O inversor es un dispositivo esencial para conversión AC/DC y monitorización de la red eléctrica en sistemas de generación de energía fotovoltaica. Sin embargo, posibles arcos eléctricos de corriente continua (CC) pueden causar daños a los componentes y representar un riesgo de incendio.
Este artículo presenta una solución de protección basada em pruebas de laboratorio que monitorean y analizan los arcos eléctricos DC, con el fin de proteger el sistema fotovoltaico y garantizar la seguridad humana.
Los resultados de las pruebas muestran que esto solución lata mejorar efectivamente a confiabilidad del inversor y del seguridad de los operadores, con el fin de evitar daños a los equipos del sistema, a la propiedad local y, principalmente, prevenir accidentes causados por arcos eléctricos DC.
Contexto
Según los datos más actuales, la capacidad fotovoltaica instalada a nivel mundial fue de aproximadamente 240 GW en 2022, con una capacidad instalada acumulada de 1,2 TW en todo el mundo. Como uno de los dispositivos centrales del sistema fotovoltaico, los inversores están experimentando constantes actualizaciones e innovaciones tecnológicas con la continua maduración y desarrollo del mercado fotovoltaico. El aumento de la fiabilidad de los inversores es una tendencia importante en el desarrollo de la tecnología de conversión y tiene un impacto crucial en la generación de energía y la seguridad de los sistemas fotovoltaicos.
Durante el funcionamiento del sistema fotovoltaico, el arco eléctrico de CC representa un riesgo grave para la seguridad de la planta y ha recibido una atención cada vez mayor en aplicaciones prácticas. Las estadísticas muestran que la mayoría de los incendios en plantas fotovoltaicas son causados por arcos eléctricos de CC. Esto demuestra aún más la importancia de fortalecer el monitoreo de seguridad y la protección del arco de CC en el sistema fotovoltaico.
Actualmente, no existe una solución unificada o una política regulatoria internacional para la regulación y formulación de estándares para las pruebas de falla de arco de CC en sistemas fotovoltaicos. Estados Unidos fue el primer país en comenzar a investigar y desarrollar estándares para problemas de incendios en sistemas fotovoltaicos. UL (Underwriters Laboratories) emitió por primera vez el estándar UL Outline en 2011 y lo ha actualizado varias veces.
La última versión es UL 1699B-2018. Esta norma especifica los requisitos de prueba e indicadores de rendimiento para dispositivos de protección contra fallas de arco (AFCI) en sistemas fotovoltaicos. La edición de 2017 del Código Eléctrico Nacional (NEC) introdujo requisitos para los AFCI por primera vez, estipulando que los dispositivos AFCI que cumplan con el estándar UL 1699B deben instalarse en circuitos de CC de sistemas fotovoltaicos.
Además, las especificaciones de instalación de sistemas fotovoltaicos en varios países europeos han aumentado gradualmente los requisitos para la introducción de AFCI basados en la norma IEC 63027. Con el creciente énfasis en la seguridad operativa de las plantas fotovoltaicas, la tecnología de prueba y protección contra fallas de arco CC en. Los sistemas fotovoltaicos se han convertido en un requisito a seguir por los fabricantes de inversores.
Por lo tanto, desarrollar una solución eficaz de prueba de falla de arco CC para evaluar y desarrollar inversores, con el objetivo de mejorar la confiabilidad y seguridad de los sistemas fotovoltaicos, se ha convertido en uno de los campos de investigación más relevantes actualmente en el sector.
Análisis teorico
Formación de arcos eléctricos.
El arco eléctrico se refiere a un fenómeno luminiscente producido por la descarga de aire ionizado al romper la rigidez dieléctrica entre dos conductores con diferencia de potencial, cuando la distancia entre ellos es relativamente pequeña. Cuando se interrumpe la corriente suministrada por el sistema fotovoltaico, como por ejemplo en un sistema de conmutación, la alta tensión entre los conductores producirá un arco eléctrico capaz de emitir un calor intenso y alcanzar altas temperaturas.
Aunque los conductores estén desconectados en este punto, la corriente seguirá fluyendo a través del arco eléctrico entre ellos. Debido a la característica de corriente constante en el lado de CC, es difícil extinguir el arco eléctrico una vez formado. El arco eléctrico sólo desaparecerá cuando la distancia entre los conductores sea suficientemente larga o cuando se detenga el flujo de corriente por el circuito. Una forma eficaz de extinguir los arcos CC en sistemas fotovoltaicos es precisamente interrumpir el flujo de corriente por el circuito.
Clasificación de arcos eléctricos.
Los arcos eléctricos en sistemas fotovoltaicos se pueden dividir en tres tipos: arco en serie, arco en paralelo y arco de tierra.
Arco de la serie
Ocurre en cables DC de un mismo circuito por los que circula corriente, generalmente por pequeños espaciamientos entre conectores sueltos o mal engarzados.
Arco paralelo
Ocurre entre los polos positivo y negativo de una matriz o dispositivo, generalmente debido a cables dañados o conexiones sueltas dentro de cajas de cadenas u otros puntos del circuito.
Inclínate a la tierra
Ocurre entre cables positivos o negativos y componentes conectados directamente a tierra. En la mayoría de los casos, esto sucede debido a un aislamiento del conductor defectuoso o dañado.
Los sistemas fotovoltaicos tienen algunas características inherentes que hacen que sea más probable que se produzcan arcos en serie de CC, como alto voltaje de CC, entornos de instalación al aire libre, etc. Debido a la elevada tensión eléctrica de corriente continua, los sistemas fotovoltaicos son muy propensos a sufrir arcos eléctricos en serie.
Los arcos CC en sistemas fotovoltaicos tienen las siguientes características:
El arco eléctrico es un fenómeno de descarga de alta potencia. Acompañado del arco, una gran cantidad de energía eléctrica se convierte en energía térmica, provocando temperaturas extremadamente altas en sus proximidades.
El arco eléctrico es un fenómeno de descarga autosostenida, puede mantener estable su combustión por un largo período sin extinguirse y no necesariamente sólo en condiciones de alta corriente o alto voltaje.
El arco es un plasma muy ligero. El flujo de gas en la región del arco, incluida la convección natural y el campo magnético generado por el entorno externo e incluso la propia corriente del arco, pueden provocar que la apariencia física del arco se remodele con frecuencia.
La intensidad del arco aumenta al aumentar el voltaje, la corriente y el espaciamiento, mientras que la estabilidad disminuye al aumentar el espaciamiento. La curva característica del arco se muestra en la siguiente figura.
La mayoría de los sistemas fotovoltaicos actuales están diseñados en base a voltajes de 600Vdc a 1500Vdc, utilizándose generalmente módulos de alta corriente de 182/210mm, todos funcionando a corrientes de 14A o superiores. Por lo tanto, una vez generado el arco eléctrico, existe una alta probabilidad de que surjan llamas abiertas que provoquen un incendio.
Normas relacionadas
Actualmente, los principales estándares internacionales para AFCI en sistemas fotovoltaicos incluyen:
Estándar de esquema UL: El estándar UL Outline fue emitido por primera vez por UL en 2011 y posteriormente actualizado UL 1699B: varias veces. La versión más reciente es UL 1699B-2018. Esta norma especifica los requisitos de prueba e indicadores de rendimiento para dispositivos de protección contra fallas de arco (AFCI) en sistemas fotovoltaicos.
Norma IEC 63027: el estándar internacional desarrollado por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) en 2017, que especifica los requisitos de rendimiento finales para AFCI en sistemas de generación de energía fotovoltaica.
Estándar AS/NZS O 5033: La norma emitida por Australia y Nueva Zelanda por primera vez en 2019, bajo el código AS/NZS 5033:2019, especifica los requisitos funcionales y los métodos de prueba para AFCI en sistemas fotovoltaicos.
NE C 2017 Sección 690.11: La edición de 2017 del Código Eléctrico Nacional (NEC) introdujo requisitos para AFCI por primera vez, estipulando que los dispositivos AFCI que cumplan con el estándar UL 1699B deben instalarse en circuitos de CC de sistemas fotovoltaicos.
Norma CSA C22.2 N° 293: Norma de seguridad para sistemas fotovoltaicos emitida por el Grupo CSA de Canadá. Desde la edición de 2019, ha incorporado los requisitos funcionales y las disposiciones de prueba de los dispositivos AFCI, requiriendo referencia al estándar UL 1699B.
Además, las especificaciones para la instalación de sistemas fotovoltaicos en varios países europeos han ido incrementando progresivamente la introducción de AFCI en los requisitos, en referencia a la norma IEC 63027.
En resumen, UL 1699B e IEC 63027 son actualmente los dos principales estándares internacionales relacionados con la detección y protección de AFCI. Tienen alta consistencia en la definición de funciones AFCI, requisitos técnicos, métodos de prueba, entre otros. Las normas de otros países y regiones a menudo hacen referencia a estas dos normas. Esto ayuda a promover la interoperabilidad y la internacionalización de la tecnología y los productos AFCI.
Los requisitos específicos para parámetros clave varían entre los diferentes estándares AFCI. En comparación, el estándar UL 1699 tiene los requisitos más estrictos y detallados para el rendimiento y la tecnología de AFCI. IEC 63027 esencialmente adoptó la regla de UL 1699, pero deja abiertos algunos requisitos numéricos específicos. AS/NZS 5033 se refiere principalmente a los requisitos técnicos de UL 1699, pero no requiere niveles de productos de alta tecnología y se centra más en productos AFCI básicos. Algunos de los principales parámetros del estándar UL1699B más estricto son los siguientes:
En general, todos estos requisitos proponen características mínimas de los dispositivos AFCI, como velocidad de respuesta, sensibilidad de detección y rango de protección. Esto fomenta la mejora de la tecnología AFCI y optimiza el rendimiento de los productos seguros del sector.
Solución
Cuando hay daños (en el marco del módulo, aislamiento de cables, conectores CC, etc.) que provocan la aparición de un arco eléctrico en cualquier posición del lado CC, según la Ley de Joule, el efecto térmico en el punto de cortocircuito es directamente proporcional al cuadrado de la corriente, por lo que cuanto mayor sea la corriente, mayor será el riesgo de incendio.
Por tanto, una forma eficaz de reducir este riesgo es desconectar el inversor de la red CA, deteniendo la conversión de CC a CA y, en consecuencia, deteniendo el flujo de corriente en los conjuntos fotovoltaicos y el arco eléctrico. En inversores con dispositivos AFCI, la desconexión de la red AC la realiza automáticamente el inversor cuando entra en modo fallo, dejando de realizar la conversión.
¿Cómo identificar fallas de arco?
En consecuencia, la clave para la función de protección contra arco eléctrico de CC en sistemas fotovoltaicos es identificar la característica de la corriente de arco eléctrico y detener rápidamente el flujo de corriente CC en los conjuntos fotovoltaicos.
Básicamente, un arco eléctrico se produce cuando la rigidez dieléctrica de un gas se rompe debido a un fuerte campo eléctrico entre conductores, formando un plasma continuo que produce intensa radiación ultravioleta y calor intenso. Los mecanismos y ubicaciones de posibles apariciones de arco eléctrico en sistemas fotovoltaicos son diversos. Por lo tanto, la característica actual de un arco eléctrico generalmente se identifica mediante medición y uso de métodos de análisis espectral.
Debido a la ionización del aire durante el arco eléctrico, el plasma estará en un estado desordenado y la corriente que fluye a través del arco tendrá fuertes fluctuaciones. Esta corriente altamente volátil produce una banda muy amplia de ruido en el espectrograma, conocida como “ruido blanco” en el análisis espectral, mientras que la corriente continua normal sin interferencias muestra un estado relativamente estable.
Como se muestra en la figura siguiente, el espectro de corriente continua normal solo muestra la frecuencia de conmutación del inversor cuando no hay arco eléctrico. Sin embargo, aparecerá una cierta “frecuencia de ruido” desde el momento en que aparece el arco eléctrico, y se generará una “frecuencia de ruido” aún más desordenada durante el arco eléctrico continuo.
Cuando el inversor está funcionando con la función de protección contra arco eléctrico activada, prueba la corriente de entrada de cada cadena en tiempo real. Al identificar una curva característica de un arco eléctrico (como se muestra arriba), el inversor entra automáticamente en modo de falla, se desconecta de la red de CA e informa un error en el sistema de monitoreo. En consecuencia, se detiene el flujo de corriente en el lado de CC y el arco eléctrico se extingue a tiempo y de forma segura.
Características Técnicas
Desde sus inicios, GoodWe se ha centrado en cuestiones de seguridad para plantas de energía solar fotovoltaica y busca mejorar continuamente la tecnología AFCI, incluidos algoritmos y pruebas de precisión. Después de varios cambios tecnológicos, ha habido un avance significativo en las funciones de identificación de arco eléctrico CC integradas en los inversores GoodWe, y recientemente se lanzó una nueva generación de tecnología AFCI, llamada AFCI 3.0.
Inteligencia artificial integrada con aprendizaje profundo
A diferencia de la solución tradicional, donde los algoritmos de identificación de arco y los ajustes de umbral se basan en datos teóricos, AFCI de GoodWe calcula y analiza datos en masa, aprendiendo de las características de los arcos reales que ocurren en el campo y formando una biblioteca de comportamiento de los arcos. Con ello se pretende eliminar las falsas alertas provocadas por el ruido ambiental. La inteligencia incorporada incluye aprendizaje profundo, lo que permite que el sistema aprenda automáticamente y mejore continuamente los espectros encontrados en la práctica, adaptándose a diferentes escenarios.
Potente capacidad de adquisición de datos
El AFCI de GoodWe tiene un sensor específico para arcos de CC, que proporciona una gran precisión en la adquisición de datos sobre las características de los arcos encontrados en la práctica. Una vez que se identifica el arco, se informa rápidamente al chip, lo que permite una respuesta rápida y eficiente.
Adaptables y flexibles
Cumpliendo con los diferentes requisitos de longitud de cable y corriente operativa de los módulos fotovoltaicos de alta potencia utilizados en grandes plantas de energía, el AFCI de GoodWe tiene una detección de amplio rango y es capaz de detener el flujo de corriente en unos pocos milisegundos, superando significativamente el rendimiento mínimo requerido por UL 1699B.
control de rendimiento
Para evaluar con precisión el nivel de rendimiento de la tecnología AFCI 3.0 de GoodWe, el certificador TÜV Rheinland creó un equipo de verificación para llevar a cabo una validación exhaustiva de las tecnologías aplicadas por GoodWe en sus equipos. El proceso de evaluación utilizado se presenta a continuación.
Análisis de las demandas de aplicación de AFCI.
Contenidos evaluados: evaluar si los escenarios de aplicación son completos y si las aplicaciones de cada escenario son adecuadas y satisfacen las necesidades prácticas reales del sector fotovoltaico.
Método de evaluación: valoración documental.
Evaluación del mecanismo ICFA
Contenidos evaluados: evaluar si la solución técnica cumple con los requisitos previstos para el escenario y si los indicadores de desempeño demuestran avance tecnológico.
Método de evaluación: evaluación documental + ensayos y verificación realizados en laboratorio.
Comprobación de rendimiento del AFCI
Contenidos evaluados: distancia de detección de arco, corriente máxima de entrada, energía detectada, tiempo de apagado y corriente máxima de operación.
Método de verificación: testificación, prueba y verificación en laboratorio e in situ.
Evaluación exhaustiva de los resultados.
Contenidos evaluados: distancia de detección de arco, corriente máxima de entrada, energía detectada, tiempo de apagado y corriente máxima de operación.
Método de verificación: testificación, prueba y verificación en laboratorio e in situ.
Evaluación de demandas de aplicaciones y soluciones técnicas.
GoodWe aplica principalmente tecnología AFCI en productos para sistemas fotovoltaicos residenciales, comerciales e industriales (C&I), con escenarios de uso claros y de conformidad con las políticas y estándares locales.
Durante las pruebas, GoodWe demostró indicadores técnicos adecuados y soluciones eficientes.
A través de la revisión, el equipo de verificación llegó a la conclusión de que las soluciones técnicas propuestas por GoodWe superan los estándares técnicos reglamentarios y del mercado para identificar y extinguir rápidamente las fallas de arco de CC. La solución AFCI 3.0 desarrollada y presentada ofrece hardware y software robusto y preciso tanto para la simulación y prueba de dispositivos AFCI, como para el desarrollo y construcción de dispositivos dentro de sus estándares de calidad.
control de rendimiento
Con base en los indicadores técnicos desarrollados por GoodWe y los requisitos de evaluación de clasificación de seguridad mencionados anteriormente, el equipo de verificación aprobó la solución de prueba presentada en el laboratorio y en sitio, que cumple con los estándares de referencia internacionales.
Pruebas y validación de AFCI
De acuerdo con el plan anterior y mediante pruebas repetidas, los resultados de la verificación son los siguientes:
Resultado de la verificación y prueba de rendimiento del AFCI:
Evaluación final
Con base en los resultados de la evaluación y prueba técnica, podemos llegar a la siguiente conclusión:
- La tecnología AFCI 3.0 de GoodWe cuenta con avance tecnológico, indicadores adecuados y desempeño confiable y estable en las pruebas realizadas;
- AFCI cumple con los requisitos de desempeño de los estándares actuales más relevantes, como US NEC 2020 y UL1699B, con algunos indicadores que exceden los requisitos estándar;
- Los inversores string de GoodWe, integrados con la función AFCI, pueden eliminar y prevenir eficazmente los riesgos de arcos eléctricos e incendios en sistemas fotovoltaicos, además de reducir las pérdidas materiales y humanas;
- Los inversores string de GoodWe, integrados con la función AFCI, pueden identificar y eliminar eficazmente los arcos eléctricos y, así, prevenir incendios en sistemas fotovoltaicos, eliminando pérdidas materiales y garantizando la seguridad humana.
Conclusión
Según el análisis anterior, es evidente que los inversores fotovoltaicos son cada vez más inteligentes, más digitales y más seguros. A través del estudio de la norma europea (IEC 63027) y de las normas internacionales pertinentes, la tecnología de prueba e identificación de arcos eléctricos de corriente continua demuestra ser la clave para garantizar la seguridad de los sistemas fotovoltaicos. Los fabricantes, instaladores y organismos reguladores en regiones más allá de Estados Unidos y Europa también deben trabajar estrechamente para desarrollar y cumplir con estándares y especificaciones relevantes para garantizar que los sistemas fotovoltaicos cumplan con los más altos estándares de seguridad durante el diseño, instalación y operación.
Con el desarrollo y expansión de la tecnología fotovoltaica, la tecnología de protección contra arcos eléctricos en sistemas fotovoltaicos está en constante evolución y avance. Esperamos que este artículo desempeñe un papel positivo a la hora de impulsar el desarrollo de sistemas fotovoltaicos seguros y promover la cooperación industrial y el intercambio de conocimientos. A través de esfuerzos colaborativos, confiamos en establecer un sistema fotovoltaico más confiable, seguro y sostenible, contribuyendo así al futuro prometedor de la energía limpia.
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