Convertidores y estrategias de control para la integración de la energía fotovoltaica en la red eléctrica

Résumé

En las próximas décadas se va a producir un cambio importante en el panorama de la generación de energía eléctrica debido a la reducción de costes que se está observando en el ámbito de las energías renovables y en el almacenamiento de energía. Sin embargo, el aumento del uso de energías renovables supone otro tipo de retos tecnológicos a abordar, especialmente para la solar ya que se desconoce el impacto que pueda tener sobre la red eléctrica la conexión de plantas fotovoltaicas de gran escala a nivel global. La tendencia es que las nuevas instalaciones solares tengan capacidades superiores a varias decenas de MW, lo que va a suponer que los inversores solares con topologías de dos niveles que se han empleado tradicionalmente van a quedar obsoletos. La principal razón es que al aumentar la potencia va a aumentar también la corriente, lo que supone un aumento cada vez más considerable de las pérdidas haciendo inviable o ineficaz esta solución. Como consecuencia han surgido diferentes topologías multinivel en los últimos años para superar estos inconvenientes. Los convertidores multinivel pueden operar con voltajes más elevados y pueden reducir el tamaño de elementos pasivos adicionales, como los filtros de línea. Entre ellas, la topología de tres niveles NPC (Neutral Point Clamped) ha cobrado cierta relevancia llegando a haber un modelo comercial de hasta 40 MVA conectado a redes de 3.3 kV y 4.16 kV. Sin embargo, la topología NPC también tiene una escalabilidad limitada al igual que en el caso de los inversores de dos niveles debido a que para llegar a tensiones medias y altas, o alcanzar potencias elevadas, es necesario serializar módulos. Otra topología que se ha popularizado en los últimos años ha sido la correspondiente a los puentes H colocados en cascada (CHB, Cascaded H-Bridge). Uno de los puntos fuertes de esta opción es su modularidad, la cual permite realizar un seguimiento más eficaz del punto de máxima potencia y obtener una tensión de salida elevada mientras que cada dispositivo semiconductor trabaja a tensiones bajas. El aspecto de la modularidad se ve limitado por la escalabilidad de las estrategias de control aplicadas, ya que las desarrolladas hasta ahora dependen de protocolos de comunicación complejos o bien se pueden aplicar a un número limitado de puentes en H. Adicionalmente, la conversión de energía solar en energía eléctrica depende de la irradiancia recibida y de la temperatura de los paneles, es decir, de dos magnitudes que no se pueden controlar y que varían lo largo de la instalación. La variación de estas magnitudes lleva a que la producción de energía de los paneles pueda variar fuertemente dentro de una misma instalación provocando desequilibrios en el inversor CHB y distorsiones en las corrientes de red. Una vez identificados los dos problemas fundamentales que lastran la implementación de los convertidores CHB se establecen diferentes objetivos. En primer lugar, se propone una estrategia de control escalable que permita explotar la modularidad característica de los convertidores CHB. La estrategia propuesta se analiza y se valida mediante simulaciones. Para analizar cómo afectan los desequilibrios a las diferentes variantes de la topología CHB encontradas en la bibliografía y propuestas en el presente trabajo, se desarrolla una herramienta que permite simular las diferentes variantes determinando los modelos de los elementos que la forman. En el desarrollo de la herramienta se establece una metodología para generar escenarios de simulación sintéticos que se asemejen a escenarios reales. Esta metodología permite generar los escenarios sintéticos a partir de datos meteorológicos de fácil acceso. Por último, se realiza una serie de simulaciones con la que se obtienen resultados de las variantes encontradas en la bibliografía y las propuestas