Principios de Operación de Inversores Conectados a Red
I. Principios de funcionamiento de los inversores conectados a la red
Los inversores conectados a la red son dispositivos que convierten corriente continua (CC) en corriente alterna (CA) y se utilizan ampliamente en sistemas de generación de energía fotovoltaica (PV). Los principios de funcionamiento involucran varios aspectos:
Proceso de conversión de energía:Bajo la luz solar, los paneles PV generan electricidad CC. Para inversores conectados a la red de tamaño pequeño y mediano, a menudo se utiliza una estructura de dos etapas, donde la salida CC de los paneles PV se convierte primero a través de un convertidor DC/DC para una conversión preliminar, y luego a través de un convertidor DC/AC para producir CA. Los inversores grandes suelen utilizar una estructura de una sola etapa para la conversión directa. Durante la operación, el inversor controla el módulo inversor trifásico detectando la tensión y corriente CC, así como la tensión y corriente CA de la red. El sistema de control digital genera señales de conducción PWM (Modulación por Ancho de Pulso), haciendo que el inversor produzca CA sincronizado en frecuencia y fase con la red. Por ejemplo, cuando la electricidad CC de los paneles PV entra en el inversor conectado a la red, primero pasa a través de un rectificador (si la estructura de dos etapas incluye una función de rectificación), convirtiendo cualquier CA existente en CC, y luego a través de los componentes electrónicos de la sección inversora para convertir la CC en CA, que finalmente se suministra a las cargas domésticas o industriales o se alimenta a la red.
Componentes clave y sus funciones:
Rectificador: En algunas estructuras, es responsable de convertir la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC), asegurando que la entrada para la parte posterior del inversor sea CC.
Inversor: Este es el componente central, que utiliza elementos electrónicos (como dispositivos semiconductores de potencia) para convertir la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA).
Controlador: Controla todo el proceso de conversión, incluyendo la monitorización de las tensiones y corrientes de entrada y salida, y ajusta las señales de conducción PWM en función de estos parámetros para asegurar que la CA de salida cumpla con los estándares requeridos.
Terminal de Salida: Salida de la CA convertida a la red o a la carga.
II. Relación entre Inversores Conectados a Red y la Red
Transmisión de Energía e Interacción:La función principal de un inversor conectado a red es convertir la CC en CA y conectarse a la red, permitiendo la transmisión de energía. Puede alimentar la electricidad generada por el sistema fotovoltaico a la red, satisfaciendo las necesidades de energía de otros usuarios. En este proceso, la red actúa como un gran centro de almacenamiento y distribución de energía, y el inversor conectado a red sirve como puente que conecta la energía fotovoltaica distribuida a este centro. Por ejemplo, en proyectos fotovoltaicos distribuidos, muchas casas con sistemas fotovoltaicos venden la energía excedente a la red a través de inversores conectados a red, logrando un flujo de energía bidireccional, tanto recibiendo como suministrando energía a la red.
Desde la perspectiva de la red, a medida que se integran más inversores conectados a la red, las fuentes de energía de la red se vuelven más diversas. Sin embargo, esto también impone nuevas demandas sobre la estabilidad de la red y la calidad de la energía.
Control y adaptación:Actualmente, los inversores conectados a la red operan principalmente en dos modos básicos de control: el control de corriente y el control de voltaje. En el modo de control de corriente, el inversor busca controlar la corriente de salida y debe adaptarse a los cambios en el voltaje de la red y otros parámetros. Por ejemplo, en redes débiles (alta impedancia, estructura débil, baja resistencia a las corrientes de sobretensión), el inversor necesita tener una fuerte capacidad de adaptación a redes de alta impedancia para evitar fenómenos de resonancia que podrían llevar a un escalado de fallos. Los inversores de diferentes fabricantes utilizan diversos algoritmos y mecanismos de control para adaptarse a los cambios en la red, como algoritmos de amortiguación activa inteligente para abordar problemas de resonancia en redes débiles, y estrategias como el control repetitivo, parámetros PI dinámicos, supresión de armónicos específicos y compensación de tiempo muerto.
En el modo de control de voltaje, el inversor se enfoca en el control del voltaje, haciendo que las características externas del inversor conectado a la red se comporten como una fuente de voltaje controlada, capaz de proporcionar soporte para el voltaje y la frecuencia. Esto es particularmente adecuado para conexiones de energías renovables de alta penetración, lo que significa que el inversor puede, hasta cierto punto, regular el voltaje y la frecuencia de la red para mantener su operación estable.
III. ¿Pueden los inversores conectados a la red operar sin la red?
En circunstancias normales, no se permite la operación:De acuerdo con las normas y regulaciones de seguridad relevantes, los inversores conectados a la red suelen estar equipados con dispositivos antiaislamiento. Cuando el voltaje de la red es cero, el inversor dejará de funcionar. Esto se debe a que si el inversor continúa operando durante un apagón, puede representar una amenaza de seguridad para el personal de mantenimiento. Por ejemplo, si el sistema fotovoltaico continúa suministrando energía a la red a través del inversor durante un apagón, puede causar fácilmente descargas eléctricas y otros incidentes de seguridad. Por lo tanto, las normas nacionales establecen que los inversores conectados a la red fotovoltaica deben tener funciones de detección y control de islas, y deben dejar de operar cuando la red no esté disponible.
Operación bajo modificaciones especiales:Teóricamente, sin modificar el software o el hardware, un inversor fuera de red podría usarse para "simular" una red, haciendo que el inversor fotovoltaico crea que la red es normal, permitiéndole así suministrar energía a esta "red". Sin embargo, este método conlleva riesgos y no cumple con los requisitos normales de seguridad y regulación. Además, si el inversor conectado a la red se modifica para permitir la operación fuera de red, como en algunos inversores híbridos conectados a la red y fuera de red, puede cambiar al modo fuera de red cuando la red está caída. Sin embargo, esto ya no es una función de un inversor puramente conectado a la red, sino un resultado de un diseño y modificación especial.
IV. Condiciones esenciales para la operación del inversor conectado a la red
Condiciones técnicas:
Sincronización de Frecuencia: La frecuencia de la red es típicamente de 50Hz o 60Hz en la mayoría de las regiones. La salida de corriente alterna del inversor debe estar sincronizada con esta. Esto se logra generalmente a través de tecnologías como los Circuitos de Bucle Fase-Lock (PLLs) para asegurar que la frecuencia de corriente alterna del inversor coincida con la frecuencia de la red, de lo contrario, no puede operar normalmente.
Sincronización de Fase: Además de la sincronización de frecuencia, la salida de corriente alterna del inversor también debe estar sincronizada en fase con el voltaje de la red. La sincronización de fase se logra a través de tecnologías de control relacionadas. Solo con la sincronización de fase, la energía de salida del inversor puede integrarse suavemente en la red sin causar efectos adversos como fluctuaciones de potencia y disminución de la calidad de la energía.
Coincidencia de Voltaje: El voltaje de salida del inversor debe coincidir con el voltaje de la red en el punto de conexión. Aunque los inversores suelen diseñarse para adaptarse a diferentes niveles de voltaje, debe asegurar su operación dentro de límites seguros. Si el voltaje no coincide, puede impedir la transmisión normal de energía e incluso dañar el inversor o el equipo de la red.
Limitaciones Armónicas: Durante la conversión de corriente continua (CC) a corriente alterna (CA), el inversor puede generar armónicos, que pueden afectar a la red, como causar distorsión de tensión y afectar la operación normal de otros equipos eléctricos. Por lo tanto, los inversores deben cumplir ciertos estándares de limitación armónica para garantizar la calidad de la energía. Por ejemplo, la corriente de salida del inversor no debe contener un componente de corriente continua, y los armónicos de orden superior en la corriente de salida del inversor deben minimizarse para evitar contaminar la red.
Control de Potencia Reactiva: El inversor debe ser capaz de controlar la potencia reactiva de salida para apoyar la estabilidad de la tensión de la red. En redes con una alta proporción de energía renovable, el control de potencia reactiva es particularmente importante. Al controlar la potencia reactiva, se puede regular el nivel de tensión de la red, mejorando la estabilidad y la calidad de la energía.
Protección contra el Efecto Isla: Cuando la red está caída, el inversor debe desconectarse rápidamente de la red para evitar que suministre energía a la red desconectada, protegiendo así al personal de mantenimiento. Este es uno de los funciones de seguridad esenciales de los inversores conectados a la red.
Condiciones de Seguridad:
Seguridad eléctrica: El inversor y su instalación deben cumplir con las normas de seguridad eléctrica relevantes, incluyendo aislamiento, protección contra sobrecarga y protección contra cortocircuitos. Por ejemplo, el rendimiento del aislamiento eléctrico del inversor debe ser bueno para prevenir fugas; en caso de sobrecarga o cortocircuito, el inversor debe activar mecanismos de protección para evitar daños al equipo y posibles incendios.
Clasificación de protección: El inversor necesita una cierta clasificación de protección para resistir factores ambientales como el polvo y la humedad. Los inversores exteriores generalmente requieren una clasificación de protección más alta, como IP65. La clasificación de protección asegura que el inversor pueda operar normalmente bajo diferentes condiciones ambientales y prolonga su vida útil.
Regulaciones y estándares:
Normas nacionales e industriales: Los inversores conectados a la red deben cumplir con las normas nacionales e industriales, como la norma china GB/T 37408 - 2019, que especifica los requisitos técnicos para los inversores fotovoltaicos conectados a la red. Estas normas abarcan múltiples aspectos, incluyendo rendimiento, seguridad y calidad de la energía, garantizando que los inversores cumplan con las regulaciones al operar en la red.
Permisos y aprobaciones: La instalación y operación de inversores conectados a la red pueden requerir permisos y aprobaciones del departamento de energía para asegurar que no afecten negativamente a la red. El departamento de energía revisará la ubicación de instalación, la capacidad y los parámetros técnicos del inversor, y solo después de la aprobación se podrá conectar el inversor a la red.
Factores económicos:
Retorno de la Inversión (ROI): Los usuarios o empresas que consideran inversores conectados a la red evaluarán el ROI, incluyendo los costos iniciales de inversión, los gastos operativos y de mantenimiento, y las posibles subvenciones políticas o ingresos por la venta de electricidad. Si el ROI no es favorable, puede afectar el entusiasmo por los inversores conectados a la red. Por ejemplo, si el costo inicial de la inversión es alto y el precio de venta de la electricidad es bajo sin suficientes políticas de subvención, los inversores pueden ser disuadidos.
Políticas de Subsidio: Diferentes regiones pueden tener diferentes políticas de subsidio, lo que puede afectar la viabilidad económica de los proyectos de inversores conectados a la red. Algunas regiones ofrecen subsidios para fomentar el desarrollo de energías renovables, incluyendo subsidios para la compra de inversores y tarifas de alimentación, lo que ayuda a mejorar los beneficios económicos de los proyectos de inversores conectados a la red.
Compatibilidad del Sistema:
Compatibilidad con la red: El inversor debe ser compatible con el sistema de red existente, incluyendo la estructura, escala y características operativas de la red. Diferentes estructuras de red (por ejemplo, sistemas de energía TT, IT y TN) y escalas (por ejemplo, redes de baja tensión y alta tensión) tienen diferentes requisitos para los inversores, y el inversor debe ser capaz de adaptarse a estas diferencias para lograr una conexión estable a la red.
Compatibilidad del equipo: El inversor debe estar bien emparejado con el equipo de generación de energía conectado (por ejemplo, paneles solares, turbinas eólicas) para lograr una conversión eficiente de la energía. Por ejemplo, la potencia y el voltaje de salida de los paneles solares deben coincidir con los requisitos de entrada del inversor para garantizar la eficiencia y el rendimiento del sistema de generación en su totalidad.
Factores ambientales:
Adaptabilidad al entorno: El inversor debe ser capaz de adaptarse a las condiciones ambientales del sitio de instalación, como la temperatura y la humedad, para garantizar un funcionamiento estable a largo plazo. Por ejemplo, en entornos de alta temperatura, el rendimiento de disipación de calor del inversor debe ser bueno para prevenir daños por sobrecalentamiento; en entornos de alta humedad, el inversor debe tener propiedades resistentes a la humedad para evitar cortocircuitos internos.
Impacto ambiental: El diseño y funcionamiento del inversor deben considerar su impacto en el medio ambiente, como el ruido y la interferencia electromagnética. Se deben hacer esfuerzos para minimizar el ruido generado durante el funcionamiento del inversor para evitar la contaminación acústica, y se debe controlar la interferencia electromagnética para prevenir la interferencia con otros dispositivos electrónicos.
Operación y mantenimiento:
Interfaz de usuario: El inversor debe proporcionar una interfaz de usuario intuitiva para monitorear el estado del sistema y realizar los ajustes necesarios. Por ejemplo, los usuarios pueden ver los parámetros operativos del inversor (por ejemplo, voltaje de entrada/salida, corriente, potencia) y la información de alarma de fallos a través de la interfaz, y realizar ajustes básicos (por ejemplo, límites de potencia, selección de modo de operación).
Requisitos de mantenimiento: El mantenimiento del inversor debe considerar la facilidad de mantenimiento, los costos de mantenimiento y los ciclos de mantenimiento. Un inversor fácil de mantener puede reducir los costos y la dificultad del mantenimiento, mientras que un ciclo de mantenimiento razonable puede garantizar una operación estable a largo plazo. Por ejemplo, la estructura interna del inversor debe diseñarse para facilitar la inspección por parte del personal de mantenimiento, y la vida útil y los costos de reemplazo de sus componentes deben ser razonables.
V. El papel de la red en la operación del inversor conectado a la red
Proporcionando Referencia para la Operación:El voltaje, la frecuencia y otros parámetros de la red proporcionan un estándar de referencia para la operación de los inversores conectados a la red. El inversor necesita ajustar su salida basándose en el voltaje y la frecuencia de la red para que coincidan con estos parámetros. Por ejemplo, el inversor utiliza tecnologías como PLL para sincronizar la frecuencia y la fase de su salida AC con la red y hacer coincidir el voltaje, asegurando una integración suave de la energía en la red. Sin que la red proporcione estas referencias, el inversor no podría ajustar su salida de manera precisa, y la conexión normal a la red no sería posible.
Habilitando la Transmisión y Distribución de Energía:La red proporciona una plataforma para la transmisión y distribución de energía desde los inversores conectados a la red. Después de que el inversor alimente la energía AC generada por el sistema fotovoltaico a la red, esta puede transmitir dicha energía a donde se necesite, logrando una distribución generalizada. Esto permite que la energía fotovoltaica se integre en el sistema de energía más amplio, proporcionando electricidad a más usuarios. La escala y estructura de la red también influyen en los métodos de conexión y los requisitos operativos del inversor. Por ejemplo, en redes de diferentes niveles de voltaje (por ejemplo, redes de baja y alta tensión), el inversor debe cumplir con los estándares de acceso y los requisitos técnicos correspondientes para garantizar una transmisión segura y eficiente de la energía.
Garantizar la operación estable:En la red, numerosos dispositivos de generación y consumo de energía están interconectados, formando un gran sistema de energía. Este sistema tiene cierto grado de estabilidad e inercia, lo que ayuda a estabilizar la operación de los inversores conectados a la red. Por ejemplo, cuando la potencia de salida de un sistema fotovoltaico fluctúa, la red puede equilibrar estas fluctuaciones a través de sus propios mecanismos de regulación (por ejemplo, ajustando la potencia de salida de otros dispositivos de generación), reduciendo así el impacto en el inversor. Además, la red proporciona protección contra cortocircuitos y otras características de seguridad. Si ocurre una falla de cortocircuito en la salida del inversor, los dispositivos de protección de la red actuarán para evitar que la falla se agrave, protegiendo al inversor y a otro equipo.
