Integración solar: conceptos básicos de inversores y servicios de red

¿QUÉ SON LOS INVERSORES?

Un inversor es uno de los equipos más importantes en un sistema de energía solar. Es un dispositivo que convierte la electricidad de corriente continua (CC), que es la que genera un panel solar, en electricidad de corriente alterna (CA), que utiliza la red eléctrica. En CC, la electricidad se mantiene a un voltaje constante en una dirección. En CA, la electricidad fluye en ambas direcciones en el circuito a medida que el voltaje cambia de positivo a negativo. Los inversores son solo un ejemplo de una clase de dispositivos llamadoselectrónica de potencia that regulate the flow of electrical power.

Fundamentalmente, un inversor logra la conversión de CC a CA cambiando la dirección de una entrada de CC de un lado a otro muy rápidamente. Como resultado, una entrada de CC se convierte en una salida de CA. Además, los filtros y otros componentes electrónicos se pueden usar para producir un voltaje que varía como una onda sinusoidal repetitiva y limpia que se puede inyectar en la red eléctrica. La onda sinusoidal es una forma o patrón que hace el voltaje con el tiempo, y es el patrón de energía que la red puede usar sin dañar el equipo eléctrico, que está construido para operar a ciertas frecuencias y voltajes.

Los primeros inversores se crearon en el siglo XIX y eran mecánicos. Un motor giratorio, por ejemplo, se usaría para cambiar continuamente si la fuente de CC estaba conectada hacia adelante o hacia atrás. Hoy fabricamos interruptores eléctricos con transistores, dispositivos de estado sólido sin partes móviles. Los transistores están hechos de materiales semiconductores como el silicio o el arseniuro de galio. Controlan el flujo de electricidad en respuesta a señales eléctricas externas.

Si tiene un sistema solar doméstico, su inversor probablemente realiza varias funciones. Además de convertir su energía solar en energía de CA, puede monitorear el sistema y proporcionar un portal para la comunicación con redes informáticas. Los sistemas de almacenamiento de batería Solar-plus™ se basan en inversores avanzados para operar sin ningún apoyo de la red en caso de cortes, si están diseñados para hacerlo.

HACIA UNA RED BASADA EN INVERSORES

Históricamente, la energía eléctrica se ha generado predominantemente quemando un combustible y creando vapor, que luego hace girar un generador de turbina, que genera electricidad. El movimiento de estos generadores produce energía de CA a medida que gira el dispositivo, lo que también establece la frecuencia o la cantidad de veces que se repite la onda sinusoidal. La frecuencia de la red es un indicador importante para monitorear la salud de la red eléctrica. Por ejemplo, si hay demasiada carga, demasiados dispositivos que consumen energía, entonces la energía se elimina de la red más rápido de lo que se puede suministrar. Como resultado, las turbinas se ralentizarán y la frecuencia de CA disminuirá. Debido a que las turbinas son objetos masivos que giran, resisten cambios en la frecuencia al igual que todos los objetos resisten cambios en su movimiento, una propiedad conocida como inercia.

A medida que se agregan más sistemas solares a la red, se conectan más inversores a la red que nunca. La generación basada en inverter puede producir energía a cualquier frecuencia y no tiene las mismas propiedades inerciales que la generación basada en vapor, porque no hay una turbina involucrada. Como resultado, la transición a una red eléctrica con más inversores requiere la construcción de inversores más inteligentes que puedan responder a los cambios de frecuencia y otras interrupciones que ocurren durante las operaciones de la red, y ayudar a estabilizar la red contra esas interrupciones.

SERVICIOS DE RED E INVERSORES

Los operadores de red gestionan el suministro y la demanda de electricidad en el sistema eléctrico proporcionando una gama de servicios de red. Los servicios de red son actividades que realizan los operadores de la red para mantener el equilibrio en todo el sistema y administrar mejor la transmisión de electricidad.

Cuando la red deja de comportarse como se esperaba, como cuando hay desviaciones en el voltaje o la frecuencia, los inversores inteligentes pueden responder de varias maneras. En general, el estándar para los inversores pequeños, como los que se conectan a un sistema solar doméstico, es permanecer encendido durante o “aguantar” pequeñas interrupciones en el voltaje o la frecuencia, y si la interrupción dura mucho tiempo o es más grandes de lo normal, se desconectarán de la red y se apagarán. La respuesta de frecuencia es especialmente importante porque una caída en la frecuencia está asociada con la generación que se desconecta inesperadamente. En respuesta a un cambio en la frecuencia, los inversores están configurados para cambiar su potencia de salida para restaurar la frecuencia estándar. Los recursos basados ​​en inversores también pueden responder a las señales de un operador para cambiar su producción de energía a medida que fluctúa otra oferta y demanda en el sistema eléctrico, un servicio de red conocido como control automático de generación. Para proporcionar servicios de red, los inversores deben tener fuentes de energía que puedan controlar. Esto podría ser generación, como un panel solar que actualmente produce electricidad, o almacenamiento, como un sistema de batería que se puede usar para proporcionar energía que se almacenó anteriormente.

Otro servicio de red que pueden suministrar algunos inversores avanzados es la formación de red. Los inversores formadores de red pueden poner en marcha una red si se cae, un proceso conocido como arranque en negro. Los inversores tradicionales de seguimiento de red requieren una señal externa de la red eléctrica para determinar cuándo se producirá la conmutación a fin de producir una onda sinusoidal que se pueda inyectar en la red eléctrica. En estos sistemas, la energía de la red proporciona una señal que el inversor intenta igualar. Los inversores de formación de red más avanzados pueden generar la señal por sí mismos. Por ejemplo, una red de pequeños paneles solares podría designar a uno de sus inversores para que funcione en modo de formación de red mientras que el resto sigue su ejemplo, como parejas de baile, formando una red estable sin ninguna generación basada en turbinas.

La potencia reactiva es uno de los servicios de red más importantes que pueden proporcionar los inversores. En la red, el voltaje, la fuerza que empuja la carga eléctrica, siempre cambia de un lado a otro, al igual que la corriente, el movimiento de la carga eléctrica. La energía eléctrica se maximiza cuando el voltaje y la corriente están sincronizados. Sin embargo, puede haber momentos en que el voltaje y la corriente tengan retrasos entre sus dos patrones alternos, como cuando un motor está en marcha. Si no están sincronizados, parte de la energía que fluye a través del circuito no puede ser absorbida por los dispositivos conectados, lo que resulta en una pérdida de eficiencia. Se necesitará más energía total para crear la misma cantidad de energía “real”: la energía que las cargas pueden absorber. Para contrarrestar esto, las empresas de servicios públicos suministran energía reactiva, lo que vuelve a sincronizar el voltaje y la corriente y hace que la electricidad sea más fácil de consumir. Esta potencia reactiva no se utiliza en sí misma, sino que hace útil otra potencia. Los inversores modernos pueden proporcionar y absorber potencia reactiva para ayudar a las redes a equilibrar este importante recurso. Además, debido a que la energía reactiva es difícil de transportar a largas distancias, los recursos de energía distribuida, como la energía solar en los techos, son fuentes especialmente útiles de energía reactiva.

TIPOS DE INVERSORES

Hay varios tipos de inversores que pueden instalarse como parte de un sistema solar. En una planta de servicios públicos a gran escala o un proyecto solar comunitario a mediana escala, cada panel solar puede estar conectado a un soloinversor central. Cadena inverters connect a set of panels—a string—to one inverter. That inverter converts the power produced by the entire string to AC. Although cost-effective, this setup results in reduced power production on the string if any individual panel experiences issues, such as shading. Microinversores are smaller inverters placed on every panel. With a microinverter, shading or damage to one panel will not affect the power that can be drawn from the others, but microinverters can be more expensive. Both types of inverters might be assisted by a system that controls how the solar system interacts with attached battery storage. Solar can charge the battery directly over DC or after a conversion to AC.