Sistemas híbridos que integran energía solar y diésel.

Los sistemas de energía híbridos son aquellos que emplean múltiples fuentes de energía. Este nombre también se ha adoptado para sistemas que cuentan con bancos de baterías asociados a otras fuentes como la solar fotovoltaica y la eólica.

En este artículo abordaremos un tipo de sistema híbrido que utiliza dos fuentes: generación diésel (o generación de combustión, en términos generales) y generación solar fotovoltaica. La combinación solar y diésel es ventajosa porque proporciona un modo confiable de suministro de energía aislada sin el uso intensivo de combustibles fósiles.

Fotovoltaica y diésel: reducción de costes y mayor autonomía.

En lugares que ya cuentan con generadores diésel, la adición de sistemas fotovoltaicos con operación paralela tiene el efecto de reducir los costos de combustible, además de agregar confiabilidad y reforzar la autonomía del suministro de energía a las cargas de los consumidores.

La siguiente figura ilustra un sistema fotovoltaico convencional, en el que el inversor se conecta a cualquier punto de la instalación, pudiendo conectarse indistintamente cerca de la cabina de entrada o de algún cuadro de distribución interno del consumidor.

La Figura 2 ilustra la situación habitual de los consumidores que utilizan generación diésel como respaldo o para consumo en horas punta y desean añadir generación fotovoltaica. En estos casos, el sistema fotovoltaico se instala antes del interruptor de transferencia automática (ATS).

La función de este panel es realizar el enclavamiento entre la red eléctrica pública y el generador diésel, además de cambiar automáticamente la posición del interruptor, transfiriendo la fuente diésel a las cargas de los consumidores cuando la red eléctrica está ausente.

En este tipo de configuración, el sistema fotovoltaico sólo funciona mientras la red eléctrica está presente. En caso de avería, cuando entra en funcionamiento la generación diésel, el sistema fotovoltaico se apaga.

Las figuras 2 y 3 ilustran el funcionamiento del QTA (Interruptor de Transferencia Automática). En la figura 1, la red eléctrica está presente y el interruptor se encuentra en la posición correspondiente al uso de la misma. La figura 3 ilustra la situación en la que falla la red eléctrica y el suministro de energía a las cargas se transfiere al generador diésel. En este último caso, la red eléctrica y el sistema fotovoltaico están completamente desconectados de la instalación.

Las Figuras 4 y 5 ilustran otra posibilidad para conectar sistemas fotovoltaicos a consumidores equipados con generación diésel. Tenga en cuenta que en este caso el inversor se conecta después del QTA.

Si falla el suministro público, el inversor ya no funcionará en paralelo con la red y comenzará a funcionar en paralelo con el generador diésel; esta última situación se ilustra en la Figura 5.

Ventajas y desafíos de la operación en paralelo con un generador diésel.

Conectar el sistema fotovoltaico después del interruptor de transferencia automática (ATS) ofrece dos ventajas principales. La primera, muy sencilla, es que permite conectar el sistema fotovoltaico en cualquier punto de la instalación, sin necesidad de una conexión previa al ATS. Esto permite, por ejemplo, conectar un sistema fotovoltaico a un panel de distribución interno del consumidor, mientras que el generador diésel se ubica más lejos, cerca de la subestación de entrada.

En algunas situaciones, conectar el sistema fotovoltaico a la cabina de entrada puede resultar costoso y es preferible conectar los inversores lo más cerca posible de las cargas de los consumidores y también de los paneles solares. La segunda ventaja de la estrategia de conexión ilustrada en las Figuras 4 y 5 (sistema fotovoltaico después de QTA) es permitir la continuidad del funcionamiento del sistema fotovoltaico incluso cuando el consumidor es alimentado por el generador diésel.

En este caso, la fuente diésel simplemente sustituye a la red eléctrica, encargándose de suministrar tensión alterna. El inversor fotovoltaico se conecta a la fuente de alimentación del generador diésel de la misma manera que se conectaría a la fuente de alimentación de la red eléctrica externa. La ventaja evidente de este método de conexión es que permite el uso de energía fotovoltaica, ahorrando combustible. Además del ahorro, esto permite aumentar la autonomía del sistema.

La combinación parece perfecta, pero existen algunas complicaciones con este tipo de conexión. En primer lugar, si queremos que el sistema fotovoltaico funcione en paralelo con el generador diésel, será necesario cambiar la configuración del inversor.

La calidad del suministro de energía de la red externa y la calidad del suministro de energía del generador diesel son diferentes. El generador diésel puede ofrecer rangos de variación de tensión y frecuencia más amplios que los que se encuentran en la red eléctrica pública. Luego se debe parametrizar correctamente el inversor para que funcione en paralelo con el generador, evitando el apagado por sobre/baja frecuencia o sobre/baja tensión.

El segundo problema encontrado en el paralelismo entre el sistema fotovoltaico y el generador diésel es el retorno del exceso de energía, situación ilustrada en la Figura 6. A diferencia de la red eléctrica externa, el generador diésel no es capaz de absorber el exceso de energía del sistema fotovoltaico. . Esto significa que la potencia de la generación solar nunca puede ser mayor que la potencia de la carga.

La combinación de generación fotovoltaica y diésel en paralelo no es complicada, pero requiere soluciones tecnológicas para superar los desafíos mencionados anteriormente. En definitiva, es necesario parametrizar el inversor en función de la fuente a la que se conecta (red externa o gasóleo) y evitar que se produzca un exceso de energía fotovoltaica.

Operación mínima del generador diesel y control de la generación fotovoltaica.

Existe otra preocupación al conectar un sistema fotovoltaico en paralelo con un generador diésel. Es necesario respetar las características operativas del generador, manteniéndolo siempre en rotación constante y funcionando a un valor mínimo de potencia. Esto es necesario para asegurar una buena eficiencia del generador, además de alargar su vida útil.

Normalmente, la carga mínima de los generadores diésel equivale al 30% de su potencia nominal. Los generadores diésel con baja carga se vuelven ineficientes y están sujetos a diversos fenómenos que pueden dañarlos o reducir considerablemente su vida útil. Los motores de combustión están diseñados para funcionar siempre lo más cerca posible de su carga nominal y debe evitarse el funcionamiento con carga baja.

Por lo tanto, incluso si se dispone de generación solar y toda la carga puede ser alimentada por el sistema fotovoltaico, la generación diésel no se puede reducir por debajo de un valor mínimo. Esto requiere sincronización entre el sistema fotovoltaico y el generador diésel para eventualmente reducir la generación solar cuando la generación diésel alcance su umbral inferior.

En resumen, por las razones explicadas anteriormente, siempre será necesario utilizar al menos el 30% de la potencia máxima del generador diésel incluso si se dispone de energía solar. A continuación, analizaremos tres estrategias que se pueden utilizar en sistemas híbridos que combinan un generador diésel y un sistema fotovoltaico.

En cualquier caso, el inversor deberá estar equipado con una interfaz de comunicación que disponga de puertos digitales para señalización y/o interfaces de comunicación RS 485 o equivalente, dependiendo de la complejidad del control a realizar. La figura 8 ilustra el módulo de comunicación de los inversores del fabricante SolarEdge.

Modo de desconexión del sistema fotovoltaico

Se trata de una función sencilla que sólo se puede utilizar para desconectar el sistema fotovoltaico cuando la generación diésel está activa. En este caso, el sistema fotovoltaico está apagado y no funciona en paralelo con el generador diésel.

Esto no es exactamente lo que podemos llamar un sistema híbrido, pero esta estrategia operativa podría ser útil para los consumidores que utilizan diésel sólo como respaldo o en intervalos cortos del día –por ejemplo, durante las horas pico– y al mismo tiempo desean tener el sistema fotovoltaico instalado tras el QTA.

En otras palabras, las fuentes diésel y solares comparten el mismo bus de CA, pero nunca funcionan simultáneamente. El generador se activa pocas veces y por cortos periodos de tiempo y las cargas pueden ser cubiertas íntegramente por generación diésel, permitiendo prescindir de la generación fotovoltaica en estos cortos periodos de tiempo.

¿Por qué no dejar que el sistema fotovoltaico funcione en paralelo con el generador diésel? La respuesta es que el cliente no quiere añadir esta complejidad a su instalación y puede prescindir de la generación solar en los raros momentos en que se activa el generador diésel.

Esta estrategia de funcionamiento se puede implementar, tomando como ejemplo un inversor del fabricante SolarEdge, conectando un interruptor normalmente cerrado (NC) a la placa de comunicación del inversor. El inversor debe estar equipado con un módulo de comunicación y debe tener una entrada de comunicación llamada interfaz de reducción de potencia (PRI). Esto se ilustra en la Figura 9.

El modo de desconexión del sistema fotovoltaico es un método de control sencillo que permite señalizar al inversor la presencia o ausencia del generador diésel, realizando un enclavamiento entre estas dos fuentes.

Esto evita la necesidad de instalar el sistema fotovoltaico antes del ATS (Interruptor de Transferencia Automática), lo que permite ubicarlo cerca de las cargas o incluso del generador diésel. Es un detalle que parece simple, pero puede afectar el coste de la instalación eléctrica necesaria para conectar el sistema fotovoltaico.

La función de este modo de funcionamiento es simplemente apagar el sistema fotovoltaico cuando el generador diésel entra en funcionamiento, sin necesidad de un control más sofisticado. Naturalmente, en este caso, la generación fotovoltaica y la generación diésel nunca se producirán simultáneamente. Este modo de funcionamiento se recomienda en aplicaciones donde el generador diésel se utiliza únicamente como respaldo y no se activa con mucha frecuencia.

En esta situación, no se justificaría añadir un sistema más complejo para controlar el sistema fotovoltaico, teniendo en cuenta que el generador diésel es capaz de abastecer toda la carga durante un corte de energía, y esto ocurre durante un periodo de tiempo relativamente corto.

Cuando cesa el corte de suministro eléctrico, con el restablecimiento del suministro a la red eléctrica pública, el generador diésel se apaga y el contacto de señalización se cierra, permitiendo la reconexión del sistema fotovoltaico. La figura 12 ilustra cómo se debe parametrizar el inversor para trabajar en este modo.

Se debe configurar un puerto de E/S de propósito general (GPIO) para recibir los contactos de un relé normalmente cerrado (NC). El sistema entiende que el inversor puede funcionar cuando el puerto GPIO está en nivel bajo (contacto del relé cerrado) y que debe apagarse cuando el GPIO está en nivel alto (interruptor del relé abierto), como se ilustra en las figuras 10 y 11.

Modo de funcionamiento en paralelo con el generador diésel.

En este modo de funcionamiento, es posible alimentar simultáneamente las cargas mediante el generador diésel y la fuente solar. Al igual que en el caso anterior, se conecta un relé de señalización al puerto GPIO.

En este caso, sin embargo, se utiliza un contacto normalmente abierto (NO), como se ilustra en la Figura 13. La principal diferencia entre este modo de funcionamiento y el anterior es que el sistema fotovoltaico siempre estará en funcionamiento, ya sea en paralelo a la red eléctrica o en paralelo al generador diésel.

Como se muestra en la Figura 13, el diagrama de conexión para el modo de paralelismo del generador emplea un contacto abierto normal (NO) en el panel del generador diesel. El contacto está abierto cuando hay red de CA y el generador está apagado, lo que indica al inversor que debe funcionar normalmente en modo de conexión a la red, como cualquier otro inversor conectado a la red.

Cuando se desconecta la red pública, el contacto se cierra, indicando al inversor que ahora funcionará en paralelo con el generador diésel. En este caso, el generador diésel será la principal fuente de energía, reemplazando a la red eléctrica. El inversor fotovoltaico debe seguir la referencia de tensión del generador y estar preparado para funcionar de forma sincrónica.

En definitiva, con la llave en posición cerrada, el inversor entenderá que ya no está funcionando con la red eléctrica de la empresa y necesita cambiar su comportamiento para funcionar en paralelo con el generador diésel.

En este caso, el sistema diésel-solar constituye lo que llamamos una microrred, que es una red autónoma que opera de forma isleña, desconectada de la red eléctrica pública, con fuentes de energía propias.

Para que el inversor pueda operar en este modo con dos opciones (conectado a red o conectado al generador diesel) es necesario parametrizarlo para que entienda las señales recibidas en el puerto GPIO y principalmente para que el inversor cambie. su comportamiento en consecuencia con la fuente principal presente (red o generador).

La figura 15 muestra cómo se configura el puerto GPIO del inversor SolarEdge para comprender las señales de relé con un interruptor NO en este modo operativo. A continuación, configuramos los modos de control de potencia, como se ilustra en las Figuras 16 y 17. Hay dos modos que se pueden utilizar: potencia x frecuencia o potencia x voltaje. Estos modos de funcionamiento ya están preconfigurados en el inversor, pero se pueden parametrizar según cada aplicación.

Figura 16 – Configuración del inversor para operación en paralelo con el generador.

El modo de control de potencia x frecuencia es el más recomendado cuando se opera el inversor en paralelo con una máquina rotativa. Las máquinas rotativas cambian su frecuencia de rotación dependiendo de la carga. El aumento de la potencia consumida por el generador hace que disminuya su frecuencia de salida. Por el contrario, la reducción de potencia provoca un aumento de la frecuencia.

Este comportamiento natural del generador se puede utilizar como señal de control para el inversor. La disminución de la frecuencia indica que el generador está muy cargado, por lo que es deseable contar con generación solar para reducir la carga del generador.

Por otro lado, el aumento de frecuencia señala que hay exceso de potencia en el sistema y el generador trabaja con poca carga, indicando que se debe reducir la potencia del sistema fotovoltaico para evitar un exceso de energía en el sistema, que no puede ser absorbido por el generador.

La estrategia de control de potencia x frecuencia se puede entender a través de la curva P x F. Esta curva de generación es seguida por el inversor cuando se selecciona este modo de operación. Como se ve en la Figura 18, para frecuencias de hasta 60,2 Hz el sistema fotovoltaico puede generar el 100% de su potencia.

Cuando la frecuencia aumenta por encima de 60,2 Hz, indicando que hay exceso de energía en el sistema, la potencia del inversor fotovoltaico se irá reduciendo gradualmente hasta que la frecuencia del sistema alcance los 61,2 Hz, cuando la potencia del inversor será cero.

Sistemas solares-diesel más grandes

El sistema de control P x F que se muestra arriba funciona bien en microrredes pequeñas, generalmente con unos pocos inversores que funcionan en paralelo con un solo generador diésel. En sistemas de mayor tamaño y potencia, cuando hay múltiples generadores diésel o múltiples inversores, la solución de control de potencia mediante variación de frecuencia puede no tener la robustez necesaria para ofrecer la máxima confiabilidad al funcionamiento del sistema.

En tales casos, se recomienda contar con un sistema llamado controlador de planta de energía (PPC). Este controlador puede tener muchas funciones, pero en este caso específico de integración solar-diesel básicamente lee la potencia consumida por la carga y regula la generación del sistema fotovoltaico a través de líneas de comunicación. La gran diferencia en relación al control de potencia x frecuencia es que existe comunicación directa para enviar señales de comando desde el PCC a los inversores.

La forma en que el PPC se comunica con los inversores puede variar según el fabricante. Por ejemplo, en la solución de SolarEdge, un inversor principal se comunica directamente con el PPC, mientras que los demás inversores secundarios se comunican con el principal para recibir instrucciones.

El PPC es el cerebro del sistema. Garantiza que la generación de diésel nunca caiga por debajo del umbral de potencia mínima del generador (normalmente, alrededor del 30 % de la potencia nominal, como mencionamos anteriormente).

Los inversores recibirán señales de comando para reducir su potencia de salida siempre que haya una reducción en la potencia consumida por la carga y se haya alcanzado la potencia mínima del generador diésel.

Con el uso de sistemas de control de potencia de planta (PPC), es posible crear sistemas híbridos solares-diésel de alta capacidad capaces de suministrar electricidad de forma aislada –desconectados de cualquier red eléctrica pública– a consumidores de cualquier tamaño: plantas industriales, plantas mineras, propiedades rurales o incluso una pequeña localidad.