Curvas IV y PV en sistemas con optimizadores aplicados a strings

Con el crecimiento del mercado solar, es cada vez más necesario conocer las soluciones más diversas para proyectos fotovoltaicos. El uso de la tecnología MLPE (Electrónica de Potencia a Nivel de Módulo, que utiliza optimizadores y microinversores) ha ido en aumento. Es fundamental que las empresas integradoras se preparen para el uso de optimizadores o microinversores. Aunque no sea el enfoque actual de la empresa, siempre es importante estar a la vanguardia de las innovaciones del mercado.

Se pueden destacar algunas ventajas en proyectos con optimizadores:

• Conectar módulos de diferentes potencias o fabricantes en un mismo string;
• Conecte módulos en diferentes orientaciones en la misma cadena;
• Conecte módulos en zonas de sombra sin grandes pérdidas de energía.

El uso de optimizadores en inversores string se explica en detalle en el artículo. https://canalsolar.com.br/uso-de-otimizadores-com-inversores-de-string-em-projetos-fotovoltaicos/ , que puedes leer para complementar la información de este artículo.

El objetivo de este artículo es mostrar las curvas características de IV y PV de una cadena fotovoltaica con optimizadores. Sin embargo, esta curva de IV no es la medida por un trazador de curvas, sino la curva observada por el MPPT (Seguidor del Punto de Máxima Potencia) del inversor. Esta curva, modificada por los optimizadores, garantiza la máxima generación del sistema fotovoltaico.

Optimizadores con inversores string

Cuando se utilizan optimizadores en sistemas fotovoltaicos se pueden formar dos tipos de cadenas: completa, en la que todos los módulos tienen optimizadores, o selectiva, en la que sólo algunos módulos seleccionados recibirán un optimizador. El uso del optimizador no elimina la necesidad de un inversor de cadena. Los strings, ya sean completos o selectivos, deben conectarse al inversor de conexión a red del mismo modo que en cualquier sistema fotovoltaico.

Algunos fabricantes de optimizadores exigen que se utilice un inversor de la misma marca, mientras que otros fabricantes permiten que sus optimizadores sean compatibles con cualquier inversor string disponible en el mercado.

En este último caso, donde se pueden utilizar microinversores con inversores de diferentes marcas, existe la ventaja de prescindir del uso de optimizadores en todos los módulos, siempre que el string no esté en paralelo con otros en la misma entrada MPPT del inversor, es decir, solo se permite un string por entrada MPPT cuando no hay optimizadores en todos los módulos del string.

Esto permite una optimización selectiva, brindando a los diseñadores flexibilidad para elegir dónde se necesita la optimización. Además, es interesante poder corregir los diseños incluso después de que la generación de energía haya comenzado. Se pueden agregar optimizadores a cualquier cadena existente sin necesidad de realizar modificaciones adicionales en el sistema.

Curvas IV con sombreado o diferentes orientaciones.

El tema de las curvas IV en situaciones de sombreado (sin optimizadores) se abordó en el artículo. Comprender el efecto de las sombras parciales en los sistemas fotovoltaicosEl propósito de trazar la curva IV para sistemas con optimizadores es observar cómo el algoritmo MPPT del inversor verá la cadena.

De la misma manera que MPPT busca el punto de máxima potencia (MPP) de una curva IV tradicional, buscará el MPP de otra curva que resulte del uso de optimizadores en la cadena. De esta forma podemos tener una visión más precisa del efecto del uso de optimizadores, identificando dónde están los puntos de máxima potencia de la cuerda.

El mismo razonamiento puede utilizarse para comprender la curva IV de una cadena con módulos en diferentes orientaciones o inclinaciones. Expliquemos la transformación de las curvas IV en dos ejemplos de sistemas fotovoltaicos convencionales, sin el uso de optimizadores:

(A) Una cadena con 10 módulos (sin optimizadores) en la misma cubierta, 3 de ellos sombreados. Sistema fotovoltaico convencional, sin optimizadores.

(B) Cadena con 9 módulos (sin optimizadores), 6 para el norte y 3 para el este. Sistema fotovoltaico convencional, sin optimizadores.

Dado que las curvas IV se ven influenciadas por la irradiancia y la temperatura, variarán a lo largo del día. Para analizarlas, elegiremos dos horas del día: las 9:00 a. m. y las 12:00 p. m. La simulación se realizó con módulos de 400 Wp en la ciudad de São Paulo durante el mes de enero. Para nuestro ejemplo (A), donde tenemos una cadena de 10 módulos, con 3 sombreados, tenemos:

A partir de las curvas IV, se obtienen las curvas PV que se muestran en las Figuras 4 y 5. Tenga en cuenta que ambas curvas PV tienen dos picos. Es muy probable que el inversor funcione en los puntos de menor potencia (541 W y 773 W) en ambos momentos, ya que los algoritmos MPPT existentes en los inversores string no son capaces de diferenciar los dos picos existentes en cada una de las curvas fotovoltaicas.

Dado que el algoritmo MPPT comienza el seguimiento a partir de la tensión de circuito abierto de la cadena, en ambos momentos los picos de potencia más bajos (541 W y 773 W) son los primeros en detectarse, lo que impide que el sistema alcance los puntos de potencia más altos (1671 W y 2388 W). En el ejemplo (B), donde tenemos módulos con dos orientaciones (norte y este) conectados en serie, obtenemos un resultado similar:

En esta ocasión, aunque no hay sombreado, las curvas fotovoltaicas también presentan dos picos, pero esto no es tan problemático como en el caso anterior, ya que los puntos de mayor potencia se encuentran más a la derecha de la curva y los encontrarán los algoritmos MPPT del inversor. Como en el ejemplo anterior, un inversor string con MPPT tradicional debería operar en los picos de la derecha: 2073 W a las 9:00 y 2407 W al mediodía.

Análisis de potencia en la curva IV.

Para entender la ganancia energética del optimizador, es importante entender primero que podemos representar la potencia generada por el sistema fotovoltaico en la curva IV, como se muestra en la Figura 8. La potencia de operación del inversor está representada por el área de un rectángulo formado por los ejes X e Y y el punto de operación (MPP, punto de máxima potencia).

Usando la curva IV del ejemplo (A) al mediodía podemos ilustrar esta representación gráfica de la potencia:

La potencia generada al operar a MPP1 es igual al área del rectángulo morado: 9,47 A x 289,3 V = 2739 W. Asimismo, la potencia generada al operar a MPP2 es igual al área del rectángulo rojo: 1,87 A x 425,3 V = 794 W. Naturalmente, es preferible que el inversor opere a MPP1, pero esto no siempre sucede en inversores string sin el uso de optimizadores, como se explicó anteriormente. La mayoría de los inversores hacen que el sistema opere a MPP2, lo que resulta en una pérdida de generación.

Curva IV con sombreado y rendimiento optimizador.

Una forma de comprender el efecto del optimizador en el módulo fotovoltaico es imaginar que es un transformador conectado a la salida del módulo. El optimizador puede aumentar la corriente de salida del módulo mientras la reduce. La potencia de salida se mantiene. Solo se modifican las variables de tensión y corriente, lo que permite que el módulo sombreado sea compatible con el resto de la cadena, mejorando así el resultado del sistema fotovoltaico.

La Figura 9 ilustra el efecto de la reducción de la irradiancia solar en uno de los módulos del conjunto. Este módulo, que normalmente tendría una corriente máxima de 8 A, ahora tiene una corriente de cortocircuito de tan solo 6 A. Esto reduce la potencia máxima que puede generar. En la misma figura, podemos observar lo que ocurre al conectar el optimizador a la salida del módulo: el rango de corriente aumenta a 8 A (compatible con los demás módulos, que no están sombreados) y el rango de tensión se reduce a menos de 40 V.

Los optimizadores redimensionan la curva IV de estos módulos, aumentando su corriente y disminuyendo la tensión. Este cambio se realiza a la salida del optimizador. El inversor de cadena verá la curva modificada, en la que el módulo será compatible con el resto de la cadena. En resumen, un módulo que, en unas condiciones climáticas dadas (irradiancia y temperatura), presenta una curva IV con Isc = 6 A y Voc = 48 V, conectado en serie con otros módulos con una corriente mayor (8 A), presentará una curva IV redimensionada.

El conjunto módulo-optimizador se vuelve entonces compatible con los módulos de mayor corriente, entregando al string una curva IV con Isc = 8 A y Voc = 36 V, como se explicó anteriormente. Como resultado, los módulos de menor corriente no limitan a los de mayor corriente y no se producen múltiples puntos de máxima potencia. El inversor string podrá localizar correctamente un punto de operación mucho más alto que el que encontraría en el sistema sin un optimizador.

Ahora, veamos qué sucede con las curvas en nuestros ejemplos. Comenzando con el ejemplo (A), a las 9:00 a. m., la cadena tiene tres módulos con curvas IV de Isc = 3 A y Voc = 1,45 V, y cada optimizador modificará la curva IV para que siga la Isc de los módulos sin sombreado (46 A). La Figura 7,215 muestra el efecto del optimizador en un módulo sombreado y la Figura 11 muestra la curva IV resultante de la cadena completa.

Y la curva PV:

Es interesante observar cómo los optimizadores facilitan el funcionamiento del MPPT del inversor string, permitiéndole ver solo un pico. En este punto de funcionamiento, cada módulo genera su máximo individualmente. Al realizar el análisis de potencia, tenemos:

Observamos que con el uso de optimizadores la potencia generada es mayor que las potencias generadas en cualquiera de los picos anteriores. En lugar de generar 1.671 W o 541 W, el sistema logra generar 1831 W. Es decir, el resultado con el optimizador es superior al que se obtendría incluso si el inversor string fuera capaz de localizar MPP1.

Se aplicó la misma metodología a los demás ejemplos. Para cada uno, se generaron curvas de IV y PV para la cadena sin optimizadores y con optimizadores, y las áreas de generación en las curvas de IV para la cadena sin optimizadores y con optimizadores. Por ejemplo (A), con 3 módulos sombreados al mediodía:

Por ejemplo (B) de una cadena con módulos en dos orientaciones a las 9:00 am, cuando la irradiancia en el techo Este es mayor que la irradiancia en el techo Norte:

Por ejemplo (B) al mediodía cuando la irradiancia recibida por los módulos del Norte es mayor que la irradiancia recibida por los módulos del Este:

Conclusión

El uso de optimizadores proporciona flexibilidad al diseñador, aumentando sus posibilidades en la configuración de sistemas fotovoltaicos y la potencia máxima que se puede extraer de las cadenas fotovoltaicas en condiciones adversas (sombreado, diferentes orientaciones de los módulos). Con optimizadores de potencia utilizados de forma integral o selectiva (solo en los módulos problemáticos), se abre un abanico de posibilidades, como:

• ampliar cadenas antiguas con módulos de diferentes potencias;
• conectar módulos de tejados pequeños en serie con módulos de otros tejados;
• emplear inversores con un número menor de entradas MPPT;
• utilizar el mismo MPPT en más de una orientación o inclinación o maximizar el aprovechamiento del techo del cliente conectando módulos en zonas que sufren de sombras.

Las curvas características “vistas” por el inversor muestran cómo funciona la tecnología de optimización para inversores string. Se facilita el seguimiento del punto de máxima potencia mediante el algoritmo MPPT y esta tecnología garantiza la máxima eficiencia del sistema fotovoltaico.