Superar los Retos de diseño del sistema de energía en sistemas fotovoltaicos de 1500 VCC

Por David Carroll, Director of Product Management at CUI Inc.

El aumento de la eficiencia energética es esencial para garantizar la viabilidad financiera de la generación de energía fotovoltaica. Pasar a cadenas más grandes de celdas para aumentar el voltaje de funcionamiento de CC puede reducir las pérdidas de I2R y ahorrar los costos de implementación, pero desafía el diseño de las fuentes auxiliares que proporcionan energía a los circuitos de monitoreo y control.

Expandir el mercado solar

Si bien los subsidios gubernamentales para la generación de energía fotovoltaica (PV) tienden a ir y venir, la capacidad instalada sigue aumentando. Desde una base de 178 GW en 2014, se pronostica que la capacidad global llegará a 540 GW en 2019. Europa tiene la mayor participación, se prevé que alcance los 158 GW en 2019, aunque el crecimiento es más rápido en otros países como China y los Estados Unidos, donde se espera que la capacidad instalada aumente cuatro y tres veces, respectivamente, en el mismo período. Una industria solar exitosa también es buena desde un punto de vista económico. En 2014, empleó directamente a unos 55 millones de personas.

Si la generación de energía PV está a la altura de estas predicciones y crece aún más, el costo en términos de dólares por vatio debe seguir reduciéndose. Una barrera es la eficiencia generalmente baja de los propios paneles. Las células monocristalinas más eficientes de la actualidad operan con una eficiencia de alrededor del 25 %, y esto ya está cerca del máximo teórico de la tecnología.

Elevar el voltaje de funcionamiento para ahorrar energía

Claramente, cada joule cosechado de los rayos del sol es valioso. La gestión de energía frugal es esencial para minimizar las pérdidas en cada parte del sistema, desde la salida de CC de los módulos solares hasta la alimentación de CA a la red (Figura 1). La conexión de varios módulos en serie para producir una salida de CC de alto voltaje ayuda a reducir la corriente y, por lo tanto, a reducir las pérdidas de I2R entre las matrices fotovoltaicas y el inversor. Es bastante común que los sistemas conectados a la red operen a 1000 VCC. Un sistema típico comprende 22 módulos conectados en serie para crear una cadena. Cada módulo contiene 90 celdas para producir un voltaje de salida de aproximadamente 45 V. Tal cadena podría generar una potencia máxima de 5.5 kW, lo que permite una instalación de 15 MW, por ejemplo, para ser configurado mediante la combinación de 2727 cadenas.

Imagen de las funciones clave de un generador PV conectado a la red de varios MW

Figura 1: Funciones clave de un generador PV conectado a la red de varios MW. (Fuente de la imagen: CUI, Inc.)

Al aumentar el número de módulos por cadena para elevar el voltaje de salida a 1500 VCC, la corriente máxima que ingresa a cada conexión podría reducirse aún más al 66.6 % del valor, a 1000 VCC. Las pérdidas por cable resistivo serían aún menores, a solo el 44.4 % del valor anterior. Esto brinda a los diseñadores de sistemas una mayor flexibilidad para aumentar la eficiencia energética, así como menores costos de instalación al reducir el tamaño de los cables y especificar conectores más pequeños. Además, se necesitan menos cadenas para lograr una potencia de salida determinada, lo que reduce el número de cajas de conexiones requeridas. Suponiendo que cada caja maneje 20 cadenas, una instalación de 15 MW requeriría solo 94 cajas en comparación con 137 a 1000 VCC: una reducción del 31 %. La investigación de GTM ha calculado que el diseño de una planta de 10 MW para operar a 1500 VCC reduce los costos de implementación en alrededor de 400 mil dólares en comparación con un sistema de 1000 VCC (Figura 2).

Imagen de un ahorro potencial de implementación a 10 MW al pasar de 1000 V a 1500 V

Figura 2: Ahorro potencial de implementación de 10 MW al pasar de 1000 V a 1500 V. (Fuente de imagen: CUI, Inc.)

Retos de diseño a 1500 V

Estos posibles ahorros en costos y ganancias de eficiencia son ciertamente atractivos, pero se debe mejorar el aislamiento en todo el sistema, y las cajas de conexiones y el inversor también deben ser capaces de operar a un voltaje mayor. Afortunadamente, los inversores adecuados ya están en el mercado, y algunos de estos productos se basan en los últimos semiconductores de banda prohibida ancha, que ofrecen una mayor eficiencia que las alternativas basadas en el silicio.

Sin embargo, otro aspecto importante en el diseño de los sistemas de 1500 VCC es el hecho de que estas conexiones e inversores FV necesitan derivar su propia fuente de bajo voltaje de la línea de 1500 VCC, para proporcionar energía a los circuitos de monitoreo y control. Los pequeños convertidores CC a CC que pueden proporcionar esto no están fácilmente disponibles con un rango de voltaje de entrada lo suficientemente amplio como para funcionar a 1500 VCC, al tiempo que también son capaces de manejar caídas en el voltaje de salida de la cadena que llega tan bajo como 200 VCC. Esto requiere un rango de entrada de al menos 7.5:1, que no es una especificación común.

La Figura 3 ilustra la arquitectura de energía de una unidad de conexión solar que contiene un convertidor de CC a CC de entrada amplia con una salida de 24 VCC, que se utiliza para suministrar módulos de comunicaciones y procesamiento/detección a través de convertidores adicionales aislados y no aislados. Se necesita un aislamiento de seguridad totalmente reforzado para el convertidor CC a CC de alto voltaje principal, normalmente especificado como 4000 VCA.

Diagrama de la arquitectura interna de energía de la caja de conexiones solar

Figura 3: Arquitectura interna de energía de la caja de conexiones solar (Fuente de la imagen: CUI, Inc.)

Consideraciones de seguridad

En cuanto a la seguridad, la norma aplicable es IEC 62109-1, "Seguridad de los convertidores de energía para uso en sistemas de energía fotovoltaica", que es relevante para sistemas de hasta 1500 VCC. La parte 1 de la norma especifica los requisitos generales, y la parte 2 define los requisitos específicos para los inversores. El alcance de IEC 62109-1 abarca el diseño y los métodos de construcción para garantizar la protección contra descargas eléctricas, riesgos mecánicos, altas temperaturas, incendios, riesgos químicos y otros peligros potenciales.

La norma también incluye una referencia a IEC 60664, "Coordinación de aislamiento para equipos dentro de sistemas de bajo voltaje". Es importante que los convertidores CC a CC cumplan con el requisito de las pruebas para verificar la ausencia de descarga parcial, lo que puede ocurrir cuando los microvoides en el aislamiento se descomponen a altos voltajes, lo que conduce a la degradación y, finalmente, al fallo. Las pruebas son muy relevantes para voltajes de funcionamiento de 1500 VCC y requieren una construcción especial de la barrera de aislamiento del convertidor CC a CC.

Los requisitos de aislamiento de IEC 62109-1 dependen del voltaje del sistema, la categoría de sobretensión (OV, por sus siglas en inglés) de instalación y el grado de contaminación (PD, por sus siglas en inglés) del entorno. La categoría II de OV se utiliza para los circuitos del panel PV en sistemas con un bus de 1500 VCC, con una resistencia de impulso mínima de 6000 V. Para la etapa del inversor conectado a la red, se utiliza OV III y el requisito de resistencia de impulso es de 8000 V.

Como una aplicación de grado industrial con alguna protección ambiental, el equipo está sujeto a PD 2. Esto permite solo la contaminación no conductiva con condensación ocasional. IEC 62109-1 contiene muchas especificaciones adicionales que se deben considerar.

Además, la norma UL 1741 es aplicable en los Estados Unidos. Esto cubre la aplicación más general de "Recursos energéticos distribuidos" e incluye los requisitos para "convertidores y controladores".

Nueva topología de energía auxiliar

Estas normas imponen requisitos de rendimiento específicos a los convertidores CC a CC auxiliares que trabajan en este entorno. El rango de entrada muy amplio y el alto voltaje de entrada máximo son extremadamente difíciles para las topologías estándar de convertidor de retroceso o directo. Se necesita una topología más compleja para limitar las tensiones en los componentes en presencia de voltajes y tensiones máximas internas extremadamente altas que pueden surgir a medida que se varía el ancho del pulso para regular la salida.

La protección también es extremadamente importante, para garantizar que los convertidores puedan continuar operando a pesar de las frecuentes "bajadas de tensión", ya que la entrada desciende por debajo del valor mínimo cuando los niveles de iluminación son bajos o si los paneles están en la sombra. Se debe evitar que estas y otras condiciones de falla que puedan ocurrir en una instalación remota, como sobrevoltajes, cortocircuitos o sobretensiones, dañen el convertidor. Los convertidores también deben ser capaces de soportar altas temperaturas de funcionamiento, ya que los sistemas FV se ubican preferiblemente a pleno sol para maximizar el potencial de recolección de energía. También es importante cumplir con las clasificaciones de aislamiento especificadas por la agencia.

Teniendo en cuenta los efectos combinados de todos estos retos individuales, diseñar un convertidor CC a CC de entrada amplia de 1500 VCC para aplicaciones FV no es una tarea trivial.

CUI ha lanzado recientemente la serie AE de convertidores CC a CC para aplicaciones PV que funcionan a 1500 VCC (Figura 4). Estos están diseñados para manejar el rango de entrada de 200 a 1500 VCC que se necesita para el uso en fuentes de alimentación solar auxiliares y están disponibles en potencias de salida de 5, 10, 15 o 40 W. Las opciones de voltaje de salida son 5, 9, 12, 15 o 24 VCC. Los convertidores están aprobados para EN 62109-1, la versión europea de IEC 62109-1, con aislamiento de 4000 VCA y funcionamiento nominal de hasta 5000 metros de altitud. Algunos modelos también cumplen con UL 1741. Se encuentra disponible una variedad de formatos de montaje en tablero encapsulado, montaje en chasis o riel DIN, y los convertidores pueden operar hasta 70 °C sin reducción de potencia.

Imagen de la serie AE de los convertidores de CC a CC de CUI

Figura 4: La serie AE de convertidores CC a CC de CUI funciona con un voltaje de entrada de 200 a 1500 VCC. (Fuente de la imagen: CUI, Inc.)

Alimentación auxiliar de implementación para sistemas PV de 1500 VCC.

Maximizar la eficiencia de conversión de energía es el objetivo más importante al diseñar sistemas industriales de generación PV para instalaciones hasta el nivel de GW. El aumento del voltaje de salida de la matriz solar a 1500 VCC es compatible con este objetivo, aunque se necesita un control y monitoreo completos para lograr el mejor rendimiento. Las fuentes de alimentación auxiliares utilizadas para mantener estas funciones deben cumplir con las normas de confiabilidad y seguridad, mientras que al mismo tiempo pueden operar desde un voltaje de entrada que puede variar ampliamente desde apenas 200 VCC hasta 1500 VCC. La última generación de convertidores CC a CC de CUI concebidos para satisfacer estos retos presenta una solución de implementación para los diseñadores e integradores de sistemas PV. Para obtener más información sobre la serie AE de CUI, visite la página de los aspectos destacados del producto Convertidores CC a CC para aplicaciones de energía renovable de Digi-Key.

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Acerca de este autor

David Carroll, Director of Product Management at CUI Inc.