Este artículo tiene como objetivo explicar las diferencias entre los inversores string y los microinversores, para presentar sus principales diferencias, modos de operación, ventajas y desventajas para un sistema, vida útil, garantías y otros puntos pertinentes a este análisis.
Para estudios en el campo de la electrónica de potencia, los dispositivos conocidos por realizar conversión de corriente continua a corriente alterna (CC-CA) se conocen como "inversores".
La entrada de un inversor consiste en una fuente de CC externa (módulos fotovoltaicos) e internamente, el inversor modula el voltaje de entrada de CC en un voltaje de CC deseado a través de un convertidor elevador de CC-CC. La salida de este convertidor elevador sirve como fuente de alimentación para los dispositivos de potencia que realizan la conmutación y realizan la conversión a corriente alterna.
En la mayoría de las aplicaciones de inversores, el objetivo es proporcionar una forma de onda sinusoidal porque la mayoría de los motores y componentes eléctricos del mercado mundial funcionan con voltaje en una forma de onda sinusoidal. En aplicaciones, lo que normalmente vería de un país a otro es el voltaje nominal del sistema 220V monofásico o trifásico o 380V trifásico y frecuencia de 50 o 60 Hz.
En función de las aplicaciones de los inversores, se puede definir que los inversores que funcionan en paralelo con la red eléctrica pueden denominarse conectados a la red o conectados a la red. Por otro lado, los inversores que funcionan desconectados de la red pública o que no tienen la función de inyectar energía a la red pública se denominan aislados.
Para facilitar la comprensión de algunos conceptos sobre inversores y sistemas fotovoltaicos, a continuación se presentan algunas definiciones de uso popular en los sistemas fotovoltaicos.
Para entender cuál es el punto de máxima potencia En la Figura 1 se muestra un ejemplo de la Curva I-V de un módulo fotovoltaico. Por definición, la potencia de un circuito, componente o generador se puede calcular de forma simplificada como el producto de la tensión y la corriente.
En una curva I-V, puedes obtener la potencia como el área del gráfico debajo del punto y arriba del origen en los ejes. Como ejemplo, tres puntos A, B y MPP (Punto de máxima potencia) se destacan en la Figura 1. Los puntos A y B son puntos de funcionamiento genéricos y el punto MPP se refiere al punto de máxima potencia del panel y, comparando los gráficos del área del panel , se observa que el área del punto MPP es mayor en comparación con los puntos A y B.
En base a lo que es el MPP de un módulo, la función de un inversor utilizado en aplicaciones fotovoltaicas es encontrar este punto de máxima potencia y, para ello, se implementa en el firmware una función de seguimiento de este punto. El algoritmo implementado se denomina rastreador del punto de máxima potencia (MPPT).
MLPE o Module Level Power Electronics tiene la misma función que MPPT, que es rastrear la potencia máxima de los módulos, la diferencia entre los dos es que MPPT procesa el punto de máxima potencia que contiene varios módulos fotovoltaicos en serie, mientras que MLPE procesa la potencia del módulos individualmente, que pueden ser uno o incluso dos módulos en serie.
A partir de las definiciones mencionadas anteriormente, un inversor conectado a la red puede describirse como un convertidor de corriente continua a corriente alterna que se conecta en paralelo a la red pública y puede inyectar tanto potencia activa (kWh) como potencia reactiva (kVARh).
Su nomenclatura de cadenas está relacionada con el uso de arreglos fotovoltaicos que se conectan a su entrada. Una matriz o cadena fotovoltaica se define como una serie de paneles que están conectados a la entrada de un inversor. El número de módulos en serie normalmente oscila entre tres (120~-~160V) hasta treinta módulos (1500~V) y depende de la tensión de arranque y de la tensión máxima soportada por los componentes del inversor.
Para procesar la energía eléctrica suministrada por el campo fotovoltaico conectado a la entrada del inversor, el campo se conecta a la entrada del inversor que contiene el algoritmo MPPT e identificará el mejor punto de operación de voltaje y corriente para obtener el mejor rendimiento de los módulos.
Para comprender mejor las características constructivas y de instalación de los microinversores e inversores string, se presentarán las principales ventajas de cada uno de los componentes, desde la característica constructiva hasta las características de instalación. Inversores de cadena Para este estudio se está considerando el uso del modelo R1-3k3-SS del fabricante Renac Power y se muestra en la Figura 2.
Este inversor string dispone de un MPPT con entrada para conectores MC4 procedente de módulos fotovoltaicos. Este inversor tiene una tensión de entrada de hasta 550 V y funciona con módulos de hasta 16 A y garantía proporcionada por el fabricante de hasta 10 años.
Para lograr un alto rendimiento, los fabricantes de inversores string como Renac Power normalmente tienen información importante en la \textit{datasheet} de sus inversores llamada "Rated Input Voltage" o voltaje de entrada nominal. Es decir, para que el inversor convierta de manera más eficiente la potencia de los módulos fotovoltaicos, es necesario que el punto de máxima potencia de los módulos (suma del parámetro Vmp) sea lo más cercano posible a los 360 V de la tensión nominal. del MPPT.
En términos de instalación, normalmente se utiliza una caja de cadenas de CC y una caja de cadenas de CA para proteger contra sobretensiones en la entrada de corriente continua y en la salida de corriente alterna. Esta protección es importante para desconectar los módulos cuando sea necesario realizar un mantenimiento en el sistema.
Para este estudio se está considerando el modelo TSUN MP3000, cuyo equipamiento se muestra en la Figura 3.
Según la hoja de datos, este microinversor tiene 6 MPPT y funciona con tecnología MPLE. Este equipo procesa cada uno de los 6 módulos conectados a sus entradas de forma independiente. Así, a diferencia de la aplicación MPPT mencionada anteriormente para el modelo de cadena R1-3k3-SS, la tensión nominal de entrada no tiene un impacto significativo en el rendimiento del sistema, basta con que el módulo conectado esté dentro de los parámetros de tensión y corriente estipulados. En este caso, el microinversor MP3000 trabaja con hasta 18,5 A y módulos de hasta 60 V y la garantía que da el fabricante puede llegar a los 20 años.
A diferencia del inversor de cadena, el microinversor no necesita una caja de cadena de CC, ya que el equipo se puede desconectar del interruptor de CA para realizar el mantenimiento y el voltaje que proviene de cada módulo fotovoltaico es bajo, por lo que el riesgo de arco eléctrico es bajo en comparación. al inversor de cadena.
En cuanto a las instalaciones eléctricas, el microinversor se vuelve más sencillo debido a que se instala debajo de los módulos fotovoltaicos, se puede instalar un conducto para llevar el cableado AC directamente al cuadro eléctrico de la casa del cliente y dentro del cuadro eléctrico se puede utilizar. instalar un disyuntor de 20 A para apagar el microinversor cuando se requiera mantenimiento en el sistema.
Comparar los modos de operación y desempeño de \textit{string} y microinversores. Para ejemplificar el mejor equipo para cada aplicación, considere estos tres sistemas fotovoltaicos con 6 módulos:
Para el primer sistema, considerando que el cliente tiene espacio para 8 módulos pero pretende instalar solo 6 módulos. La mejor opción es instalar un inversor string R1-3k3-SS, ya que no se necesita más de un MPPT. Si desea expandir el sistema a lo largo de los años, puede agregar dos módulos más, ya que el inversor admitirá hasta 8 módulos. De esta forma, el sistema se puede ampliar con una baja inversión.
Para el segundo sistema, se debe evaluar cuánto tiempo se sombrea el módulo fotovoltaico. Si este período es cercano a los momentos de mayor irradiación del día, el microinversor se convierte en la mejor opción, ya que operará con los otros 5 módulos normalmente y el módulo sombreado afectará menos la producción del sistema. En el inversor string, todo el sistema tendrá su producción reducida hasta que los paneles queden completamente expuestos al sol.
Para el tercer sistema, dado que el cliente tiene más de una orientación, si se utiliza un inversor de cadena, se debe considerar el uso de al menos 8 módulos, cuatro para cada lado para alcanzar la tensión mínima de funcionamiento del MPPT y un inversor de al menos 8 módulos. menos dos MPPT, uno para cada orientación. En el caso del microinversor, el sistema opera normalmente sin necesidad de agregar más módulos, ya que cada panel es procesado individualmente por el equipo.
Para un sistema con una sola orientación, el inversor de cadena se puede utilizar cuando hay una previsión de aumentar el sistema con una inversión baja. En plantas que tienen más de 6 módulos, la instalación suele tener un costo menor ya que con un solo inversor es posible convertir la potencia de varios módulos. Para ampliar un sistema con microinversores se deben adquirir nuevos equipos con nuevos módulos, por lo que ampliar el sistema tiene un mayor costo.
Para un sistema con múltiples orientaciones, es necesario utilizar inversores con más de un MPPT y así el microinversor se convierte en una opción viable porque puede procesar la potencia de los módulos de forma individual, no hay reducción por el efecto limitante de corriente y consecuentemente aumenta la energía suministrada por el sistema a lo largo del día. Además, en los sistemas que tienen sombreado parcial, la producción de energía se incrementa al procesar los módulos individualmente.
Debido al hecho de que los microinversores funcionan con menos estrés a lo largo de los años, la garantía del producto es más larga en comparación con el inversor de cadena. Normalmente, para una vida útil de un módulo de 25 años, se debería considerar la sustitución del inversor en la mitad de tiempo, mientras que en el microinversor la tendencia es que su vida útil sea la misma que la de los módulos fotovoltaicos.
En base a las ventajas y desventajas mencionadas anteriormente, corresponde a cada diseñador verificar la viabilidad financiera de su proyecto, buscando siempre la mejor solución para su cliente.
Autor: Thiago Roberto Machado - 05/09/2023 - Artículos Técnicos