El propósito de un inversor es transformar una tensión de forma de onda de CC en una señal de CA para inyectar energía en una carga (por ejemplo, la red eléctrica) a una frecuencia determinada y con un pequeño ángulo de fase (φ ≈0). En la figura se muestra un circuito simplificado para una modulación de ancho de pulso (PWM) unipolar de una sola fase.2 (El mismo esquema general puede extenderse a un sistema trifásico). En este esquema, un sistema fotovoltaico, que actúa como fuente de voltaje de CC con cierta inductancia, se transforma en una señal de CA mediante cuatro interruptores IGBT en paralelo con diodos de libre circulación. Estos interruptores se controlan en la puerta mediante una señal PWM, que suele ser la salida de un circuito integrado que compara una onda portadora (generalmente una onda sinusoidal de la frecuencia de salida deseada) con una onda de referencia a una frecuencia significativamente mayor (generalmente una onda triangular de 5 a 20 kHz). La salida de los IGBT se transforma en una señal de CA adecuada para su uso o inyección en la red mediante la aplicación de diversas topologías de filtros LC.
Los inversores pertenecen a un gran grupo de convertidores estáticos, que incluyen muchos de los actuales'dispositivos capaces de“convertir”parámetros eléctricos de entrada, como voltaje y frecuencia, para producir una salida que sea compatible con los requisitos de la carga.
En términos generales, los inversores son dispositivos capaces de convertir corriente continua en corriente alterna y son muy comunes en aplicaciones de automatización industrial y accionamientos eléctricos. La arquitectura y el diseño de los diferentes tipos de inversores varían según la aplicación específica, aunque su función principal sea la misma (conversión de CC a CA).
1. Inversores autónomos y conectados a la red
Los inversores utilizados en aplicaciones fotovoltaicas se dividen históricamente en dos categorías principales:
:Inversores autónomos
:Inversores conectados a la red
Los inversores autónomos se utilizan en aplicaciones donde la planta fotovoltaica no está conectada a la red eléctrica principal. El inversor suministra energía eléctrica a las cargas conectadas, garantizando la estabilidad de los parámetros eléctricos principales (tensión y frecuencia). Esto permite que se mantengan dentro de límites predefinidos y que puedan soportar sobrecargas temporales. En estos casos, el inversor se combina con un sistema de almacenamiento de energía en baterías para asegurar un suministro constante de energía.
Por otro lado, los inversores conectados a la red pueden sincronizarse con la red eléctrica a la que están conectados porque, en este caso, el voltaje y la frecuencia son...“impuesto”Estos inversores deben poder desconectarse de la red eléctrica principal en caso de fallo de la misma, para evitar cualquier posible realimentación inversa, lo que podría suponer un grave peligro.
- Figura 1 - Ejemplo de sistema autónomo y sistema conectado a la red. Imagen cortesía de Biblus.
2. ¿Cuál es la función del condensador del bus?
Figura 2: Modulación por ancho de pulso (PWM) monofásicaConfiguración del inversor. Los interruptores IGBT, junto con el filtro de salida LC, transforman la señal de entrada de CC en una señal de CA utilizable. Esto induce unaOndulación de voltaje perjudicial a través de los terminales fotovoltaicos. El busEl condensador se dimensiona para reducir esta ondulación.
El funcionamiento de los IGBT introduce una tensión de rizado en el terminal del conjunto fotovoltaico. Este rizado es perjudicial para el funcionamiento del sistema fotovoltaico, ya que la tensión nominal aplicada a los terminales debe mantenerse en el punto de máxima potencia (MPP) de la curva I-V para extraer la mayor potencia posible. Un rizado de tensión en los terminales fotovoltaicos hará oscilar la potencia extraída del sistema, lo que resultará en
una potencia de salida promedio más baja (Figura 3). Se agrega un condensador al bus para suavizar la ondulación de voltaje.
Figura 3: Una ondulación de voltaje introducida en los terminales fotovoltaicos por el esquema del inversor PWM desplaza el voltaje aplicado fuera del punto de máxima potencia (MPP) del conjunto fotovoltaico. Esto introduce una ondulación en la potencia de salida del conjunto, de modo que la potencia de salida promedio es menor que el MPP nominal.
La amplitud (de pico a pico) de la ondulación de voltaje está determinada por la frecuencia de conmutación, el voltaje fotovoltaico, la capacitancia del bus y la inductancia del filtro según:
dónde:
VPV es el voltaje de CC del panel solar,
Cbus es la capacitancia del condensador del bus,
L es la inductancia de los inductores del filtro,
fPWM es la frecuencia de conmutación.
La ecuación (1) se aplica a un condensador ideal que impide el flujo de carga durante la carga y luego descarga la energía almacenada en el campo eléctrico sin resistencia. En realidad, ningún condensador es ideal (Figura 4), sino que está compuesto por múltiples elementos. Además de la capacitancia ideal, el dieléctrico no es perfectamente resistivo y una pequeña corriente de fuga fluye del ánodo al cátodo a través de una resistencia de derivación finita (Rsh), sin pasar por la capacitancia dieléctrica (C). Cuando la corriente fluye a través del condensador, los pines, las láminas y el dieléctrico no son perfectamente conductores y existe una resistencia serie equivalente (ESR) en serie con la capacitancia. Finalmente, el condensador almacena cierta energía en el campo magnético, por lo que existe una inductancia serie equivalente (ESL) en serie con la capacitancia y la ESR.
Figura 4: Circuito equivalente de un condensador genérico. Un condensador escompuesto por muchos elementos no ideales, incluyendo capacitancia dieléctrica (C), una resistencia de derivación no infinita a través del dieléctrico que evita el capacitor, resistencia en serie (ESR) e inductancia en serie (ESL).
Incluso en un componente aparentemente tan simple como un capacitor, existen múltiples elementos que pueden fallar o degradarse. Cada uno de estos elementos puede afectar el comportamiento del inversor, tanto en el lado de CA como en el de CC. Para determinar el efecto que la degradación de componentes capacitores no ideales tiene en la ondulación de voltaje introducida en los terminales PV, se simuló un inversor de puente H unipolar PWM (Figura 2) usando SPICE. Los capacitores de filtro y los inductores se mantienen en 250 µF y 20 mH, respectivamente. Los modelos SPICE para los IGBT se derivan del trabajo de Petrie et al. La señal PWM, que controla los interruptores IGBT, está determinada por un circuito comparador y un circuito comparador inversor para los interruptores IGBT de lado alto y bajo, respectivamente. La entrada para los controles PWM son una onda portadora sinusoidal de 9,5 V, 60 Hz y una onda triangular de 10 V, 10 kHz.
- Solución CRE
CRE es una empresa de alta tecnología especializada en la producción de condensadores de película, centrada en la aplicación de la electrónica de potencia.
CRE ofrece una solución consolidada de condensadores de película en serie para inversores fotovoltaicos, que incluye enlace de CC, filtro de CA y circuito de amortiguación.
Fecha de publicación: 1 de diciembre de 2023