR SOBRE SUELO: SEGUIMIENTO

Doble eje

Apuntamiento “perfecto”Mejor productividad, peor ocupación de terreno.

Seguimento acimutal

Sacrifica un movimiento (inclinación del generador) paraconseguir sistemas más económicos.

Seguimiento horizontal con eje Norte-Sur

Sencillez y estabilidad estructural (el eje es horizontal yparalelo al terreno, con tantos puntos de apoyo como seconsideren necesarios),Facilidad de motorización,Buen aprovechamiento del terreno.


SEGUIDOR DE EJE HORIZONTAL N-S

SEGUIDOR DE DOBLE EJE


SFCR EN EDIFICACIÓN

La integración del sistema fotovoltaico con el edificio exigetener en cuenta muchos factores que condicionan la ubicación yla configuración del generador.El diseñador debe tomar las decisiones oportunas paraaprovechar las sinergias entre edificio y sistema fotovoltaico,reduciendo las posibles interferencias entre uno y otro.

http://www.pvdatabase.org/


http://www.pvdatabase.org/


INTEGRACIÓN ARQUITECTÓNICA


SFCR EN EDIFICACIÓN: CTE

Tipo de uso A B Limite Unidad

Hipermercado 0,001875 -3,13 5000 Superficie(m2)

Multitienda y centrosde Ocio

0,004688 -7,81 3000 Superficie(m2)

Nave dealmacenamiento

0,001406 -7,81 10000 Superficie(m2)

Administrativo 0,001223 1,36 4000 Superficie(m2)

Hoteles y hostales 0,003516 -7,81 100 Plazas

Hospitales y clínicasprivadas

0,000740 3,29 100 Camas

Pabellones derecintos feriales

0,001406 -7,81 10000 Superficie(m2)



ZONAS CLIMÁTICAS

Este documento divide España en cinco zonas climáticas deacuerdo al valor medio anual de la radiación global diaria en elplano horizontal.Por ejemplo, toda la cornisa cantábrica está encuadrada en lazona I (radiación inferior a 3,8 kW h

m2 ) mientras que Canarias yparte de Andalucía pertenecen a la zona V (radiación superiora 5 kW h

m2 ) .Este Código aboga por instalar mayor potencia en las zonas conmayor radiación.




POTENCIA A INSTALAR

Pmin = C · (A · S + B)

Esta potencia mínima debe ser superior a 6,25 kWp



SFCR EN EDIFICACIÓN

SISTEMAS ELÉCTRICOS

En este tipo de SFCR el diseño de los sistemas eléctricos debetener en cuenta las canalizaciones previstas o existentes en eledificio. Por facilidad de instalación y mantenimiento, y porseguridad de los sistemas, es recomendable el uso decanalizaciones separadas del resto de sistemas del edificio.Sin embargo, los criterios de seguridad eléctrica aconsejanutilizar una red de tierras común para el edificio y el sistemafotovoltaico.



CONDICIONES TÉCNICAS DE LA CONEXIÓN

El propietario de un generador fotovoltaico puede vendera una compañia eléctrica toda la energía que produce susistema, no sólo la que le “sobra” (diferencia entre laproducción de su sistema y el consumo de, por ejemplo, sudomicilio).La reglamentación eléctrica española establece laseparación administrativa entre la comercialización y ladistribución de la energía (así, la empresa que nos vendeenergía eléctrica en nuestro hogar es distinta a la quecompra la energía que produce el sistema que podamostener en nuestro tejado).




Por tanto, al menos administrativamente, la generaciónfotovoltaica y el consumo “cercano” son dos elementosindependientes.No obstante, es claro que la corriente eléctrica no entiendede leyes ni contratos, sino que fluye según las leyes deKirchhoff.Así, la energía producida por un SFCR será consumidaparcial o totalmente en el propio edificio (generacióndistribuida).




La separación existente entre empresa comercializadora yempresa distribuidora se refleja en la separación decontratos y facturas, y por tanto, también de elementos ypuntos de medida.Es decir, no pueden utilizarse las lecturas de doscontadores distintos (uno de venta y otro de compra) paracomponer una única factura.Este hecho, unido a la necesidad legal de conectar elsistema fotovoltaico en un punto propiedad de lacompañía eléctrica (por tanto, externo a las instalacioneseléctricas propias del domicilio, empresa, etc) tiene comoconsecuencia que en ciertos casos la legalización de unsistema fotovoltaico sea extremadamente complicada.




Titulares con contrato de suministro en Media Tensióncon instalaciones fotovoltaicas de potencia menor a 100kW.

A pesar de que la potencia fotovoltaica es menor que elvalor que obliga a la conexión en MT, la otra obligación deconexión en punto propiedad de la compañía eléctricaimplica el uso de un transformador BT-MT distinto alusado para consumo.Sin embargo, esta solución conlleva pérdidas energéticas eincremento de inversión de la instalación que la puedenhacer inviable.La posibilidad de inyectar “aguas abajo” del transformadorde consumo y hacer los balances necesarios en las facturasde venta y consumo, utilizando las medidas de losrespectivos contadores es posible bajo el RD 1699/2011.




Titulares en edificios de varias viviendas.

De nuevo, la necesidad de realizar la conexión “aguasarriba” al contador de consumo, implica en este caso lainstalación de cableado bajante desde la vivienda encuestión hasta la sala de protecciones del edificio.Esta solución no es siempre fácil ni técnicamente (nosiempre existe espacio o canalizaciones disponibles en labajante del edificio) ni administrativamente (es necesario elpermiso de la comunidad de vecinos).


ÍNDICE

1 CONCEPTOS GENERALES

2 INVERSOR DE CR


CONCEPTOS GENERALES

La potencia suministrada por un generador fotovoltaicoiluminado es de tensión continua, que debe ser adecuadamenteacondicionada para permitir el funcionamiento correcto de lascargas conectadas en un sistema autónomo o el acoplamiento ala red eléctrica en el caso de sistemas de conexión a red.



CONCEPTOS GENERALES

El equipo de acondicionamiento de potencia, denominadoinversor DC/AC, realiza la conversión de continua aalterna cumpliendo con determinados requisitos detensión eficaz, frecuencia, distorsión armónica de las ondasde tensión y corriente, rendimiento instantáneo y medio,seguridad eléctrica, etc.Funciona como fuente de corriente autoconmutada ysincronizada con la red.



TIPOS DE INVERSORES

A grandes rasgos, los inversores pueden agruparse en trescategorías:

Inversor central: un único inversor dedicado a todo elgenerador (o a un conjunto de ramas)Inversor orientado a rama (string-inverter): un inversordedicado a una rama del generador.“Módulo-AC”: un inversor dedicado a un módulo delgenerador.



TIPOS DE INVERSORES

Los inversores orientados a rama son particularmenteútiles en algunos sistemas de integración arquitectónica, alpoder adaptarse mejor a las condiciones defuncionamiento con orientaciones e inclinaciones diversas.Los inversores “módulo-AC” deben descartarse encualquier caso (salvo pequeños sistemas demostrativos).



TIPOS DE INVERSORES

Los inversores centrales son recomendables parainstalaciones de medio o gran tamaño. Permiten reducircostes (de adquisición, instalación y mantenimiento) yaumentar fiabilidad y eficiencia.La potencia del inversor debe estar en consonancia con lapotencia del generador (una planta de 1 MWp debieracontar con 10 inversores de 100 kW o 4 de 250 kW, pero nocon 200 de 5 kW).



CARACTERÍSTICAS DE UN INVERSOR COMERCIAL

Potencia nominal y máxima, siendo ésta un porcentaje desobrecarga que el equipo es capaz de soportar durante undeterminado período de tiempo (indicado por elfabricante).Ventana de búsqueda del Punto de Máxima Potencia(MPP en siglas inglesas): es el rango de tensiones en lasque el inversor aplica un algoritmo de búsqueda del MPPdel generador fotovoltaico.




Tensión máxima de entrada: es la máxima tensión que elinversor puede aguantar sin sufrir una avería.Tensión nominal de salida: es la tensión de red a la que sepuede conectar el inversor (habitualmente 230 Vac paraequipos monofásicos y 400 Vac para equipos trifásicos).Umbral de arranque: según las unidades en las que seexpresa, puede indicar la radiación solar incidente en elgenerador ( W

m2 ) o la potencia de entrada (W) necesaria paraque el inversor comience el proceso de conversión.




Eficiencia máxima: máximo valor que toma la relaciónentre potencia de salida y potencia de entrada. Eninversores de calidad la eficiencia es estable en un ampliorango de funcionamiento del equipo y de un valor cercanoa la eficiencia máxima.Rendimiento europeo: es la relación entre la energíaentregada por un inversor que recibe una energíaproducida por un generador fotovoltaico funcionando enunas condiciones de radiación características de la zonacentroeuropea.


COMPOSICIÓN

VPV

+

CPV

LB

SB

DB

CDC

Convertidor DC/DC (Boost)

S1

S2

S3

S4

Linv

Tinv

Inversor DC/AC

Vred

Filtro de entrada: atenúa el rizado que produce laconmutación en la corriente de entradaConvertidor DC/DC: adecúa (eleva o reduce) la tensión desalida del generador a la tensión necesaria para el puentede conmutación. Puede realizar las funciones de búsquedadel punto de máxima potencia.

COMPOSICIÓN

VPV

+

CPV

LB

SB

DB

CDC


S1

S2

S3

S4

Linv

Tinv

Inversor DC/AC

Vred

Puente inversor: realiza el troceado de la señal continuapara convertirla en alternaFiltro de salida: elimina o atenúa los armónicos nodeseadosTransformador: adecua el valor de tensión de salida delpuente al de la red y proporciona aislamiento galvánicoentre la parte DC y AC.

COMPOSICIÓN

VPV

+

CPV

LB

SB

DB

CDC


S1

S2

S3

S4

Linv

Tinv

Inversor DC/AC

Vred

Control: realiza la supervisión de la entrada y salida delconvertidor DC/DC y del puente inversor y entrega lasconsignas correspondientes para localizar y seguir el MPPdel generador, y para obtener una señal sinusoidal conbajo contenido en armónicos en la salida del inversor.

FUNCIONAMIENTO: MODULACIÓN SPWM


BUSQUEDA DEL PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA

Tensión de célula (V)

0

1

2

3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Isc

Impp

VocVmpp

MPPPotencia (W)Corriente (A)

dPdV > 0 0 < V < VmppdPdV = 0 V = VmppdPdV < 0 Vmpp < V < Voc



BUSQUEDA DEL PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA

Tensión de célula (V)

0

1

2

3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Isc

Impp

VocVmpp

MPPPotencia (W)Corriente (A)

dIdV > − I

V 0 < V < VmppdIdV = − I

V V = VmppdIdV < − I

V Vmpp < V < Voc


USO DEL TRANSFORMADOR

VPV

+

CPV

LB

SB

DB

CDC


S1

S2

S3

S4

Linv

Tinv

Inversor DC/AC

Vred

El transformador permite adecuar el nivel de tensión desalida del puente de conmutación a la tensión de red.La componente inductiva del transformador es parte delfiltro de salida y sirve como acoplamiento entre la redeléctrica y la salida del inversor.Establece el aislamiento galvánico entre la entrada delinversor (DC) y la salida (AC).



OPCIONES COMERCIALES

Existen tres opciones en el mercado de inversores de conexión ared:

Inversores con transformador de salida en baja frecuenciaInversores sin transformadorInversores con transformador de alta frecuencia




NORMATIVA

La normativa vigente en España obliga al uso de untransformador de aislamiento o elemento equivalente paracumplir tres objetivos:

1 Aislar la instalación generadora para evitar la transferenciade defectos entre la red y la instalación

2 Proporcionar seguridad personal3 Evitar la inyección de corriente continua en la red.




NOTA DE INTERPRETACIÓN TECNICA

Objetivos 1 y 2 se consiguen mediante la adecuadaconexión de masas y tierras en el sistema.Objetivo 3: “la corriente continua inyectada en la red dedistribución por una instalación generadora no serásuperior al 0,5 % de la corriente nominal de la misma”,cumplido “cuando se disponga en la instalación de untransformador separador entre el inversor y el punto deconexión de la red de distribución”. Los inversores contransformador de alta frecuencia o sin transformador debendemostrar el cumplimiento de este requisito mediante un ensayodescrito en esta nota.



’ISLANDING’

Generador FV

=

∼Inversor

b b

PPVQPV

b

bPcargaQcarga

Carga

b b

Red

∆P−

∆Q−

Ge f , Ta



’ISLANDING’

Antes de la desconexión:

∆P = Pcarga − PPV

∆Q = Qcarga −QPV ' Qcarga

siendo:

Pcarga =V2

Rcarga

Qcarga =V2

ωL−V2ωC



’ISLANDING’

∆P− > 0→ Pcarga > PPV. Al producirse la desconexión,dado que PPV no cambia, disminuye la potencia entregadaa la carga, y por tanto baja la tensión.∆P− < 0→ Pcarga < PPV. Al producirse la desconexión,aumenta la potencia entregada a la carga, y por tanto subela tensión.∆Q− > 0→ Qcarga > 0. La carga es inductiva. Alproducirse la desconexión, dado que el generador FV noentrega reactiva, la reactiva debe tender a 0, y por tantoaumenta la frecuencia.∆Q− < 0→ Qcarga < 0. La carga es capacitiva. La reactivadebe tender a cero, y por tanto disminuye la frecuencia.



’ISLANDING’

Cuando las condiciones de trabajo del generador y el consumoantes de la desconexión son muy cercanas, existe una ventanade no-detección.

∆P

∆Q

UV

OF

OV

UF



’ISLANDING’

ESTUDIO EXPERIMENTAL IEA-PVPSLa probabilidad de que se de una situación de balanceentre consumo y generación en una red de Baja Tensiónestá entre 1× 10−5 y 1× 10−6.Para que se de una situación de isla, este balance debecoincidir con una desconexión de la red: la probabilidad deocurrencia simultánea de estos dos sucesos es virtualmentenula.



’ISLANDING’

ESTUDIO EXPERIMENTAL IEA-PVPSEl riesgo eléctrico existente en cualquier red eléctrica es delorden de 1× 10−6.Este estudio mostró que el riesgo de accidente eléctricoasociado a un sistema fotovoltaico funcionando en islabajo los escenarios de mayor penetración fotovoltaica erainferior a 1× 10−9.Este resultado indica que el riesgo asociado al accidenteeléctrico por “isla FV” no incrementa el riesgo que yaexiste en las instalaciones eléctricas.


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