Los inversores inteligentes y su uso en plantas de generación de energías renovables

La demanda creciente de energías renovables continúa enfrentándose al desafío de incrementar la cantidad total de energía obtenida y hacer decrecer el coste de energía por vatio. En ese sentido, la automatización de todo tipo de instalaciones y procesos se ha mostrado como una de las formas más eficaces para conseguir ahorrar energía. En las instalaciones de generación de energías renovables, por ejemplo las plantas fotovoltaicas o eólicas, añadir inteligencia al control del inversor (dispositivo que convierte la salida de voltaje del colector) es una estrategia útil para aumentar la productividad. Los inversores inteligentes son aplicables a los sistemas solares y eólicos, pero también pueden utilizarse en otras fuentes de generación, como las células de combustible. El control de inversores de alta efectividad se consigue utilizando controladores de señales digitales (DSC), con los que se ha demostrado conseguimos recortar las pérdidas en la eficiencia de conversión a la mitad a la vez que se reducen costes. DSC combina el alto rendimiento de los procesadores de señales digitales (DSP) con la facilidad de programación e integración de una unidad de microcontrol (MCU). Otra ventaja adicional es que actualmente están disponibles DSCs con capacidades de punto flotante, lo cual hace aumentar el rendimiento facilita el trabajo de los algoritmos complejos de programación.

El control del inversor

En una instalación fotovoltaica, el inversor controla el flujo de electricidad entre módulo, batería y cargas. Su principal función es la de transformar la entrada de energía desde la fuente de generación en una corriente sinusoidal de 50-60 Hz. Otras funciones del inversor son desconectar el circuito para protegerlo de los picos de energía, cargar la batería, registrar datos de uso y rendimiento y maximizar el rastreo del punto de energía, para manejar la energía tan eficientemente como sea posible. Los inversores tienen una potencia nominal que va de uno a varios cientos de kilovatios pico (kWp), y pueden diseñarse mediante sofisticadas topologías de fuente, ya sea con o sin procesadores de control. Utilizando MOSFETs en un puente y usando una frecuencia de switching, usualmente entre 18 y 20 kHz, la tensión continua se convierte en una señal de tensión alterna. Finalmente, un filtro de paso bajo alisa la señal ac a sinusoidal para ser utilizada en las redes de distribución de corriente alterna.

Transformadores y protección

En algún punto, la corriente continua tiene un mayor nivel de voltaje que la salida de corriente alterna, pero la entrada de la fuente no es usualmente tan alta. El sistema puede por lo tanto ya sea intensificar el voltaje con un transformador en el lado ac o impulsarlo en la etapa de conversión dc/dc. El diseño puede incluir un dispositivo de protección de corriente residual (RCD) que controla las corrientes de todas las fases, y dispara el relé si la corriente excede un cierto valor.

Obtención de la máxima carga

Puesto que la eficiencia de la conversión dc/ac depende del voltaje de entrada, y ello condiciona como se produce la carga de la batería. Pero el voltaje de entrada es variable, dependiendo de las condiciones de viento en una turbina eólica, o la cobertura de nubes sobre paneles solares fotovoltaicos; y la condición de las baterías es también variable dependiendo del estado de la carga. La salida máxima de potencia a la batería ocurre cuando el producto del voltaje y corriente están en su pico, y se denomina punto de potencia máximo (MPP). El diseño del MPP tracking (MPPT) está pensado para determinar este punto y ajustar la conversión de voltaje dc/dc en orden de maximizar las salida de carga. No obstante, la determinación de MPP puede variar con diferentes condiciones. El algoritmo más común para la determinación de MPP está hecho para que el controlador perturbe el voltaje de operación del panel con cada ciclo de MPPT y observe la salida. El algoritmo continúa oscilando alrededor de MPP en un amplio rango para evitar picos locales pero engañosos en la curva de potencia causada por el movimiento en la cobertura de las nubes.

Requerimientos de diseño del control

Un cierto número de desafíos de procesado en tiempo real deben ser logrados por el procesador de control para ejecutar de forma efectiva los algoritmos requeridos para la conversión dc/ac eficiente y protección del circuito. El control de carga de la batería y MPPT, necesitan respuesta en tiempo real, y también implican algoritmos con un amplio nivel de procesado. DSC ofrece una buena solución para el control en tiempo real de los inversores, baterías y mecanismos de protección, en sistemas de energías renovables.

Controlador DSP de punto flotante

Estos dispositivos integran características que incluyen acceso a la memoria directo on-chip (DMA), manejo de interrupción rápida, etc.

Bibliografía: Greater control intelligence helps to generate renewable energy. International Powerengineer November 2008.

Palabras clave: Intelligent inverter, digital signal controller (DSC), microcontrol unit (MCU), residual current protection device (RCD), maximum power point (MPP), on-chip direct memory access (DMA).