Inversores

CÓMO LOGRAR QUE LOS INVERSORES SOLARES MONOFÁSICOS SEAN MÁS PEQUEÑOS, BARATOS Y SEGUROS

Las nuevas tecnologías permiten que los inversores fotovoltaicos (FV) conmuten a frecuencias cada vez más elevadas y como consecuencia de ello son mucho más pequeños y ligeros. La competencia internacional y la eliminación de las subvenciones para las nuevas instalaciones generan una fuerte presión sobre su coste.

Los transductores de corriente utilizados en inversores FV deben seguir estas tendencias: deben ocupar poco espacio y ofrecer unas prestaciones equivalentes o mejores a un menor coste si se comparan con los transductores a los que sustituyen. Las instalaciones FV suelen utilizar transductores de corriente en tres puntos. Uno de ellos se encuentra en el lado de CC para el sistema de seguimiento del punto de máxima potencia (maximum power point tracking, MPPT). Los otros dos se hallan en el lado de CA: el primero para definir los parámetros de la forma de onda de la corriente de salida y el segundo por razones de seguridad para medir la corriente residual (Residual Current Measurement, RCM) a la salida, la cual es generada por fugas a tierra que pueden provocar el apagado del sistema en caso necesario. Este artículo presenta un nuevo transductor compacto y especialmente diseñado para medir la corriente residual.

1. INTRODUCCIÓN

La Figura 1 muestra los principales componentes que rodean al inversor en un sistema FV utilizado habitualmente en instalaciones residenciales de hasta 20kW aproximadamente. Se pueden combinar varios inversores de este tipo para obtener la instalación completa, que está conectada a la red eléctrica a través de contadores.



Figura 2. Tensiones y corrientes residuales en la instalación FV.

Durante la pasada década se han incorporado nuevos MOSFET de silicio a los inversores y en el futuro los MOSFET basados en SiC y GaN empezarán a sustituir a los que emplean silicio. Esto permite aumentar la frecuencia de conmutación, lo cual a su vez implica reducir el valor de los componentes reactivos (inductores, condensadores), y por tanto que sean de menores dimensiones. Un inversor de 2kW disponible en 2010 con un peso de 20 kg, según la ficha técnica del fabricante, se vio reemplazado en 2016 por un modelo cuyo peso es inferior a 10 kg. Para que los transductores de corriente utilizados como dispositivos de medida en un sistema FV sigan representando una parte insignificante del espacio total y del peso, su tamaño también se debe reducir sin que ello afecte a sus prestaciones. De forma parecida, su coste también se debe reducir para seguir la tendencia descendente del sistema inversor en su conjunto.

La figura muestra 3 transductores de corriente de LEM y todos ellos contienen ASIC CMOS propietarios a medida con células Hall totalmente integradas. En el lado de CC del inversor se halla un GO en lazo abierto; en el lado de CA, un LPSR en lazo cerrado para el sistema de control del inversor y a la salida un LDSR, un nuevo transductor diferencial para RCM, también en lazo cerrado. (Para una explicación detallada de los transductores de efecto Hall en lazo abierto y cerrado, ver Referencia (1)

La figura 2 ilustra las formas de onda de la tensión en los lados de CC y CA del inversor. Obsérvese que en un sistema sin transformador el “lado de CC” de hecho tiene una tensión CC correspondiente a la salida de las células fotovoltaicas entre los nodos PV+ y PV- (es posible que se haya de incrementar con un convertidor CC/CC) pero cada nodo FV también tiene una tensión CA cuyo valor de pico es similar al pico de la tensión de salida en el lado de CA. Si no se tiene en cuenta a nivel del sistema, esto representa un grave problema de seguridad.

2. Medida de la corriente residual para seguridad.

Los nodos PV+ y PV- de la figura 1 tienen un gran tamaño en un sistema FV típico. La tensión media en cada nodo, referida a la toma de tierra, equivale a la mitad de la tensión en las células FV pero a ella se suma una tensión CA cuyo valor de pico es similar al de las células. Si una persona tocara los nodos PV+ o PV- (o, en general, cualquier nodo en el lado CC del inversor) circulará una corriente de fuga entre el sistema y la persona y hasta la toma de tierra. Dado que hay un solo nodo en el sistema cuyo potencial se mantiene a nivel de la toma de tierra, el nodo N a la salida, esta fuga debe volver al sistema a través del nodo N y provocará un desequilibrio de la corriente CC, o corriente residual, entre las salidas L y N. Esta corriente residual se debe detectar para permitir que el sistema responda con la máxima rapidez para proteger a la persona que ha provocado la circulación de la corriente residual. Entre las dificultades que entraña la RCM se pueden destacar las siguientes:
i) El valor absoluto de la corriente a detectar es bajo, del orden de algunas decenas de mA, y por tantos los offsets del transductor deben ser suficientemente bajos para detectar este nivel de corriente;
ii) La corriente CA a la salida tiene un valor entre cero y decenas de A, y la corriente residual se debe detectar en su presencia;
iii) La capacidad entre los paneles FV y tierra significa que siempre hay una corriente que circula hasta la toma de tierra y el objetivo del sistema es distinguirlas respecto de una corriente añadida provocada por un peligroso contacto humano.
La figura 2 indica la ruta de la corriente de fuga en un sistema inversor simplificado con el nuevo transductor LDSR de LEM utilizado para RCM.

De los tres puntos citados anteriormente, (i) y (ii) se han logrado con LDSR gracias a un diseño especial para RCM, mientras que (iii) se consigue aplicando un algoritmo de procesamiento de señal a la salida del transductor.

La figura 3 muestra la estructura básica de RCM: un ASIC con célula Hall similar al utilizado en el transductor LPSR ocupa el centro de un transductor en lazo cerrado. Las corrientes CA I1 e I2 se cancelan y la baja corriente residual se detecta por medio del ASIC de célula Hall y se compensa en el devanado secundario, que tiene muchas menos vueltas que el LPSR ya que la corriente a detectar es mucho más baja.
Figura 3: Principio de funcionamiento de RCM basado en la tecnología de lazo cerrado de efecto Hall.

El análisis detallado del efecto de la posición de los conductores primarios en la figura 3 indica que la cancelación de I1 e I2 no es perfecta y el campo magnético residual en el entrehierro depende de su posición. Por tanto, se decidió por establecer las posiciones del primario con exactitud y para ello se optó por una placa de circuito impreso multicapa dentro del transductor. Además, para RCM solo hacen falta unas pocas decenas de vueltas en la bobina secundaria, lo cual significa que también se pueden grabar en una placa de circuito impreso. De esta forma se diseña un innovador sensor cuya construcción es mucho más sencilla que en otros sensores de lazo cerrado. La disponibilidad de los sensores primarios en una placa de circuito impreso limita la corriente máxima en el primario pero el valor factible de 35 A en cada conductor es más que suficiente para instalaciones domésticas.

Con el fin de realizar pruebas se devana una bobina adicional en la placa de circuito impreso del ASIC de forma concéntrica al circuito secundario. Esto resulta útil para realizar pruebas del sistema: la corriente que lo atraviesa proporcionará una salida del transductor de la misma manera que la diferencia de corriente entre los primarios.

Al igual que el transductor LPSR, el ASIC está diseñado para que su offset sea mínimo y el offset referido a la corriente de entrada se reduce colocando un orificio en la placa de circuito impreso bajo el ASIC, haciendo así que el entrehierro sea lo más pequeño posible en el circuito magnético.

Debido a la alta sensibilidad del LDSR se coloca un blindaje magnético alrededor del ASIC y el entrehierro.

La Figura 4 muestra una fotografía del transductor LDSR.

 



En general, las corrientes de fuga detectadas por el LDSR tendrán un componente de CA y CC y cada usuario utilizará un determinado algoritmo en la salida del transductor para determinar cuándo es “excesiva” una fuga, así como para tomar las medidas oportunas. Un caso especialmente difícil tiene lugar cuando existe un gran componente de fuga de CA natural y variable (dependiendo de la humedad ambiental, por ejemplo) debido a las capacidades parásitas y se deba detectar el mayor nivel de fuga provocado por una persona que toca el lado de CC. La impedancia que presenta una persona es altamente resistiva por lo que, de acuerdo con la Figura 5, la corriente añadida que circula es prácticamente igual respecto al valor eficaz de la corriente de fuga; el principal efecto es el cambio de fase.


Figura 5: Efecto tras añadir una ruta resistiva a la fuga.

También existe, desde luego, un ruido que se suma a las corrientes reales e imaginarias de la figura 5. En el caso de que solo haya una frecuencia conocida se debe analizar en una forma de onda muestreada, el algoritmo Goertzel resulta muy eficiente. En la figura 6 se añade una corriente “de fuga de una persona” a de 30mA rms a una corriente de “fuga capacitiva” de 300mA rms con 7,5mArms de ruido al cabo de 0,1 s. El efecto visible sobre la corriente de fuga total es bastante invisible, pero tras el tratamiento con el algoritmo Goertzel se recupera fácilmente la corriente hasta 30mA y si este valor supera un valor umbral previamente definido se pueden tomar las medidas oportunas a nivel de sistema.

Figura 6. Simulación de corriente residual durante un fallo y salida del algoritmo Goertzel.


Conclusión

Este artículo recurre al ejemplo de las instalaciones fotovoltaicas para mostrar los recientes avances que han experimentado los transductores de corriente de LEM para medir la corriente residual. Su tamaño y su coste se han visto reducidos al tiempo que sus prestaciones se mantienen o mejoran. Los transductores ahora están diseñados sin el componente de inducción magnética anteriormente necesario. Esta innovación es posible porque se ha trasladado la complejidad de diseño del transductor a los ASIC de efecto Hall a medida que utilizan.

Referencia (1): https://www.lem.com/en/file/3139/download

 

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