Inversores de conexión a red
Visión general
El mercado fotovoltaico requiere convertidores CC/CC que ajusten la tensión de entrada solar al nivel del enlace CC o de la batería y convertidores CC/CA (inversores) para suministrar la energía solar a la red pública.
En el mercado existen varios tipos de arquitectura de inversores solares:
- Inversores monofásicos en cadena para zonas residenciales con pocos kVA. Véase la figura 1.
- Inversores trifásicos multistring para sistemas residenciales, comerciales y de servicios públicos. La mayoría consta de un convertidor elevador CC/CC de entrada con uno o varios seguidores del punto de máxima potencia (MPP) y un inversor en la etapa de salida. Los niveles típicos son de menos de 100 a 200 kVA. Véase la figura 2.
- Los microinversores constan de un único panel solar con un único inversor. No hay corriente continua de alto voltaje como en los inversores de cadena. La fiabilidad es mayor en este caso, ya que si uno o dos microinversores fallan, los restantes seguirán produciendo energía. Véase la figura 1.
- Los optimizadores de potencia de CC se sitúan entre los inversores de cadenas y los microinversores, con una tensión típica de 400 V. Véase la figura 1.
Figura 1. Inversores centrales Inversores centrales (o de cadena), microinversores y optimizadores de potencia. (Cortesía de solartribune.com)
Figura 2. Inversor Inversor trifásico multistring (Esquema cortesía de Semikron)
Opciones de diseño del inversor: Silicio frente a banda ancha
Todo es cuestión de tamaño, peso y potencia (SWaP)
Los materiales semiconductores WBG permiten fabricar componentes electrónicos de potencia más pequeños, rápidos y fiables con mayor eficiencia que sus homólogos basados en Si. Estas capacidades permiten reducir el peso, el volumen y los costes del ciclo de vida en una amplia gama de aplicaciones de potencia.
El WBG tiene menores corrientes de fuga intrínsecas y temperaturas de funcionamiento más elevadas que los dispositivos de Si. Esto se debe a que los dispositivos de WBG presentan mayores brechas de banda (Eg) que los de Si.
El WBG tiene un mayor voltaje de ruptura y una menor pérdida de potencia que el Si debido a que la región de deriva del WBG es 10 veces menor. Esto permite una menor Rds(on) para un área dada con semiconductores WBG frente a Si.
El WBG funciona a velocidades más rápidas y con menores pérdidas de conmutación que el Si, lo que permite diseñar arquitecturas con componentes magnéticos y disipadores de calor más pequeños, reduciendo así el tamaño, el peso y el coste total de la lista de materiales.
Ventajas de WBG en inversores de conexión a red
La conversión de corriente continua a alterna, en los diseños de energía solar, se realiza mediante inversores, de los que se espera que sean extremadamente eficientes (más del 97%) y que duren mucho tiempo (en algunos casos más de 25 años). Para conseguir estos parámetros de rendimiento, es necesario emplear transistores de potencia WBG de carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN).
El diseño de inversores solares con dispositivos WBG mejorará las arquitecturas con la eliminación de hasta el 90% de las pérdidas de potencia en un inversor de corriente continua a alterna.
Los inversores solares pueden estar ubicados en entornos difíciles, con temperaturas ambiente elevadas. Las temperaturas de funcionamiento más elevadas de WBG pueden aumentar la fiabilidad de estos sistemas. Los inversores solares que empleen dispositivos WBG también serán más ligeros debido a sus menores requisitos magnéticos y térmicos. Un diseño de inversor más ligero y compacto facilita el levantamiento y la maniobrabilidad durante la instalación y las posibles reparaciones. La figura 1 muestra una comparación de tamaño entre un diseño de 50 kW basado en IGBT de Si y otro basado en SiC. Suele ser un 60% más pequeño y 10 veces más ligero, como se muestra en la figura 3.
Figura 3. Carburo de silicio El carburo de silicio permite obtener un inversor fotovoltaico solar más pequeño, ligero, con mayor densidad de potencia y menor coste global del sistema en comparación con el silicio.
(Imagen cortesía de Wolfspeed)
¿Módulo de alimentación o componentes discretos?
La topología y los componentes deben seleccionarse cuidadosamente para lograr el equilibrio adecuado entre coste y rendimiento. El coste de los componentes puede ser un problema en cualquier caso, pero si tenemos en cuenta los costes de fabricación, el rendimiento de la producción, la densidad de potencia, la fiabilidad mejorada y el rendimiento térmico, el uso de módulos de potencia puede ser una propuesta atractiva.
Un módulo de alimentación puede ofrecer una solución validada y especificada, mientras que un diseño discreto permite una mayor adaptación a la aplicación.
Los módulos de alimentación pueden integrar más funciones, a veces en un espacio más reducido. Los módulos permiten colocar varias matrices juntas, en una configuración compacta, para maximizar el rendimiento y el espacio. También se pueden incluir componentes adicionales como diodos SBD de SiC, resistencias de puerta y condensadores. Hay disponibles múltiples topologías estándar y personalizadas, como medio puente, puente completo, paquete de seis y 3 niveles, por nombrar sólo algunas. Véase la Figura 4, arriba, que muestra el interior de un módulo de alimentación de medio puente que utiliza 5 SiC en paralelo en cada posición de interruptor.
Los diseños discretos suelen ser menos costosos en aplicaciones de baja potencia en las que se utilizan menos piezas discretas en paralelo para cumplir los requisitos de corriente. A medida que aumenta la potencia, se necesitan más dispositivos discretos y aumentan los costes de montaje y la posible disminución de la fiabilidad. Los diseños discretos también pueden permitir un diseño de placa más flexible en torno a las áreas de componentes fijos en un diseño de inversor.
Figura 4: Módulo de medio puente SiC Wolfspeed que ilustra la configuración de diseño compacto
Conclusión
Cuando la energía solar estaba en sus inicios, los inversores tendían a la centralización con capacidades superiores a 100 kW. En tiempos más modernos, esta tendencia ha cambiado y los operadores prefieren utilizar cadenas de inversores de menos de 100 kW. En todos los casos, la arquitectura es similar: un convertidor elevador CC/CC para aumentar la tensión del panel fotovoltaico y un inversor CC/CA que genera una tensión CA a la frecuencia correcta para la red local (50 Hz / 60 Hz). El sistema también añade circuitos de protección y un sofisticado sistema de supervisión y control para garantizar la máxima eficiencia.
Aunque la topología elegida para el inversor influirá en la eficiencia, los principales dispositivos semiconductores de conmutación (MOSFET de WBG y Si, IGBT y diodos) son fundamentales para lograr la eficiencia necesaria para las aplicaciones de energía solar actuales. En los primeros tiempos, el silicio (Si) era el principal material utilizado y, tras años de innovaciones graduales, esta tecnología ha llegado a un punto en el que apenas es posible mejorarla.
Los fabricantes de semiconductores han estado explorando otros materiales con los que construir futuros dispositivos de conmutación. Los materiales de banda ancha (WBG), como el nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC), han cobrado importancia por sus propiedades, idóneas para desarrollar dispositivos semiconductores eficientes.
Los materiales WBG tienen una resistencia a la conexión intrínsecamente inferior a la de los dispositivos basados en Si, lo que reduce las pérdidas estáticas al conducir de forma continua. A medida que aumentan las frecuencias de conmutación para reducir el tamaño de los componentes magnéticos, la tecnología WBG mejora aún más la eficiencia, ya que la carga de puerta se reduce en comparación con el silicio, reduciendo también las pérdidas dinámicas.
