Emulación solar y pruebas de inversores
Descripción general
Los paneles solares producen una salida de CC con características no lineales que varían en función de la temperatura y la irradiancia. Los dispositivos conectados directamente a los paneles solares, como los inversores solares, tienen en cuenta estas variaciones para caracterizar la salida del panel y maximizar la cantidad de energía convertida. Las características de salida de los paneles solares varían significativamente respecto a una fuente de alimentación de CC estándar, lo que requiere la implementación de controles adicionales en una fuente de alimentación de CC para satisfacer estos requisitos de prueba.
Características de los paneles solares
Las características de voltaje y corriente de los paneles solares fluctúan con la temperatura y la irradiancia de los paneles; definidas de manera general por la irradiancia que afecta la corriente de salida y la temperatura que afecta el voltaje de salida. Los dispositivos conectados a paneles solares, como los inversores solares, deben maximizar la potencia de salida del panel solar localizando el punto de operación máximo. Además, los dispositivos equipados con seguimiento del punto de máxima potencia también deben ajustar el punto de operación para compensar las fluctuaciones de temperatura y luz solar.
Por qué Magna-Power Electronics
- Emulación de paneles solares o fuente de alimentación estándar: El software Photovoltaic Power Profile Emulation de Magna-Power Electronics permite que cualquier fuente de alimentación de Magna-Power Electronics emule las características no lineales de un panel solar y varíe estas características en función del tiempo. Cualquier fuente de alimentación de Magna-Power Electronics puede alternarse entre operación de fuente de alimentación estándar, con modos CV y CC, u operación de emulación solar. Esta doble operación permite la máxima utilización del equipo de prueba para una amplia variedad de aplicaciones.
- Programación y medición precisas: La precisión de programación y medición de Magna-Power Electronics se encuentra entre las más altas de la industria. Los ingenieros pueden confiar en las mediciones directas de la fuente de alimentación para la calibración, lo que significa menos instrumentación y complicaciones en los entornos de prueba.
- Neutralización de armónicos: Magna-Power Electronics ha sido pionero en la tecnología de neutralización de armónicos, permitiendo pruebas de inversores centrales en el rango de varios megavatios con formas de onda de hasta 48 pulsos producidas por la fuente de alimentación.
- Opción de alta tasa de variación (+HS): La opción de alta tasa de variación, disponible para todos los productos de Magna-Power Electronics, proporciona una capacitancia de salida reducida y el uso de tecnología de capacitores de película en lugar de electrolíticos de aluminio estándar. Para pruebas de inversores solares, la opción de alta tasa de variación es altamente recomendada, ya que la capacitancia de salida reducida significa menor interacción con los componentes de rizado del inversor, al tiempo que proporciona a la fuente de alimentación un mayor ancho de banda.
Software de emulación de paneles solares
El software Photovoltaic Power Profile Emulation (PPPE) de Magna-Power Electronics genera perfiles no lineales de voltaje/corriente (V/I) basados en el estándar EN50530, permitiendo la variación de estas características V/I en función de la temperatura y la luz solar. Estos perfiles pueden enviarse secuencialmente a la fuente de alimentación, permitiendo que las variaciones en los parámetros solares cambien las características de salida de la fuente de alimentación en intervalos definidos por el usuario. Además, una función de interpolación permite la generación automatizada de perfiles entre curvas, para transiciones suaves de una condición de temperatura e irradiancia a otra. Esta funcionalidad puede utilizarse, por ejemplo, para hacer la transición de condiciones invernales nubladas a condiciones soleadas de verano. Alternativamente, un perfil puede almacenarse internamente en la fuente de alimentación, para su uso cuando esté desconectada de una computadora. Además, está disponible una exportación de comandos para aprovechar la facilidad de generación de perfiles solares de PPPE desde un entorno automatizado como LabVIEW o Visual Studio.
Se proporcionan tres métodos diferentes para generar perfiles:
- Parámetros de referencia: Si se conocen las características de una celda solar de referencia y del panel, los perfiles pueden generarse utilizando los valores de los parámetros de la celda solar: Tref, Irref, Vmp, Imp, Voc, Isc, β y α. Se proporciona un menú desplegable para seleccionar tecnología de polisilicio (cSi) o película delgada, para completar automáticamente los valores de β y α de acuerdo con el estándar EN50530. Después de completar los valores de referencia, generar una nueva curva es tan sencillo como especificar un valor de temperatura e irradiancia para cada nueva curva.
- 4 parámetros: El método más sencillo de generación de perfiles; los perfiles pueden generarse utilizando solo el punto de máxima potencia, el voltaje máximo (circuito abierto) y la corriente máxima (cortocircuito): Vmp, Isc, Voc e Isc.
- Hasta 50 puntos manuales: Se puede utilizar una curva manual con el software PPPE, ya sea ingresando manualmente puntos de voltaje y corriente, o importando valores desde un archivo de valores separados por comas (.csv). Se pueden ingresar un máximo de 50 puntos; sin embargo, la fuente de alimentación realizará una aproximación lineal por tramos entre estos puntos durante la operación, asegurando una alta resolución.
Un visor de salida en vivo proporciona una ventana completa que muestra simultáneamente el voltaje, la corriente y la potencia de salida, y rastrea estos parámetros a lo largo del tiempo. Esta ventana proporciona una visión clara de la capacidad de la carga conectada para seguir los cambios de temperatura e irradiancia a lo largo del tiempo. Se proporciona funcionalidad de registro de datos para guardar los valores de voltaje, corriente y potencia de salida, así como las características de salida definidas a lo largo del tiempo.
Oferta de productos amplia y modular
Magna-Power Electronics ofrece la gama más amplia de fuentes de alimentación de CC programables estándar con capacidad de emulación solar. Los productos de montaje en rack de Magna-Power Electronics se ofrecen desde 2 kW y los sistemas de piso hasta 4,000 kW, con voltajes de hasta 4,000 Vdc (flotante) y corrientes de hasta 24,000 Adc. Toda la línea de productos cuenta con controles idénticos y opciones de programación idénticas. Las unidades vienen de serie con control rotativo sin pasos en el panel frontal, interfaz de computadora RS-232 y control externo analógico/digital aislado de 37 pines. Opciones como LXI TCP/IP Ethernet (+LXI), IEEE 488.2 GPIB (+GPIB) y USB Edgeport (externo) (+USB) están disponibles como interfaces de programación adicionales. Todas las interfaces de programación soportan el conjunto de comandos SCPI básico y son compatibles con el software Photovoltaic Power Profile Emulation. Además, se incluyen el software de interfaz remota para control del panel frontal basado en computadora y controladores IVI, para facilitar la programación remota. A medida que crecen los requisitos de potencia, también puede crecer el emulador de paneles solares. Con los bloques de construcción modulares ofrecidos por las fuentes de alimentación de Magna-Power Electronics, se pueden agregar unidades en paralelo o serie maestro/esclavo en cualquier momento. Para máxima flexibilidad, las unidades pueden usarse individualmente, en sistemas maestro/esclavo más pequeños, o todas juntas en un sistema grande, siempre que todos los módulos sean modelos iguales.
Para pruebas de inversores centrales, los productos de la serie MT se ofrecen en tamaños de módulo de 100 kW, 150 kW y 250 kW. Las unidades independientes de la serie MT basadas en IGBT se encuentran entre las fuentes de alimentación de modo conmutado estándar más grandes del mercado, minimizando el número de componentes de conmutación en comparación con tamaños de módulo más pequeños. La escalabilidad en el rango de varios megavatios se logra mediante el dispositivo UID47, que proporciona control maestro/esclavo: una fuente de alimentación toma el mando sobre las unidades restantes, para una verdadera operación del sistema.
Todas las fuentes de alimentación de Magna-Power Electronics pueden configurarse para operación en paralelo o serie maestro/esclavo con otras fuentes de alimentación de clasificación equivalente. La operación maestro/esclavo Plug & Play es proporcionada por el dispositivo UID47, que interconecta las señales de control entre las fuentes de alimentación.
Para aplicaciones de burn-in, los inversores centrales demandan altos voltajes y altas corrientes, pero a menudo no simultáneamente. Por lo tanto, contar con fuentes de alimentación capaces de ser reconfiguradas en diferentes configuraciones de módulos en serie y paralelo es ventajoso y, además, ofrece la solución más rentable. Por ejemplo, considere requisitos distintos de burn-in de inversores para 2000 Vdc a 500 Adc y también 500 Vdc a 2000 Adc. En lugar de especificar una fuente de alimentación capaz de 2000 Vdc y 2000 Adc, se puede especificar una solución mucho más pequeña y económica utilizando la configuración modular de Magna-Power Electronics, cambiando las fuentes de alimentación de operación en serie a paralelo para los distintos requisitos de prueba.
La reconfiguración de la etapa de salida de la fuente de alimentación de serie a paralelo se logra mediante un contactor externo o un interruptor de palanca de bajo costo. La reconfiguración no debe realizarse mientras las salidas estén energizadas; en su lugar, la fuente de alimentación debe estar a cero voltios y amperios. Además, los cables de control del UID47 también deben cambiarse, ya que la(s) unidad(es) esclava(s) reciben diferentes señales dependiendo de la operación en serie o paralelo. Los ingenieros de aplicación de Magna-Power Electronics están disponibles para asistir con las mejores prácticas para este proceso.
Opción de alta tasa de variación (+HS)
La opción de alta tasa de variación resuelve varias limitaciones inherentes al diseño de fuentes de alimentación conmutadas. Las transiciones rápidas de voltaje requieren que la electrónica interna suministre la energía para cargar y descargar los capacitores de salida. Las corrientes pico internas de la fuente de alimentación definen la tasa de variación; utilizar menos capacitancia permite transiciones de voltaje en períodos de tiempo más cortos. Además, una menor capacitancia reduce los requisitos de demanda de descarga durante condiciones de circuito abierto.
La etapa de salida estándar de las fuentes de alimentación de Magna-Power Electronics ha sido diseñada para proporcionar el menor voltaje de rizado de salida posible dentro de las limitaciones de componentes disponibles, tamaño y costo. Parte de la etapa de salida consiste en un banco de capacitores electrolíticos de aluminio que posee las propiedades eléctricas deseadas para proporcionar esta función. Estos componentes requieren resistencias de descarga para eliminar cualquier voltaje cuando la fuente de alimentación no tiene carga y está deshabilitada. Si bien la presencia de estos componentes y el rendimiento resultante son normalmente aceptados en la industria, existen aplicaciones donde una menor capacitancia de salida y resistencias de descarga de menor pérdida son extremadamente deseables y un mayor voltaje de rizado es aceptable. Para satisfacer esta necesidad, está disponible una opción de alta tasa de variación que cuenta con una etapa de salida compuesta por capacitores de película de baja capacitancia y capacitores electrolíticos de aluminio.
Para aplicaciones de emulación fotovoltaica, un mayor ancho de banda y una menor capacitancia de salida permiten un rendimiento mejorado con algoritmos de seguimiento de máxima potencia de mayor velocidad. Los circuitos de seguimiento de máxima potencia desvían el punto de operación de los paneles fotovoltaicos para determinar la potencia máxima de salida. Las fuentes de emulación de respuesta lenta pueden presentar un problema cuando la velocidad del algoritmo excede la de la fuente. Además, con una menor capacitancia de salida, los cambios en el punto de operación y los transitorios, causados por cortocircuitar la entrada del inversor solar, producen menores corrientes de entrada no deseadas.
Opción de salida de alto aislamiento (+ISO)
Al conectar unidades en serie, es importante tener en cuenta la clasificación de aislamiento de salida del producto, que varía según la serie y el modelo del producto, conforme a las especificaciones del producto. El aislamiento del producto no debe ser excedido por un sistema de fuentes de alimentación configuradas en serie. La siguiente tabla proporciona una referencia rápida de las clasificaciones de aislamiento de salida disponibles:
| Standard Output Isolation for Models Rated 1000 Vdc and Below, No Option | Output Isolation for Model Rated 250-1000 Vdc With +ISO Option | Standard Output Isolation for Models Rated Above 1000 Vdc, No Option | |
|---|---|---|---|
| XR Series | 1000 Vdc | N/A | N/A |
| TS Series | 1000 Vdc | ±(2000 Vdc + Vo/2) | ±(2000 Vdc + Vo/2) |
| MS Series | 1000 Vdc | ±(2000 Vdc + Vo/2) | ±(2000 Vdc + Vo/2) |
| MT Series | 1000 Vdc | 4000 Vdc | 4000 Vdc |
Note: Vo is the product's output voltage rating
El aislamiento estándar para los modelos de las series XR, TS y MS. Una opción de alto aislamiento (+ISO) está disponible para los productos de las series TS y MS de 1000 Vdc e inferior, permitiendo un aislamiento de salida de hasta 2000 Vdc + Vo/2 completamente flotante, donde Vo es la clasificación de voltaje de salida del producto. Los productos de la serie MT de 400 Vdc y superiores están disponibles con aislamiento de salida de 4000 Vdc.
Reciclaje de energía de inversores centrales
Los inversores centrales de escala de megavatios en desarrollo y producción imponen requisitos únicos en los equipos de prueba e instalaciones eléctricas. La salida de CA del inversor puede retroalimentarse a la entrada de la fuente de CC, permitiendo el reciclaje de energía. La salida del inversor solar comúnmente se recicla hacia la entrada de la fuente de alimentación de CC, permitiendo que el sistema de potencia se dimensione para suministrar solo las pérdidas totales; una pequeña fracción de la conversión total de energía. Con este tipo de configuración, los armónicos de potencia juegan un papel crítico en el rendimiento y la fiabilidad de las pruebas.
Los armónicos de corriente de entrada son un subproducto de casi todas las fuentes de alimentación. La potencia solo puede entregarse a la carga si la frecuencia y la fase del voltaje y la corriente coinciden. Para una fuente de alimentación trifásica que utiliza un rectificador de entrada trifásico, la corriente de entrada tiene un espectro teórico de 6n±1 donde n es un entero que se incrementa desde 1; esto se conoce como una forma de onda de 6 pulsos. Esto significa que una fuente de alimentación con un rectificador de entrada trifásico producirá corrientes de entrada a 1, 5, 7, 11, 13, 17, 19 ... veces la frecuencia fundamental. La magnitud teórica decae como el recíproco del componente armónico. Los componentes armónicos 5.° y 7.° tienen magnitudes del 20% y 14% del componente fundamental, respectivamente.
Las corrientes armónicas en los sistemas de potencia pueden encontrar caminos inusuales y causar problemas si la magnitud es significativa y hay cargas sensibles a las frecuencias armónicas. Por ejemplo, los balastos de iluminación tienen capacitores e inductores conectados en serie que pueden ser excitados por corrientes armónicas. IEEE ha introducido el estándar IEEE 519, que define los límites recomendados. La implementación de este estándar requiere conocimiento del sistema de potencia y otras cargas que producen armónicos. Desafortunadamente, el estándar puede permitir que la misma fuente de alimentación posiblemente exceda los límites en una aplicación y no en otra. En el mismo sentido, una fuente de alimentación puede o no causar un problema relacionado con armónicos cumpliendo o sin cumplir IEEE 519. La mejor solución para minimizar el riesgo de un problema de armónicos es eliminar la corriente armónica en la fuente.
Los neutralizadores de armónicos de Magna-Power Electronics suprimen familias de armónicos aumentando el número de fases de potencia. Pueden utilizarse cuando se usan múltiples fuentes de alimentación en serie o paralelo y están igualmente cargadas. Los neutralizadores de armónicos pueden producir formas de onda de 12, 18, 24 o 48 pulsos que tienen componentes de corriente armónica del orden de 12n±1, 18n±1, 24n±1 o 48n±1, respectivamente. La Figura 1 muestra la diferencia teórica entre las formas de onda de 6 y 12 pulsos; las formas de onda de 18 pulsos son similares, pero con más escalones. La Figura 2 muestra las diferencias espectrales resultantes. Los neutralizadores de armónicos de la serie HN están protegidos con disyuntores de tamaño apropiado.
Todos los productos de la serie MT de 250 kW vienen con un neutralizador de armónicos de 12 pulsos integrado, lo que significa que las fuentes de 250 kW producirán formas de onda de CA de 12 pulsos de serie. Para alcanzar niveles de potencia más altos, múltiples unidades de la serie MT de 250 kW se conectan en paralelo y/o serie maestro/esclavo utilizando el dispositivo UID47. Para inversores centrales en el rango de varios megavatios, Magna-Power Electronics ofrece un neutralizador de armónicos de 24 pulsos de 500 kW, HN500, o un neutralizador de armónicos de 48 pulsos, HN1000, para cumplir incluso con los requisitos de armónicos más exigentes. Cuando esta opción se suministra con un sistema grande de la serie MT, se utiliza un dispositivo HN500 con cada dos fuentes de alimentación de 250 kW o un HN1000 con cada cuatro fuentes de alimentación de 250 kW. La energía de CA entrante se suministra al primario del HN500/HN1000 para un solo punto de entrada. El cableado desde el lado secundario del HN500/HN1000 hasta la entrada de CA de la fuente de alimentación es proporcionado por Magna-Power Electronics.
Resumen
Magna-Power Electronics ofrece una amplia gama de soluciones para requisitos de prueba de inversores solares. El software Photovoltaic Power Profile Emulation proporciona generación de curvas V/I no lineales de acuerdo con el estándar EN50530, registro de datos, así como emulación secuencial de curvas a través de una fuente de alimentación de Magna-Power Electronics. Opciones como la salida de alta tasa de variación (+HS) y la salida de alto aislamiento (+ISO) ofrecen mejoras de salida para requisitos específicos de prueba de inversores solares. Finalmente, la innovadora tecnología de neutralización de armónicos de Magna-Power Electronics permite formas de onda de CA limpias, incluso al utilizar tecnología de fuentes de alimentación de modo conmutado en el rango de varios megavatios.