Fundamentos: Cómo sabe un inversor cuando tiene que inyectar a red ?

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Homo_non_sapiens
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#1 Fundamentos: Cómo sabe un inversor cuando tiene que inyectar a red ?

Mensaje por Homo_non_sapiens » 14 Sep 2020, 09:30

En este capítulo de los fundamentos hablaremos de lo que hacen los diferentes tipos de inversores fotovoltaicos. Intentaré exponerlo de la manera más inteligible posible, sabiendo que no siempre podré ser 100% exacto y correcto. Pero estoy convencido de que lo importante es haber entendido lo básico

Empecemos con un inversor de red, uno de los clásicos "on grid", que son los más fáciles de entender. Me refiero a un inversor que se puede conectar a cualquier enchufe de la casa -o al cuadro principal, si es de más de 3kW de potencia- y que no tenga la opcion "vertido cero", es decir vierte a la red aquella energía que no se consume en la casa

Lo primero que debemos entender, es que un inversor no es más que un convertidor DC-AC, que convierte la corriente DC que le llega de las placas FV en corriente alterna de 230Vac y 50Hz, apropiada para alimentar aparatos eléctricos y también para inyectar a la red
Muchas veces consideramos al inversor como una fuente de energía eléctrica, pero en realidad no lo es. La verdadera fuente es el campo FV con sus paneles, que genera cierta intensidad de corriente DC - y el inversor convierte exactamente esta intensidad DC en corriente AC de 230V y 50Hz. Como vemos que de la salida AC del inversor sale corriente eléctrica, parece lógico verlo como una fuente de corriente, pero lo correcto es distinguir entre la fuente (las placas FV) y el conversor DC-AC (el inversor)

Lo segundo que debemos entender, es qué tipo de fuente eléctrica es el campo FV, formado por paneles FV. Pues simplificando lo máximo, una placa FV es una fuente de corriente bastante ideal. Y eso que significa? Pues lo mejor para entenderlo, es comparar una placa FV con el otro tipo de fuente eléctrica: La fuente de tensión. Un ejemplo bien conocido de una fuente de tensión es una batería. O sea, conviene saber lo que es una fuente de corriente (placa FV) y lo que es una fuente de tensión (batería)
- Una fuente de corriente, por ejemplo una placa FV, entrega siempre la misma intensidad (la Imp de la placa), sea a la tensión que fuese. Es decir, entrega los mismos amperios tanto a 3V como a 30V. Si una fuente de corriente perfecta entrega por ejemplo 8A, entregará esos 8A a cualquier tensión
- Una fuente de tensión, por ejemplo una batería de 12V, intenta mantener siempre la misma tensión sea que fuese la intensidad que tiene que entregar. Es decir, entregará 2A a 12V o 20A a 12V o también 100A a 12V. Una fuente de tensión perfecta, mantendrá invariable su tensión, por ejemplo 12V, no importa la intensidad que tenga que entregar
Está claro, que tanto una fuente de tensión como una fuente de corriente reales tienen sus límites: La batería no podrá entregar 1000A a 12V y la placa FV no podrá entregar su Imp (por ejemplo 8A) a una tensión superior a su Vmp (por ejemplo Vmp=36V) - pero si entregará sus 8A a cualquier tensión inferior a 36V

En otro capítulo de los fundamentos (https://adnsolar.eu/viewtopic.php?f=14&t=770) hemos visto, que una placa FV entrega su intensidad máxima solo en las horas de mucho sol. Cuando hace menos sol, entrega menos intensidad. Pero eso ahora no importa; para simplificar podemos centrarnos en el caso de mucho sol. En estas circunstancias, en su punto de máxima potencia, a la tensión Vmp (por ejemplo Vmp=36V), la placa FV entregará la intensidad Imp (por ejemplo Imp=8A). Si obligamos a la placa a trabajar a una tensión inferior a su Vmp, por ejemplo a 9V, 15V o 25V, siempre entregará estos 8A!
En realidad, la intensidad es un poco mayor a tensiones bajas, por ejemplo 8.3A, pero es una aproximación legítima, suponer que una placa FV a cualquier tensión inferior a Vmp entrega la intensidad del punto de máxima potencia, Imp=8A. Una placa FV es una fuente de corriente, no de tensión!

Dicho esto, podemos mirar lo que hace un "inversor de red clásico":
Habíamos visto, que este aparato no es más que un convertidor DC-AC bastante sofisticado. Pero básicamente es como todos los conversores: La potencia que entrega en su salida es exactamente igual a la que recibe en su entrada! Es decir, si el campo FV entrega por ejemplo 3000W DC, el inversor también entregará 3000W, pero en AC, a 230V y 50Hz, que serán 13A. Lo importante es entender, que tienen que ser exactamente 13A! Si entran 3kW, el inversor no puede entregar menos de 13A, porque no sabría qué hacer con el resto, se quemaría!
Bueno, en realidad un inversor que recibe 3kW en su entrada, entregará un poco menos (~2.9kW) en su salida, porque su eficiencia de conversión es inferior a 100%, está entre 95% y 97%. Los pocos watios que se "pierden", calientan a los componentes electrónicos del inversor. Pero es una muy buena simplificación suponer, que si entran 3kW, tambien tienen que salir 3kW. En otras palabras: "Las gallinas que entran por las que salen" (menos algún huevo, que se quedará en el gallinero)

Conclusión: Habiendo entendido esto, podemos considerar a un inversor como una fuente de corriente casi ideal, a pesar de que en realidad es "solo" un conversor DC-AC

Vayamos al tema central del capítulo: Cómo sabe un inversor cuando y cuanto tiene que inyectar a la red?
Pues la respuesta es fácil: Sabemos que si al inversor le entran 3000W desde las placas, tiene que entregar 3000W a la fuerza, que son 13A a 230V
A dónde irán estos 13A? Pues para un inversor de red "clásico", sin batería, solo hay tres opciones: O alimenta con los 13A el consumo eléctrico de la casa, o los inyecta a la red, o las dos cosas a la vez: Algunos amperios para la casa y el resto para la red

Lo único que nos falta para aclarar, son las siguientes preguntas:
(1) Cómo es posible, qué el inversor inyecte amperios a la red y no la red al inversor? No tiene mucha más "potencia" la red?
(2) Cómo "sabe" el inversor, en qué proporción tiene que repartir los 13A al consumo de la casa y a la red?

Veamos la primera pregunta:
La red es una fuente de tensión, porque por muchos amperios que tenga que entregar, mantendrá su tensión de 230Vac; mientras el inversor se comporta como una fuente de corriente. Es decir, la red puede entregar o recibir amperios, pero siempre intentará mantener invariable su tensión de 230V. En cambio, el inversor no puede recibir amperios, se quemaría inmediatamente. Está obligado a entregar sus 13A a toda costa! Entonces, lo que hace es sincronizar su tensión y su frecuencia perfectamente con la red (para eso dispone de unos circuitos electrónicos sofisticados) e inyecta sus 13A a la red, que no se inmutará y los aceptará sin cambiar su tensión o frecuencia. Es decir, si la red antes de inyectar era capaz de entregar por ejemplo 15000A, habiendo inyectado 13A, será capaz de entregar 15013A - se ve, que no es gran cosa
Nota: Es muy importante que el inversor se sincronice perfectamente con la red, porque ya pequeñas diferencias en amplitud, fase o frecuencia originarían graves problemas

Vayamos a la segunda pregunta:
Hemos visto que el inversor tiene dos opciones: Puede entregar corriente al consumo de la casa o puede inyectar corriente a la red. Entregar corriente a un consumidor es muy fácil, porque el consumidor necesita esa corriente, se puede decir que "pide chicha a gritos". La red, al contrario, no pide nada; es más: Para verter a la red, el inversor tiene que "superar" una tensión "en contra". Es como si tuviese que superar un obstáculo para entrar en la red, mientras que el camino hacia la casa está libre. Por eso, el inversor siempre preferirá entregar sus amperios a un consumidor de la casa, antes de inyectarlos a la red!
Dicho esto, podemos distinguir 4 escenarios:
a) Si los aparatos eléctricos de la casa piden exactamente 13A, el inversor se los entregará y santas pascuas
b) Si los aparatos eléctricos de la casa piden más de 13A, el inversor les entregará sus 13A y los que falten vendrán de la red
c) Si los aparatos eléctricos de la casa piden menos de 13A, el inversor se los entregará y los que sobran, los inyectará a la red
d) Si los aparatos eléctricos de la casa en este momento piden cero amperios, el inversor inyectará sus 13A a la red

Hecho! Ya sabemos como funciona un inversor de red clásico, sin batería y sin opción de "vertido a red" ... :dancing
Ahora solo nos falta discutir un inversor de aislada y un inversor de red moderno, con batería y con la opción de "vertido a red"

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El inversor de aislada:
En aislada no hay red, por lo que todo este cuento de "cuándo inyecta el inversor" no existe. Lo que sí existe, es una batería
Sin la red, en aislada tenemos otro tipo de problema: Hemos visto, que el inversor siempre tiene que entregar sus 13A (es nuestro ejemplo). En aislada, sólo los puede entregar a los aparatos eléctricos de la casa o a la batería, para cargarla. Pero qué hace el inversor, si en un momento hay muy poco consumo en la casa y la batería no acepta muchos amperios, porque ya está cargada casi a tope? Pues para solucionar ese dilema, en aislada tenemos el regulador!
Con regulador, el inversor funcionará de la siguiente forma:
a) Si los aparatos eléctricos de la casa piden exactamente 13A, el inversor se los entregará y santas pascuas
b) Si los aparatos eléctricos de la casa piden más de 13A, el inversor les entregará sus 13A y los que falten vendrán de la batería
c) Si los aparatos eléctricos de la casa piden menos de 13A, el inversor se los entregará y los que sobran, servirán para cargar a la batería
(en realidad, el regulador está aguas arriba del inversor, y solo deja pasar al inversor la energía que pide el consumo, el resto lo emplea para cargar a la batería)
d) Si consumo y batería juntos necesitan menos de 13A, el regulador reducirá la producción del campo FV a exactamente los amperios necesarios
e) Si no hay consumo en la casa y la batería ya está cargada a tope, el regulador reduce la producción del campo FV a cero

Y cómo reduce el regulador la producción del campo FV? Eso se explica en otro capítulo de los Fundamentos (https://adnsolar.eu/viewtopic.php?f=14&t=770)

Nota: Aparte de ajustar la producción de las placas a la energía necesitada en cada momento, el regulador tiene otra función muy importante: Lleva programado un algoritmo de carga, gracias al que en cada momento controla la intensidad de carga correcta para la batería, sin sobrecargarla
Hay un capítulo de los Fundamentos en el que se describen las fases de carga que controla el regulador: https://adnsolar.eu/viewtopic.php?f=14&t=87

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Como último nos falta entender el funcionamiento de un inversor de red moderno, con la opción de vertido cero y la opción de conectar una batería

Estos inversores permiten elegir entre "verter a red" y "vertido cero". Si se elige "verter a red", funcionan igual que un inversor de red "clásico", que hemos discutido al principio. Si se elige "vertido cero", el inversor ya no inyectará ni un solo watio a la red. Esto se consigue con el regulador MPPT incorporado, que en los casos c) y d) (si los aparatos eléctricos de la casa piden menos de 13A ...), en vez de inyectar la potencia sobrante a la red, reduce la producción del campo FV, igual que en un sistema FV en aislada. Es decir, si el campo FV podría generar 3000W, pero el consumo es de solo 2000W, por ejemplo, el regulador reduce la producción a 2000W. De esta manera nunca hay un exceso de potencia que se debería inyectar a la red

Y eso de que se puede conectar una batería? Pues simplemente se amplía el regulador incorporado con un programa para el algoritmo de carga, que carga la batería siempre cuando haya potencia suficiente y tambien se cuida de de no sobrecargar a la batería. En fin, lo mismo que hace un regulador en aislada
Uno podría preguntarse ¿para qué necesito una batería en un sistema FV conectado a la red? Pues una batería puede ser muy útil, especialmente en TDH (tarifa de discriminación horaria): Cuando en el período punta no hay suficiente energía solar para abastecer el consumo de la casa, se puede evitar comprar energía eléctrica de la red a precio alto, chupando de la batería
Con un inversor de red de este tipo, en modo "inyeccion a red", se consigue aprovechar toda la producción del campo FV: Toda aquella potencia que el inversor no puede entregar al consumo de la casa o a la batería, lo inyecta a la red. Los kWh inyectados se pueden consumir en horas de poca producción FV, por ejemplo de noche, reduciendo de esta forma la factura eléctrica (modalidad de autoconsumo con compensación de los excedentes inyectados)


Bueno, creo que este capítulo debería resolver muchas de las dudas que uno puede tener acerca del funcionamiento de un inversor
Tengo que decir que las explicaciones son simplificadas, para que también se puedan seguir sin tener conocimientos de electrónica. No obstante, espero que sean lo suficientemente correctas para no haber dicho barbaridades ... :amigos
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