Apagado del inversor fotovoltaico por variación de tensión

Un problema que afecta a muchos sistemas fotovoltaicos es el apagado brusco del inversor cuando la generación alcanza valores elevados. El fenómeno se produce principalmente en días soleados, cuando todo parece perfecto para que el sistema fotovoltaico funcione al máximo. La raíz del problema radica en la calidad de la red eléctrica a la que está conectado el inversor. La instalación de un sistema fotovoltaico requiere cuidado no sólo en los componentes y conexiones del inversor, módulos y el caja de cuerdas. El diseñador también debe tener cuidado con lo que queda después del inversor. La energía generada debe salir del inversor y ser inyectada en el punto de conexión sin provocar perturbaciones en la red eléctrica, tanto dentro del inmueble como en la red de distribución. La principal perturbación de la red eléctrica provocada por los sistemas fotovoltaicos es el aumento de tensión. Esta variación es normal y en muchos casos ni siquiera se notará. Sin embargo, cuando tenemos redes eléctricas frágiles o muy precarias y mal dimensionadas, la variación de tensión puede superar los límites de tensión y funcionamiento programados en el inversor, provocando su apagado.

entender el problema

Los conductores eléctricos tienen resistencia eléctrica. Cuando pasa una corriente eléctrica, esta resistencia provoca una caída de voltaje. Debido a la caída de tensión, en una vivienda o cualquier instalación eléctrica, la tensión obtenida en el cuadro de distribución será inferior a la tensión entregada por el concesionario al poste de entrada, como vemos en la siguiente figura. Cuando el consumo de la instalación aumenta, la caída de tensión se intensifica y la tensión eléctrica disponible en el cuadro de distribución puede bajar aún más dependiendo del tamaño de la instalación.

En las instalaciones eléctricas, por lo general, la tensión en el punto de consumo será inferior a la tensión en el polo de entrada debido a la caída de tensión. En instalaciones muy mal dimensionadas (que no son infrecuentes) la caída de tensión será más pronunciada. Sin embargo, este es un problema que existía incluso antes de la llegada de los sistemas fotovoltaicos. ¿Qué cambió entonces? En redes eléctricas débiles, debido a un mal dimensionamiento de los cables, la tensión disponible para las cargas internas siempre se verá reducida con la circulación de corriente por el circuito, como se muestra en la Figura 1. Cuanta más corriente circule por la instalación, mayor caída de tensión habrá. será. Con la inyección de energía por parte del inversor, la corriente eléctrica presente en el circuito puede disminuir de intensidad o incluso restablecerse a cero (cuando la generación solar es igual al consumo interno), provocando que la caída de tensión disminuya, lo que provoca que la tensión en el punto de conexión (donde está conectado el inversor), como se muestra en el gráfico de la Figura 2. Cuando la generación solar es muy grande (situación ilustrada en las Figuras 2 y 3), la cantidad de energía inyectada por el inversor puede provocar una corriente. en sentido contrario, cuando la energía se exporta al concesionario. En este caso, la tensión en el punto de inyección será superior a la tensión de entrada suministrada por la red pública, pudiendo en algunos casos superar el límite de funcionamiento para el que está programado el inversor.

Un poco de teoría: resistencia e impedancia.

Los materiales conductores tienen una resistencia interna que depende del metal utilizado (cobre o aluminio), de la sección transversal (calibre del cable) y de la longitud del cable.

Cuanto más largo sea el cable, mayor será su resistencia. Cuanto menor sea el calibre del cable, mayor será la resistencia. Un conductor muy fino dificulta el paso de la corriente eléctrica, por lo que su resistencia es mayor.

Y cada material utilizado para fabricar el cable tiene su propia característica llamada resistividad, que afecta la resistencia del cable. 

A La resistencia de un conductor eléctrico se puede calcular mediante la fórmula:

En la fórmula anterior, ρ es la resistividad del material, L es la longitud del cable y S es su sección transversal (área).

En los circuitos eléctricos cortos, la resistencia es la principal causa de las caídas de tensión. En circuitos más largos también se producen caídas de tensión provocadas por reactancias, que son el resultado de los efectos capacitivos e inductivos presentes en los circuitos eléctricos.

Un modelo más completo de las características de un cable implica factores como la capacitancia y la inductancia del cable. La capacitancia y la inductancia están relacionadas con la distancia entre los cables, el voltaje entre ellos y el medio en el que están rodeados.

La suma de los efectos de la resistencia, la capacitancia y la inductancia se llama impedancia. En cables que transportan corriente continua, los efectos de capacitancia e inductancia son nulos debido a la propia naturaleza de los efectos electromagnéticos.

EEn circuitos de corriente alterna de gran longitud no se pueden descuidar la capacitancia y la inductancia, ya que sus efectos alteran las caídas de tensión y las pérdidas de conducción del cable. La impedancia también puede ser importante en las conexiones eléctricas. Conexiones mal hechas o inadecuadas tienen una impedancia importante, que puede provocar incluso una pérdida de energía en forma de calentamiento. La siguiente figura muestra el sobrecalentamiento de un cable y un contacto eléctrico. La causa del calentamiento es la disipación de energía a través de la resistencia eléctrica del contacto. Además de las resistencias e impedancias presentes en los cables, los malos contactos en las conexiones también son una causa importante de caídas de tensión. 

Caída de voltaje

Cuando una corriente pasa a través de una impedancia en un circuito, hay una caída de voltaje entre los terminales positivo y negativo de la impedancia.

Al tener en cuenta que un cable real tiene una impedancia distinta de cero, podemos decir que el paso de corriente en un cable también provoca una caída de tensión entre sus terminales. La caída de tensión en un circuito provocada por un cable real se determina a continuación:

Como estamos analizando un circuito con dos conductores, también hay que tener en cuenta la pérdida de tensión en la resistencia del cable 2. Por lo tanto:

En la fórmula anterior tenemos a= 2 para circuitos monofásicos o bifásicos y a=1,73 para circuitos trifásicos.

En las instalaciones comerciales no hay muchas opciones de materiales conductores, lo que deja al diseñador elegir entre cobre y aluminio. El tamaño del circuito tampoco siempre se puede ajustar libremente, ya que existen demandas físicas y de asignación en los dispositivos.

La forma más práctica de controlar la caída de tensión en un circuito es elegir la sección transversal del conductor. La norma para instalaciones eléctricas de baja tensión – NBR 5410 – prevé un límite máximo de caída de tensión en un circuito, como se muestra a continuación.

Inversor conectado a la red

Al conectarse a la red eléctrica, el inversor fotovoltaico recibe en sus terminales la tensión disponible en el punto de conexión. Si el inversor se conecta directamente a la red de entrada del consumidor, la tensión en el punto de conexión será más estable (ya que sólo dependerá de las caídas de tensión existentes en el circuito de la red de distribución de la empresa eléctrica. Cuando el inversor se conecta a una red eléctrica punto más interno de la instalación, la tensión en el punto de conexión del inversor puede variar en función de las caídas de tensión provocadas por las corrientes eléctricas presentes en la instalación. La tensión en el punto de conexión también puede variar en función de la intensidad de la corriente inyectada por el inversor. como comentamos al principio del artículo, si el inversor inyecta demasiada corriente, hasta el punto de invertir el flujo de energía, el voltaje en el punto de conexión aumentará más allá del valor encontrado en el estándar de entrada del consumidor. es un límite de tensión a la que puede operar el inversor, el cual está definido por la norma NBR 16149, como se muestra en la siguiente tabla. La tensión del inversor no puede ser inferior al 80% de la tensión nominal de alimentación de la red eléctrica. La tensión del inversor tampoco puede ser superior al 110% de la tensión de alimentación nominal. Cada concesionario tiene una tensión de alimentación nominal y el inversor debe parametrizarse en función de esta tensión. La tensión a la que está autorizado a operar el inversor está en el rango entre el 80% y el 110% de la tensión nominal de la red de distribución, como se muestra en la tabla.

Tabla 1. Límites de tensión de exportación de inversores conectados a la red

Por tanto, si el inversor inyecta mucha energía y si existen resistencias (o impedancias) importantes en la instalación, la tensión en el punto de conexión puede aumentar y superar el 110% de la tensión nominal de red, provocando que el inversor se apague automáticamente.

Esta es una situación muy común en los días de las grandes generaciones. El apagado del inversor por este motivo se produce siempre en los días y horas en las que la radiación solar es más intensa.

El sistema fotovoltaico se desconecta en el momento en el que debería generar más energía, situación muy desagradable que se puede evitar con el correcto diseño de las instalaciones eléctricas (evitando caídas de tensión) o con la parametrización del inversor (cambiando sus valores mínimo y máximo de funcionamiento). límites, sin violar los límites de la norma NBR 16149). 

Impedancia del transformador y caída de voltaje.

Los sistemas solares fotovoltaicos más grandes generalmente se conectan a la red a través de un transformador de acoplamiento que eleva el voltaje nominal del sistema al mismo nivel de servicio.

Los transformadores también tienen una impedancia interna que puede provocar una caída de voltaje desde el punto de vista del inversor. El circuito equivalente de un transformador real que se muestra en la siguiente figura indica las impedancias internas de este dispositivo. Para que un sistema solar fotovoltaico inyecte energía, el voltaje del lado del transformador que mira a la red interna (secundario), representado por Nosotros, debe estar dentro del rango de operación del inversor, como se explicó en el apartado anterior (es decir, entre 80 % y 110% de la tensión nominal de suministro del concesionario).

Apagado del inversor por caída de tensión

Cuando se instala un inversor en un circuito de alta impedancia, es decir, un cable con una sección transversal inadecuada, conexiones mal hechas o transformadores de alta impedancia, la tensión en el punto de conexión puede ser significativamente alta debido a la impedancia del cable, malos contactos y a la presencia del transformador. Si el aumento de tensión es considerable, superando el 110% de la tensión nominal de red (si la parametrización del inversor es correcta), el inversor se apagará automáticamente. Este apagado es una función de protección presente en los inversores que en algunos casos provoca apagados no deseados del equipo. El apagado del inversor mediante el mecanismo descrito anteriormente suele ocurrir en los momentos de máxima generación, cerca del mediodía. Estas paradas de los inversores se pueden identificar en las curvas de generación diaria del dispositivo afectado, como se muestra en el siguiente ejemplo.

Medidas para superar el problema.

El primer paso para solucionar el problema es comprobar si la tensión configurada en el inversor es la misma que la tensión de alimentación de la red pública, ya que el inversor sólo debe operar dentro de los límites establecidos en la Tabla 1.

El fenómeno descrito en este artículo está estrechamente relacionado con la impedancia que ve el inversor en el lado AC y, como se mostró anteriormente, las fuentes de impedancia que ve el inversor son: cables, conexiones y transformador.

Por lo tanto, los cables dimensionados teniendo en cuenta los criterios de caída de tensión descritos en la norma NBR 5410 minimizan el riesgo de parada del inversor por aumento de tensión. En cuanto a las conexiones, deben estar bien hechas, siguiendo las normas vigentes y revisadas periódicamente para garantizar que no haya holguras en el apriete.

Si la impedancia interna del transformador o de los cables que conectan el transformador de la planta fotovoltaica al transformador de la red eléctrica es muy alta, se aplica el mismo razonamiento que para la caída de tensión en los cables.