Informe (Iberdrola)
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ORGANISMO EMISOR: IBERDROLA DISTRIBUCIÓN, S.A.U.<br />
PROTECCIONES Y ASISTENCIA TÉCNICA<br />
ASUNTO: SOBRETENSIONES GENERADAS POR PARQUES FOTOVOLTAICOS<br />
Preparado Comprobado Aprobado<br />
F. J. Pazos<br />
INFORME<br />
REFERENCIA: SPFV FECHA: 02/06/2008 HOJA 1 de 11<br />
1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA<br />
Dirección de Negocio<br />
Regulado<br />
En pruebas de desconexión de inversores fotovoltaicos se han detectado importantes<br />
sobretensiones, que han causado daños en equipos de baja tensión, principalmente en<br />
contadores y equipos electrónicos asociados a los inversores. Estas sobretensiones se<br />
producen cuando se abre un interruptor aguas arriba del inversor, bien sea de baja o<br />
media tensión, quedando uno o varios inversores en isla, de acuerdo al siguiente<br />
esquema simplificado.
ASUNTO: SOBRETENSIONES GENERADAS POR PARQUES<br />
FOTOVOLTAICOS<br />
REF.: SPFV<br />
FECHA: 02/06/2008<br />
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Se trata de un problema no cubierto por la normativa, incluso por la que está en<br />
elaboración.<br />
No existe norma internacional aplicable a generadores por encima de 16 A. En su<br />
defecto, podemos tomar como referencia, la norma EN 50438, aplicable a<br />
microgeneración habla de disparos en 0.2 segundos cuando la tensión supera el +15%.<br />
No obstante, los valores propuestos y las referencias a parámetros de calidad de onda,<br />
indican que estos ajustes no están orientados a transitorios, sino a las sobretensiones de<br />
duración relativamente larga propios del funcionamiento normal de la planta<br />
fotovoltaica.<br />
Por otro lado se ha observado que las sobretensiones en media tensión, en parques de<br />
5 MW, alcanzan valores peligrosos cuando la isla se compone de 5 o más inversores<br />
de 100 kW, conectados a través de transformadores en una barra MT sin carga.<br />
Probablemente, el fenómeno está relacionado con la interacción entre los inversores<br />
hasta el disparo por la protección de detección de isla. Hay que destacar que se trata<br />
de condiciones no contempladas en la norma.<br />
En cualquier caso, el problema no es el paso a isla en si mismo. El disparo por pérdida<br />
de alimentación tiene su procedimiento propio y no contempla que se pueda producir<br />
algún tipo de sobretensión durante la detección, sino que se centra en la detección<br />
efectiva de la pérdida de red en caso de que el generador se quede en isla con una<br />
carga comparable a la potencia que esté generando.<br />
Por tanto, ha sido necesaria una investigación particularizada de este fenómeno, para<br />
lo que se han realizado pruebas en diversos parques. En los ensayos, se ha reproducido<br />
el fenómeno con inversores de distintos fabricantes, registrando el momento en que se<br />
producen las averías de contadores.
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FOTOVOLTAICOS<br />
2. ANÁLISIS<br />
REF.: SPFV<br />
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La figura 1 muestra la forma de onda de las tensiones y corrientes, durante una apertura<br />
del interruptor de baja tensión que deja 2 inversores de 25 kW en isla, según el<br />
siguiente esquema simplificado, que solo representa 1 inversor.<br />
Figura 1: desconexión desde baja tensión
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FOTOVOLTAICOS<br />
REF.: SPFV<br />
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Se observa como el inversor dispara a los 60 ms, pero durante ese tiempo se produce<br />
una sobretensión severa, que alcanza aproximadamente el doble de la tensión<br />
nominal. Esta sobretensión se produce al quedar el inversor alimentando, y<br />
sobreexcitando, al transformador del filtro y al transformador de servicios auxiliares de<br />
la caseta.<br />
En la figura 2, se observa una maniobra desde el interruptor de 20 kV que desconecta 4<br />
inversores de 100 kW. En este caso, los inversores también se quedan energizando a 50<br />
transformadores de 100 kVA, dando lugar, igualmente, a una sobretensión.<br />
En este caso, la sobretensión se transfiere a media tensión, como se observa en la figura<br />
3, que representa la tensión vista en el secundario de un transformador 20/0.4 kV, que<br />
se encontraba en vacío.<br />
Esta perturbación supone un estrés excesivo para otros equipos electrónicos, como los<br />
contadores. Esto puede apreciarse en la simulación de la figura 4, que muestra el efecto<br />
sobre un rectificador trifásico. Se aprecia la enorme subida de tensión en el bus de<br />
continua y la tensión inversa en los diodos del puente. Estos valores son suficientes<br />
para provocar daños en muchos receptores electrónicos, como por ejemplo los diodos<br />
del rectificador.<br />
Asimismo, estos valores tan elevados dan lugar a la actuación de protecciones contra<br />
sobretensiones, varistores en BT y pararrayos en MT y AT. La exposición de este tipo de
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elementos a sobretensiones de tan larga duración, pueden dar lugar a su destrucción,<br />
con el consiguiente cortocircuito en las redes de baja, media o alta tensión.<br />
Figura 2: desconexión desde media tensión<br />
Figura 3: transferencia de la sobretensión a media tensión<br />
Por otro lado, las protecciones contra sobretensiones de baja tensión, al estar<br />
conectadas entre fase y neutro, tienen una tensión residual muy alta entre fases, ya que<br />
es necesario que conduzcan al menos dos de ellas, con lo que sus tensiones residuales<br />
se suman. La figura 5 muestra el efecto de dichas protecciones de 230 V nominales. Se<br />
puede observar como aunque achatan la forma de onda, el valor de pico sigue<br />
superando los 1200 V, lo que está por encima de lo que pueden soportar muchos<br />
equipos.
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Figura 4: Simulación de tensiones en un rectificador trifásico a partir de una onda real
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Figura 5: efecto de los supresores de sobretensiones conectados entre fase y neutro
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3. SOLUCIONES ENSAYADAS<br />
3.1 Protección software<br />
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La duración de las sobretensiones mostradas en las figuras es excesivamente larga<br />
como para ser tratada con supresores contra sobretensiones, tipo varistor o similar,<br />
porque no podrían soportar la cantidad de energía que tendrían que disipar.<br />
Por ello, como primera medida es necesario que los inversores incorporen una<br />
vigilancia de la tensión de alterna. Esta vigilancia tendría que dar lugar a una parada<br />
inmediata de la conmutación, en cuanto se observa el comienzo de la sobretensión.<br />
La figura 6 muestra el funcionamiento de una protección de este tipo incorporada en<br />
un inversor. Como se puede comprobar, se limita tanto el tiempo como la magnitud de<br />
la sobretensión.<br />
Figura 6: funcionamiento con protección rápida (3-4 milisegundos)<br />
Aunque el funcionamiento en este caso es mucho mejor que en los anteriores, se<br />
observa que todavía existen sobretensiones. En el caso de la figura, la tensión<br />
compuesta, o la que apreciaría en un bus de continua o como tensión inversa en un<br />
diodo, alcanza un valor de pico de aproximadamente 1100 V.<br />
La siguiente figura muestra el funcionamiento del inversor de otro fabricante, tras<br />
incluir una protección algo más rápida, que actúa en el entorno de 1milisegundo a<br />
partir de la detección de la sobretensión. En este caso se alcanzan tensiones de pico,
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entre fases, que no superan los 915 V. Aun y todo, la tensión entre fases llega a ser de<br />
del 162% de la nominal, y en la fase más afectada del 188%.<br />
Figura 7: funcionamiento con protección rápida (aprox. 1 milisegundo)<br />
3.2 Supresión de sobretensiones<br />
Las sobretensiones que persisten, a pesar de la parada rápida de la conmutación, se<br />
podrían controlar con la utilización de supresores de sobretensiones.<br />
Sin embargo, su utilización entre fase y neutro ha demostrado ser ineficaz. Dado que el<br />
funcionamiento de los inversores es a tres hilos, sin neutro, dichas protecciones contra<br />
sobretensiones son más efectivas si se conectan entre fases, es decir, en triángulo, lo<br />
que permite obtener tensiones finales más bajas. Un ejemplo de esto es el ensayo de la<br />
figura 8, donde los supresores reducen el valor de pico de la tensión compuesta un<br />
30%.<br />
Para poder utilizar dichos supresores sin que se destruyan, es necesario dimensionarlos<br />
de acuerdo a la energía entregada por cada modelo de inversor. Por tanto, tienen que<br />
ser los fabricantes quienes dimensionen estos equipos, teniendo en cuenta la potencia<br />
total del inversor y el tiempo de actuación de su protección contra sobretensiones.<br />
Asimismo, los ajustes de la detección software de la sobretensión deberían estar
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coordinados con la tensión residual que dejen los varistores, de manera que se<br />
garantice el disparo aunque los supresores estén conectados.<br />
En los casos en que se utilicen supresores, los protocolos de mantenimiento de la<br />
instalación deben tener en cuenta que este tipo de protección requiere revisión y,<br />
cuando llega a final de vida, sustitución.<br />
Además, el funcionamiento del inversor debería estar condicionado al buen estado del<br />
sistema de supresión de sobretensiones. Para ello los supresores y el interruptor<br />
automático que los protege deben disponer de contactos que detengan el inversor en<br />
caso de fallo.<br />
Figura 8: Utilización de supresores de sobretensiones entre fases.<br />
Tensión fase neutro y corrientes por el supresor.
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FOTOVOLTAICOS<br />
4. CONCLUSIONES<br />
REF.: SPFV<br />
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De manera transitoria, durante el paso a isla, los inversores fotovoltaicos emiten fuertes<br />
sobretensiones.<br />
• Dichas sobretensiones no solo afectan a los equipos de baja tensión, sino que se<br />
transmiten a la red de alta tensión.<br />
• Es necesario que los inversores dispongan de una vigilancia de sobretensiones en el<br />
lado de alterna, que provoque una parada rápida de la conmutación del inversor.<br />
• Adicionalmente, se pueden utilizar supresores de sobretensiones, específicamente<br />
dimensionados para este caso, hasta conseguir reducir los valores máximos de<br />
tensión a límites admisibles por la generalidad de los equipos conectados a la red.<br />
Para determinar el alcance real de este problema sería necesario conocer el<br />
funcionamiento de los distintos tipos de inversores utilizados en España ante este tipo<br />
de paso a isla. Para ello, las preguntas a responder por los fabricantes de inversores<br />
serían:<br />
• ¿Que valor de sobretensión generan sus inversores al quedarse en isla, alimentando<br />
a transformadores sin carga?<br />
• ¿Cuanto tiempo duran esas sobretensiones?<br />
• ¿Que protecciones software tienen los inversores para evitar este problema?<br />
• ¿Dispone de supresores de sobretensiones específicamente dimensionados para<br />
evitar este problema?