Interfaces de electrónica de potencia avanzada para sistemas de energía distribuida (3ª PARTE)

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Topologías de electrónica de potencia en instalaciones fotovoltaicas

Las topologías de electrónica de potencia para los sistemas PV pueden categorizarse en la base del número de etapas de procesado de potencia, la localización de los condensadores de desacoplamiento, utilización de transformadores, y todas las conexiones de red. La clasificación básica basada en el número de fases de salida del inversor es la siguiente:

• Etapa simple – Fase simple: La topología más fundamental para un inversor PV es un sistema PV autoconmutado. La salida DC de la disposición PV se conecta a través de un condensador de filtro. El condensador se usa para limitar la corriente de armónicos en la disposición. La salida del condensador se conecta a un convertidor de puente y la salida del convertidor se conecta a un inductor, limitando los armónicos de alta frecuencia inyectados en un sistema AC. Un voltaje de salida AC  sintetizado se produce por medio del control apropiado de los interruptores y consiste en una serie controlada de pulsos negativos y positivos que corresponden a medio ciclo positivo y negativo sinusoidal. Para permitir operación en o cerca del factor de potencia de la unidad, el interruptor se controla en respuesta al voltaje de salida de la disposición PV para producir el voltaje de salida AC requerido. Un bucle de fase bloqueada (PLL) se utiliza para sincronizar el voltaje de salida del inversor al voltaje de la red. La disposición PV luego se conecta a la red pública a través de un transformador de aislamiento eléctrico. Hay varias desventajas de esta topología, una es que todos los módulos se conectan al mismo dispositivo mppt. Esto causa varias pérdidas de potencia durante sombreado parcial. Fase simple – Múltiple fase: Para evitar transformadores de baja frecuencia voluminosos, que son mirados como un componente pobre principalmente debido a su tamaño relativamente grande y baja eficiencia, los sistemas de conversión de etapas múltiples (2 etapas) se usan ampliamente en generación PV. Las topologías de dos etapas más comunes consisten en un inversor DC-AC  (PWM) de pulso de fuente de voltaje con modulación de anchura conectado a la red. En general, el convertidor DC-DC realiza el rastreo del punto de máxima potencia (mppt) y, quizás, amplificación de voltaje. El inversor de puente DC-AC controla la corriente de red por medio de una operación PWM o “bang-bang”.
• Tres fases:  Para grandes sistemas por encima de 10 kW, los inversores trifásicos son los más usados. Todas las configuraciones descritas para una conexión monofásica pueden usarse para sistemas trifásicos. El aislamiento de la red puede hacerse usando un transformador de frecuencia de línea o un transformador de alta frecuencia. Una topología típica para un sistema trifásico utiliza un inversor PV trifásico utilizando un transformador trifásico de frecuencia de línea. La salida de cada fase de los convertidores se conecta a un inductor y condensador para limitar los armónicos inyectados en el sistema AC. Un voltaje de salida AC sintetizado se produce controlando convenientemente los interruptores. Un transformador trifásico se usa luego para conectar la potencia a la distribuidora.

Electrónica y control de potencia generalizada en fotovoltaica

De la discusión en las sub secciones previas, puede observarse que la forma más generalizada de topología de electrónica de potencia para las aplicaciones PV es el convertidor DC-DC con transformador de alta frecuencia embebida, junto con un inversor DC-AC. En general, la elevación de voltaje y mppt se hace por un controlador de convertidor DC-DC. El control del flujo de potencia a la distribuidora y la inyección de corriente de factor de potencia unidad sinusoidal a la distribuidora es producido por el controlador inversor DC – AC.

Un convertidor DC – DC se basa en un inversor de puente de fuente de corriente con un transformador y rectificador de alta frecuencia embebido. Ya que este inversor incluye aislamiento galvánico entre el string PV y la red, los strings PV pueden ser puestos a tierra fácilmente. La entrada de la fuente de corriente es beneficiosa ya que reduce los requerimientos del condensador del filtro en paralelo con los strings PV. Además, los diodos incluidos en los rectificadores son de corriente conmutada, implicando una recuperación inversa baja de los diodos y tensiones de bajo voltaje. El voltaje del string PV es primero convertido en AC de alta frecuencia;  el aislamiento galvánico con boosting de voltaje se consigue mediante un transformador de alta frecuencia. El voltaje secundario del transformador luego es rectificado usando un rectificador de diodo de puente. El DC rectificado luego se convierte en grid compatible AC y es conectado a la red pública por un inversor de fuente de voltaje trifásico.

La utilización de un rastreador de punto de máxima potencia (mppt) en un sistema fotovoltaico es usualmente una parte esencial de un sistema PV. Con los años, muchos métodos mppt han sido desarrollados e implementados. Estos métodos varían en complejidad, sensores requeridos, velocidad de convergencia, coste, rango de efectividad, hardware de implementación, popularidad, etc. Los nombres de algunos de estos métodos mppt son hill climbing, perturb and observ, incremental conductance, fractional open-circuit voltage, fractional short-circuit current, fuzzy logic and neural network control, ripple correlation control, current sweep, DC-link capacitor droop control, load-current o load-voltage maximization, y dP/dV o dP/dI feedback control.

Hay dos modos de control básicos para los inversores conectados a red. Uno es el control de corriente constante; el otro es control de potencia constante. Es todavía debatible si se permitirá a un inversor regular el voltaje durante la operación de conexión a red. La norma IEEE 1547 no permite a la generación distribuida activamente regular el voltaje, mientras que algunas personas en la industria sugieren que la regulación de voltaje puede tener algún impacto positivo en la red.

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