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31 Scientia et Technica Año XVI, No 44, Abril de 2010. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701 CONEXIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO A LA RED ELÉCTRICA Connecting photovoltaic systems to the power grid RESUMEN Hoy en día el uso de la generación distribuida y su conexión con los sistemas de potencia está siendo ampliamente investigado. Los sistemas fotovoltaicos (PV systems) surgen como una opción para el aprovechamiento de los recursos renovables debido a las grandes ventajas que estos tienen sobre otras fuentes de energía.

Los avances en la electrónica de potencia y la aplicación de materiales ás eficientes para la construcción de paneles solares, hacen de este tipo de energía una de las más importantes para el futuro. Con el fin de garantizar la máxima transferencia de potencia de estos sistemas a la red eléctrica se emplea una metodología basada en el algoritmo MPPT. para verificar la validez del algoritmo, se presenta un caso de aplicación donde se ilustra la metodología completa. PALABRAS CLAVES: Electrónica de potencia, generación resource one of the most important energy renewable resources for the future.

This system consists of modules (solar panels), inverters, converters, chargers and batteries, that ork together in order to convert dc electricity into ac

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electricity with high efficiency. In some configurations battery storage methodology could be use at night or during blackouts. KEYWORDS: power electronics, distributed generation, photovoltaic systems. ANDRES ESCOBAR MEJIA Ingeniero Electricista, M. Sc- Profesor Asistente Universidad Tecnológica de Pereira Estudiante Ph. D University of Arkansas EE. UU [email protected] edu. co CARLOS ANDRES TORRES Ingeniero Electricista, M.

Sc. Universitat Rovira I Virgili España [email protected] com RICARDO A. HINCAPIE ISAZA Profesor Auxiliar Tiempo Completo Programa de Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológlca de Pereira [email protected] edu. co GRUPO DE INVESTIGACION 2 3 reducción de los costos de la expansión del sistema de transmisión y distribución, la reducción de pérdidas en las líneas, el mejoramiento de la sensibilidad y la confiabilidad del sistema y la descentralización de la generación permitiendo la generación en sitio (on-site generation) [3, 4].

Con la implementación de estos sistemas se espera que no solo los generadores inyecten potencia a la red sino que también los usuarios participen en la generación de otencia a baja escala para desarrollar sus propios Fecha de Recepción: Enero 26 de 2010 Fecha de Aceptación: Marzo 25 de 2010 sistemas de DG. Dicha metodología se enmarca en el concepto de red inteligente o Smart-Grid. La energía generada empleando paneles solares que aprovechan el efecto fotovoltaico consiste en una forma limpia y eficiente de emplear una de las fuentes renovables más abundantes en nuestro universo: El Sol.

Dicha forma de generar energ(a surge como alternativa en un mundo en donde cada vez se busca depender menos de los hidrocarburos con el fin de dismnuir la emisión de gases que facilitan el calentamiento global. El desarrollo en la electrónica de potencia y la creciente necesidad por tener un sistema eléctrico en el que se involucre la DG, facilitan la implementación y desarrollo de los sistemas fotovoltaicos a la red [5]. En el presente articulo se presenta un arreglo de paneles solares o sistemas PV que se conectan a la red de potencia a través de un transformador elevador.

Para 32 Scientia et Technica Año WI, No 44, Abril de 2010. Universid 3 transformador elevador. Para Scientia et Technica Año WI, No 44, Abril de 2010. Universidad Tecnológica de Pereira. lograr que el arreglo PV entregue la máxima potencia al istema se aplica el algoritmo MPPT (maximun power point tracking) en la etapa del convertidor dc-dc [6, 7]. son empleados para evitar el flujo de corriente en sentido contrario a la polaridad del arreglo PV Las simulaciones realizadas permiten presentar la forma de conectar este sistema a la red de distribución y las ventajas de emplear el algoritmo de optimización. . SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Los sistemas fotovoltaicos o sistemas PV se refieren a una amplia variedad de sistemas de energía solar que usan paneles hechos de celdas de silicio policristalino o monocristalino [3], las cuales son empleadas para onvertir energía solar en electricidad. A pesar de que la eficiencia de estos sistemas está entre un 20% y un 40%, su estudio e implementación ha sido investigado ampliamente a nivel mundial debido a su impacto ambiental [8].

El uso de dispositivos que emplean electrónica de potencia como inversores dc-ac y convertidores dc-dc es requerido para integrar el sistema PV con la red de distribución. Figura 1 . Sistema PV con inversor central 13 En la Figura 2 se observan os salida de cada string. 2. 1. Conexión de sistemas PV a la red La conexión de un sistema fotovoltaico a la red eléctrica stá sujeta a la cantidad de potencia que se desea inyectar lo cual se refleja en la cantidad de módulos con los que se cuenta.

Varios módulos conectados en serie son conocidos como una cadena o string y varios string conectados en paralelo constituyen un arreglo PV [9]. Debido a que el voltaje generado por el arreglo PV es de tipo dc se requiere de un inversor que permita acondicionar el voltaje generado a un nivel ac. Con el fin de incrementar la potencia entregada a la red y mejorar la eficiencia del sistema, el inversor puede contener un MPPT, el cual sensa la señal de corriente ntregada por el arreglo PV y busca maximizar la potencia entregada por los mismos.

En la Figura 1 se presenta una de las primeras conexiones empleadas para la conexión de estos módulos a la red eléctrica. Dicho esquema tiene como ventaja su bajo costo ya que solamente se requiere de un inversor para la conexión a la red. La pnncpal desventaja es que el inversor debe ser de gran robustez debido a que se debe elevar el voltaje para garantizar una adecuada conexión a la red (un transformador de potencia también puede ser usado para elevar el voltaje a la salida del inversor, pero esto incrementar[a las pérdidas).

Aunque para esta configuración el inversor es altamente eficiente, no se podría decir lo mismo de la conexión de módulos PV en paralelo, ya que se podrían presentar diferencias de voltaje en los módulos PV que ocasion s 3 paralelo, ya que se podr(an presentar diferencias de voltaje en los módulos PV que ocasionarían una disminución en la eficiencia. Los diodos en cada string Figura 2. Sistema PV con inversor por cada PV string En la Figura 3 se presenta un arreglo en el cual se emplea solo un inversor para la conexión a la red.

De igual forma se emplea un conversor dc-dc (Boost) por cada string. La alida de cada conversor es conectada a un bus dc común que se conecta a la entrada del inversor. Los conversores son utilizados para corregir las caídas de tensión que se puedan presentar en los módulos PV debido a la variación de la intensidad solar sobre cada stringy que podrían causar perdida de eficiencia y deterioro en los módulos. Tiene como ventaja que la implementación de los convertidores dc-dc no solamente son empleados para Scientia et Technica Aho XVI, No 44, Abril de 2010.

Universidad disminuir las pérdidas sino para incrementar el nivel de voltaje a la entrada del inversor [91. 33 2. 2. Punto máximo de potencia El algoritmo MPPT captura periódicamente el voltaje y la corriente generada en el panel solar para calcular la potencia generada por el sistema PV. En función de la derivada de potencia, el algoritmo genera una referencia de corriente que en régimen estacionario obliga a que el punto de trabajo del panel solar esté oscilando indefinidamente en torno axima potencia [9].

El algoritmo busca ma encia generada maximizar la potencia generada por el sistema PV para cada punto de operación minimizando las pérdidas que pueden ocurrir en la etapa de conversión dc-ac. En la Figura 5 se observa la característica de corriente ontra voltaje (característica i-v) para cada uno de los módulos PV. La variación en la intensidad entregada por cada panel está en función de la radiación solar. Para este caso la radiación es 200, 400, 600, 800 y looownnz. CARACTERISTICA 1-V 6 Figura 3.

Sistema PV con inversor central y convertidores En la Figura 4 cada arreglo PV tiene su propio inversor lo cual garantiza flexibilidad y estabilidad al sistema. Esta topología permite añadir con facilidad más módulos PV en serie o paralelo a los ya existentes. CORRIENTE(A) 4 2 Con este sistema se mejora también la confiabilidad al xistir respaldo en la generaclón y en la inversión de energía cuando se presentan fallas en uno o varios módulos. Las pérdidas causadas por variación en el voltaje de los módulos PV son menores debido a que cada inversor se encarga la salida. voltaje estable a voltaje de salida de cada módulo PV (característica p-v). CARACTERISTICA PV 90 70 POTENCIA (W) 50 30 20 10 15 25 dc-ac inverter Utility grid Vac Figura 7. Conexión a la red eléctrica para conocer el voltaje y la corriente de entrada al convertidor dc-dc (Vvp e Iret), es necesario implementar el algoritmo MPPT, con el fin de maximizar la eficiencia del sistema. La función del convertidor dc-dc es incrementar el voltaje entregado por el arreglo PV y de regular el voltaje y la corriente que son generados.

Una vez conocidos estos valores, se determina el voltaje a la salida del convertidor por medio de la siguiente expreslon: Vg 1-0 PAC : Potencia desde el conversor hasta el inversor. AVDC : Voltaje en el condensador. VDV : Rizado en el voltaje W : Frecuencia del sistema. convertidor. se ilustra un arreglo PV, el cual se pretende conectar a la red eléctrica. Este sistema cuenta con seis módulos PV en dos strings, donde cada uno de estos está compuesto por tres módulos PV. Cada módulo está diseñado para entregar una potencia maxima de 85. 4W, funcionando con un nivel de luminosidad máximo igual a 1000W/m2. Por lo tanto, la potencia maxima que el sistema entrega a la red es 510. 84W Iref Ipv Donde: Vpv Vout: Voltaje a la salida del convertidor Vg: Voltaje a la entrada del convertidor D : Ancho de pulso (Duty cycle) Un valor típico para D es 0. 5, el cual representa una relación de switcheo del 50%. Esto quiere decir que Figura 8. Ejemplo de aplicación En las Figuras 9 y 10 se ilustran las relaciones de la potencia Ppv en función d la corriente Iref, respectivamente, des r el algoritmo