WO2011045447A1 - Procedimiento y sistema de generación solar - Google Patents

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    • Y10S323/906—Solar cell systems

Definitions

  • the present invention belongs to the field of renewable energies, and more specifically to the production, conversion or distribution of electrical energy in photovoltaic solar power plants.
  • the main object of the present invention is a process of solar generation that has two modes of operation, one that allows to obtain the maximum energy production for each operating condition, and another that makes possible the integration into photovoltaic plants' electrical systems.
  • a system capable of carrying out said procedure is also described.
  • the term "electricity network” will be used in general to refer to any electrical system in general to which a photovoltaic system is connected.
  • the photovoltaic systems connected to the network are becoming a standard technology to generate electricity in developed countries.
  • photovoltaic modules combined with inverters are today one of the mature technologies of electricity generation in a future large-scale distributed generation environment.
  • photovoltaic systems consist of a set of solar panels that feed an inverter (dc / ac converter), with or without a transformer, that is connected to the electricity grid through a meter that allows to know the energy provided by the installation.
  • the inverter equipment may include a DC / DC converter.
  • the inverter usually operates at variable power, at all times seeking the point of maximum output power. This power depends on the energy that reaches the inverter from the solar panels and therefore on the irradiance conditions, and on the temperature. On the other hand, the inverter switches off automatically when the energy that reaches it is below a certain value, that is, when the irradiance is weak, being below a certain threshold. In the case of including the inverter a dc / dc converter, it will adapt the voltage provided by the panels to a constant value that will feed the dc / ac converter, which will always automatically operate with the same input voltage.
  • an accumulator or battery bank is used in the photovoltaic system to store the energy produced during the day, which is used at night and in cloudy periods.
  • a charge regulator controls the operation of the system and the flow of current to and from the battery to protect it from an overload, over discharge, etc.
  • Fig. 1 shows a graph of the power and intensity of a solar panel against the voltage, where it is appreciated how the power is maximum at a given voltage that depends on the atmospheric conditions (temperature and solar irradiation).
  • the operating procedures of solar generation systems are limited to continuously seeking the point of maximum generation of active power.
  • the contingencies of the electricity network may sometimes suggest reducing the active power generated and increasing the reactive.
  • a method of operating a solar generation system comprising at least one set of solar cells connected to an inverter that transmits the energy generated to an electrical network.
  • the parameters that determine the behavior of the inverter will be controlled by means of an inverter controller. This controller can be implemented as a separate unit from the inverter, or be integrated with it.
  • the method comprises controlling the active and reactive powers that the system transmits to the power grid by controlling the voltage of the solar cells and the outgoing current of the inverter, so that in a first mode of operation the Solar cell voltage is what provides maximum active power, while in a second mode of operation the voltage in solar cells provides less than maximum active power.
  • Fig. 2 will be used, which shows a fasorial diagram where each vector corresponds to a given apparent power, which is broken down respectively in sum of the vectors of the active (abscissa axis) and reactive ( Edge of ordered).
  • the apparent power transmitted by the solar generation system to the power grid is the product of voltage by intensity.
  • the inverter At the output of the generation system, through the inverter, the voltage is set by the supply voltage (V re d), while the intensity (L i nv) can be controlled by the inverter.
  • the inverter is designed to have a maximum output current (LVMAX), and therefore there is an apparent power available at all times S d ⁇ sp which depends on the maximum output current and the grid voltage.
  • - variations in the outgoing current (L i nv) inverter correspond to variations in the radius of the circle representing the apparent power and may not exceeded the limits set by a circle of radius Sdisp- be seen in Fig 2 how a. Decrease in inverter output current causes the apparent power generated to pass from S A to S B. - variations in the active power generated by the solar cells, through the control of the voltage ( ⁇ ⁇ ⁇ ) of said cells, correspond to variations in the angle of the vector representing the apparent power S, keeping S constant and therefore the Vector tip on the same circumference. Fig. 2 shows how an increase in cell tension causes the apparent power generated to pass from SA to Se.
  • V network may not remain constant.
  • QMAX maximum reactive power that can be poured is determined by the available apparent power (S d ⁇ S p) and the active power (P ce i) transmitted by the inverter and from the cells:
  • the maximum reactive power (QMAX) is less than the reactive power required for the network support, it is possible to increase said maximum reactive power (QMAX) by decreasing the active power through the control of the voltage in the cells. Since the network voltage is variable and affects, as has been exposed, the apparent power available (Sdisp), the comparison of the reactive power required with the maximum reactive power that can be generated must be done regularly. This will be explained in greater detail later in this document with specific examples.
  • the process of the invention comprises two modes of operation: - A first mode of operation where the voltage applied to solar cells is the one that provides maximum active power.
  • This mode of operation corresponds approximately to the procedures according to the prior art, where a "maximum power tracking" or monitoring of the point of maximum active power of the solar cells is performed as the irradiance and temperature conditions change.
  • Raising the voltage to reduce the power generated instead of reducing it, has the advantage that it implies lower intensities through the different devices that make up the system, thus reducing its heating and increasing its useful life.
  • Another advantage is that the system is more stable, if a capacity (or capacitor) is connected in parallel between the solar cells and the inverter. A sudden decrease in the active power generated by the solar cells will cause the capacitor to discharge, decreasing the voltage, which will therefore approach the maximum power voltage and the power generated by the solar cells will grow again. Therefore, in this preferred embodiment the operating area of the generation system will be located from the point of maximum power to the right in the PV curve, as shown in Fig. 1.
  • the transition from the first mode of operation to the second mode of operation comprises loading a capacity arranged in parallel between the solar cells and the inverter, using part of the active power generated by the solar cells.
  • the passage of the second mode of operation at the first mode of operation comprises discharging the capacity, which transmits part of the energy stored to the power grid through the inverter.
  • the procedure described therefore, allows the solar cells to generate the maximum possible power in the first mode of operation according to the operating conditions, moving to the second mode of operation in response to different contingencies of the power grid.
  • it is preferably passed to the second mode of operation when any of the following contingencies is detected:
  • Another preferred embodiment of the invention is directed to a control process of a generation plant formed by a plurality of solar generation systems by means of a central control unit.
  • the central control unit sends instructions to the different controllers of the inverters, determining the mode of operation of each depending on the state of the network. It is possible, depending on the needs, that some of the solar generation systems work in the first mode of operation and others do so in the second mode of operation.
  • a second aspect of the invention relates to a solar generation system capable of carrying out the described process. previously, which includes:
  • a set of solar cells connected to an inverter, which in turn transmits the generated energy to an electrical network.
  • this capacitor connected in parallel between the inverter and the solar cells, whose charge and discharge allow to control the voltage applied in solar cell bums.
  • this capacitor can be either a single capacitor or a capacitor bank.
  • An inverter control unit controls the solar cell voltage and the output current of the inverter so that the system has a first mode of operation where the voltage (V ce i) of the capacitor provides maximum power active possible according to the operating conditions of each moment; and a second mode of operation where the voltage (V ce i) of the capacitor is different, preferably greater, from that corresponding to the maximum possible active power, generating an active power less than the maximum to optimize the integration of the solar generation system with the power grid
  • the generation system further comprises a set of sensors that provide the inverter control unit with information about the state of the electricity grid and solar cells.
  • another particular embodiment of the invention comprises energy storage means, and preferably also a storage controller that coordinates the loading and unloading operations of the storage means, which can be electrical, chemical means (batteries, hydrogen batteries , ...), mechanics (flywheels, water pumping, compressed air, ).
  • the presence of storage media in the system of the invention opens multiple possibilities in relation to the operation thereof.
  • the energy generated by solar cells can be used, totally or partially, to charge the storage media.
  • the storage media can provide additional power to the network in addition to that generated by solar cells.
  • active charging being understood as any type of charge that can be controlled to support a variable supply, for example, electrolyser equipment.
  • active loading is a facility to desalinate seawater.
  • a further embodiment of the invention is directed to a solar generation plant comprising a set of solar generation systems as described above, and also comprising a central control unit connected to the control units of the inverters for transmitting respective setpoints. of operation depending on the state of the electrical network, or the requirements of the network operator.
  • a plant like this can maximize energy production when possible and also provide additional services to the network when required. Some of these services can be obtained by simultaneously combining solar generation systems operating in the first mode with other systems operating in the second mode.
  • a solar generation plant it is operated to some systems in the second mode of operation in the following contingencies:
  • the central control unit will preferably send power limitation and / or power reduction setpoints to the inverter controllers. Solar generation systems will reduce the power generated, from the first to the second mode of operation, if they receive a power limitation setpoint or if they generate a power greater than the power limitation setpoint.
  • the instructions can be different for each of the generation systems, thus obtaining advantageous benefits from the solar generation plant. For example, when a solar power plant is requested to maintain a reduction in power over a period of time over the maximum it could generate (available active power), the difficulty arises of knowing what the current value of active power is. available, when said active power is being limited. Said active power available is changing and depends at least on the temperature, solar irradiation, and accumulated dirt in the cells.
  • a mode of operation of the solar generation plant is proposed according to which some systems are in the first mode of operation and others in the second mode of operation, estimated from the active power that the first ones generate what is the maximum production that the entire park could generate (the available active power), and establish from that data the active power setpoint for the rest of the systems, so that the total power generated by the plant meets the requirement of active power limitation.
  • instructions can be sent from the control unit to soften its derivatives: if a cloud enters the solar field, the systems in the first mode of operation will decrease their rapidly generated active power, reducing also the calculated available power. To compensate for this effect, the central control unit can send instructions to the systems that are in the second mode of operation to increase their generated power. In this way, power variations are smoothed out.
  • Figure 1 Shows a graph of the PV characteristic of a solar cell.
  • Figure 2 Shows a fasorial diagram showing how the active and reactive powers vary depending on the voltage of the solar cells and the intensity of the inverter.
  • Figure 3 Shows a scheme of a solar generation system according to the present invention.
  • Figure 4 Shows a scheme of a solar generation plant according to the present invention.
  • FIG. 5 Shows an example of application of the invention.
  • FIG. 3 shows a diagram of a solar generation system (1) according to the invention where the different elements that compose it are appreciated: a set of solar cells (2) connected to an inverter (4), which transmits the generated power to the power grid (6).
  • a controller (5) receives information about the state of the power grid (6) and the voltage ( ⁇ ⁇ ⁇ ) on solar cell terminals (2) to properly control the inverter (4).
  • a capacitor (3) is arranged in parallel between the solar cells (2) and the inverter (4), so that any variation in the voltage (V ce i) of the solar cells (2) implies their charge and discharge .
  • FIG. 4 shows a simplified scheme of a solar generation plant (8) formed by a set of systems (1) as previous.
  • three systems (1) have been represented in parallel, each of which can be controlled from a central control unit (7) connected to each of the controllers (5) of the inverters (4) of the respective systems.
  • Fig. 5 represents an example of the process of the invention that can be carried out by a system (1) such as that of Fig. 3.
  • a system (1) such as that of Fig. 3.
  • Sd ⁇ sp i there is an available power Sd ⁇ sp i, generating a power active Pi which is the maximum possible active power for the current conditions of irradiance and temperature, and a reactive power adequate to the requirements of the power grid (6) at that time.
  • Sd ⁇ sp i the apparent power
  • Fig. 6 another example of application of the invention is shown in which the starting situation is similar.
  • the power available is Sd ⁇ sp i is generating an active power Pi, which is the maximum possible power for those conditions, and a reactive power Qi.
  • the apparent power If it is less than the apparent power available.
  • a voltage gap considerably decreases the apparent power available and increases the reagent production requirements.
  • an overvoltage demands a reactive power consumption that may make it necessary to reduce the active power generated.
  • control unit (5) of the inverter (4) is capable of calculating the final reactive setpoint (Q re f) based on the voltage of the mains (6) measured locally.
  • control unit (5) comprises a conventional regulator that, from the difference between the measured voltage (V med ) and a voltage setpoint (V re f), calculates the final reactive power setpoint (Q re f).
  • the central control unit (7) measures the voltage (V cmed ) or the power factor at the connection point of the solar generation plant (8) to the power grid (6), and calculates from said value the reactive power setpoints for the different generation systems (1).
  • the central control unit (7) comprises a conventional regulator that, from the difference between the voltage or factor of measured power and a voltage setpoint (V cre f) or power factor, calculates the reactive power setpoint (Q cr ef) and sends it to the control units (5) of the different generation systems (1) .
  • the local voltage control at the generation system level (1), implemented by the control means (5) is combined with the voltage control or power factor at the generation plant level (8), implemented by the central control unit (7).
  • the local voltage setpoint is generated (V re f) in bomas of the generation system (1).
  • the voltage controls in the generation system (1) are fast, to attend to sudden changes in the voltage, while the voltage controls or power factor at the plant level (8) of generation are slower and serve to adjust the behavior of the total plant (8).
  • a setpoint of active power (P re f) for the system (1) If, due to environmental conditions, the active power generated by the system (1) exceeds said setpoint, it will be passed in a preferred embodiment to the second mode of operation by modifying the voltage of the cells (2). Reagent generation by a generation plant Solar can be performed even in the absence of active generation, for example at night.
  • a generation plant (8) is described where the operator of the electricity network (6) requires a power reserve (8) from the solar generation plant, that is, it generates a lower active power than the active power available. For example, you could ask the plant (8) to generate a power that is 2% less than the active power available over a period of time.
  • requesting a generation system to reduce the power by 2% implies that it is not easy for a generation system (1), once it reduces the power it generates by switching to the second mode of operation, knowing what the maximum power it could generate.
  • the central control unit (7) of the plant (8) operates a first group of systems (1) in the first mode of operation and a second group of systems (1) in the second mode of operation. functioning.
  • the first group of systems (1) is composed of half of the generation systems (1) that make up the plant (8), and also that said first group is evenly distributed throughout the plant (8).
  • the active power available for the entire generation plant (8) can be estimated quite closely as double the active power produced by the first group of systems (1).
  • the central control unit (7) calculates and sends active power reduction setpoints for the second group of systems (1).
  • instructions will be sent to the systems (1) that make up the second group of systems (1) so that the second group produces in total 48% of the active power available in the total of the plant (8).
  • the production of the two groups of systems (1) the resulting is 98% of the available active power, thus fulfilling the operator's requirement.

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Abstract

La invención describe un procedimiento de generación solar mediante un sistema (1) que comprende un conjunto de células solares (2) conectadas a un inversor (4), que transmite la energía generada a una red eléctrica (6), 5que comprende controlar las potencias activa y reactiva que el sistema (1) transmite a la red eléctrica (6) mediante el control de la tensión (Vcel ) de las células (2) y de la corriente (Iinv ) de salida del inversor (4), tal que: en un primer modo de funcionamiento, la tensión (Vcel ) de las células (2) proporciona la máxima potencia activa según las condiciones de operación; y 10en un segundo modo de funcionamiento, la tensión (Vcel ) en las células (2) es diferente de la tensión que proporciona la máxima potencia activa, generándose una potencia activa menor que la máxima para optimizar la integración del sistema (1) de generación solar con la red eléctrica (6).

Description

PROCEDIMIENTO Y SISTEMA DE GENERACION SOLAR
D E S C R I P C I Ó N OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención pertenece al campo de las energías renovables, y más concretamente a la producción, conversión o distribución de energía eléctrica en plantas de energía solar fotovoltaica.
El objeto principal de la presente invención es un procedimiento de generación solar que tiene dos modos de funcionamiento, uno que permite obtener la máxima producción de energía para cada condición de funcionamiento, y otro que hace posible la integración en sistemas eléctricos de las plantas fotovoltaicas. Además, se describe también un sistema capaz de llevar a cabo dicho procedimiento.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN En el presente documento, se utilizará en general el término "red eléctrica" para hacer referencia a cualquier sistema eléctrico en general al que esté conectado un sistema fotovoltaico. Actualmente los sistemas fotovoltaicos conectados a la red están convirtiéndose en una tecnología estándar para generar energía eléctrica en los países desarrollados. Comenzando como instalaciones de corriente continúa descentralizadas y aisladas hace algunos años, los módulos fotovoltaicos combinados con inversores constituyen en el día de hoy una de las tecnologías maduras de generación eléctrica en un entorno futuro de generación distribuida a gran escala.
Dichos sistemas fotovoltaicos están constituidos por un conjunto de paneles solares que alimentan a un equipo inversor (convertidor cc/ca), con o sin transformador, que se conecta a la red eléctrica a través de un contador que permite conocer la energía aportada por la instalación. En algunas ocasiones el equipo inversor puede incluir un convertidor cc/cc.
El equipo inversor funciona habitualmente a potencia variable, buscando en todo momento el punto de máxima potencia de salida. Dicha potencia depende de la energía que llegue al inversor procedente de los paneles solares y por lo tanto de las condiciones de irradiancia, y de la temperatura. Por otra parte, el inversor se desconecta automáticamente cuando la energía que le llega está por debajo de un determinado valor, es decir, cuando la irradiancia es débil, estando por debajo de un determinado umbral. En el caso de incluir el inversor un convertidor cc/cc, éste adaptará la tensión proporcionada por los paneles a un valor constante que alimentará el convertidor cc/ca, el cual funcionará automáticamente siempre con la misma tensión de entrada. A veces se usa un acumulador o banco de baterías en el sistema fotovoltaico para almacenar la energía producida durante el día, la cual se usa durante la noche y en períodos nublados. Un regulador de carga controla la operatividad del sistema y el flujo de la corriente hacia y desde la batería para protegerla de una sobrecarga, sobredescarga, etc.
En la actualidad existen dos frentes de desarrollo en cuanto a energía solar fotovoltaica se refiere: en primer lugar, maximizar la producción de energía, y en segundo lugar, hacer posible la integración en red de las plantas fotovoltaicas. Debido al crecimiento de las energías renovables es necesario que las plantas fotovoltaicas sean capaces de dar servicios a la red y contribuir con su estabilidad, por lo que cada vez más, y con más motivo en grandes plantas fotovoltaicas, es necesario solucionar el problema de su integración en la red eléctrica. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Es conocido que la potencia activa generada por una célula solar está en función de la tensión de dicha célula. La Fig. 1 muestra una gráfica de la potencia y la intensidad de una placa solar frente a la tensión, donde se aprecia cómo la potencia es máxima a una tensión determinada que depende de las condiciones atmosféricas (temperatura e irradiación solar). Actualmente, según se ha mencionado anteriormente, los procedimientos de operación de sistemas de generación solar se limitan a buscar de modo continuo el punto de máxima generación de potencia activa. Sin embargo, las contingencias de la red eléctrica pueden aconsejar en ocasiones disminuir la potencia activa generada y aumentar la reactiva.
Los inventores de la presente solicitud han descubierto que un control adecuado del inversor, teniendo en cuenta la forma de la curva P-V, de una célula solar permite controlar la potencia activa y la potencia reactiva que se transmiten a la red eléctrica, contribuyendo a la estabilidad de la red en función de su estado en cada momento. Según un primer aspecto de la invención, se describe un procedimiento de operación de un sistema de generación solar, donde el sistema comprende al menos un conjunto de células solares conectadas a un inversor que transmite la energía generada a una red eléctrica. Aunque no se menciona explícitamente en esta descripción, se entiende que los parámetros que determinan el comportamiento del inversor estarán controlados por medio de un controlador del inversor. Este controlador puede estar implementado como una unidad separada del inversor, o bien estar integrado con el mismo. Así, el procedimiento comprende controlar las potencias activa y reactiva que el sistema transmite a la red eléctrica mediante el control de la tensión de las células solares y de la corriente saliente del inversor, de modo que en un primer modo de funcionamiento la tensión de las células solares es la que proporciona la máxima potencia activa, mientras que en un segundo modo de funcionamiento la tensión en las células solares proporciona una potencia activa menor que la máxima. Para ilustrar el procedimiento de la invención se empleará la Fig. 2, que muestra un diagrama fasorial donde cada vector corresponde a una potencia aparente determinada, que se descompone respectivamente en suma de los vectores de las potencias activa (eje de abscisas) y reactiva (eje de ordenadas). La potencia aparente transmitida por el sistema de generación solar a la red eléctrica es el producto de la tensión por la intensidad.
Figure imgf000006_0001
A la salida del sistema de generación, a través del inversor, la tensión está fijada por la tensión de la red (Vred), mientras que la intensidad (l¡nv) se puede controlar por medio del inversor. El inversor tiene por diseño una máxima corriente de salida (LVMAX), y por lo tanto en cada momento hay una potencia aparente disponible Sd¡sp que depende de la máxima corriente de salida y de la tensión de red.
Sdisp = Vred ' linvMAX
En consecuencia, y suponiendo que la tensión de red (Vred) se mantiene constante, según se ha dibujado en las Fig. 2 y Fig. 5:
- variaciones en la intensidad saliente (l¡nv) del inversor corresponden a variaciones en el radio de la circunferencia que representa la potencia aparente, no pudiendo rebasarse los límites fijados por una circunferencia de radio Sdisp- Se aprecia en la Fig. 2 cómo una disminución de la intensidad de salida del inversor hace que la potencia aparente generada pase de SA a SB. - variaciones en la potencia activa generada por las células solares, a través del control de la tensión (ν∞ι) de dichas células, corresponden a variaciones del ángulo del vector que representa la potencia aparente S, manteniéndose S constante y por lo tanto la punta del vector en una misma circunferencia. La Fig. 2 muestra cómo un aumento de la tensión de las células hace que la potencia aparente generada pase de SA a Se.
Sin embargo, en un caso real la tensión de red (Vred) puede no permanecer constante. En ese caso, para que un sistema fotovoltaico contribuya a la estabilidad de la red eléctrica debe verter una potencia reactiva determinada por los requerimientos del operador y por dicha tensión y frecuencia de la red. Por otro lado, la potencia reactiva máxima (QMAX) que puede verterse viene determinada por la potencia aparente disponible (Sd¡Sp) y la potencia activa (Pcei) transmitida por el inversor y procedente de las células:
Figure imgf000007_0001
Si la potencia reactiva máxima (QMAX) es menor que la potencia reactiva que se requiere para el soporte de la red, es posible aumentar dicha potencia reactiva máxima (QMAX) disminuyendo la potencia activa a través del control de la tensión en las células. Puesto que la tensión de la red es variable y afecta, tal como se ha expuesto, a la potencia aparente disponible (Sdisp), la comparación de la potencia reactiva que se requiere con la máxima potencia reactiva que es posible generar debe hacerse regularmente. Esto se explicará con mayor detalle más adelante en el presente documento con ejemplos concretos.
En resumen, el procedimiento de la invención comprende dos modos de funcionamiento: - Un primer modo de funcionamiento donde la tensión aplicada a las células solares es la que proporciona la máxima potencia activa. Este modo de funcionamiento corresponde aproximadamente a los procedimientos según la técnica anterior, donde se realiza un "máximum power tracking" o seguimiento del punto de máxima potencia activa de las células solares a medida que cambian las condiciones de irradiancia y temperatura.
- Un segundo modo de funcionamiento donde la tensión aplicada a las células solares es diferente, preferentemente mayor, que la tensión que proporciona la máxima potencia activa.
Elevar la tensión para disminuir la potencia generada, en lugar de reducirla, tiene la ventaja de que implica menores intensidades a través de los diferentes dispositivos que componen el sistema, reduciéndose así su calentamiento y aumentando su vida útil. Otra ventaja es que el sistema es más estable, si se conecta una capacidad (o condensador) en paralelo entre las células solares y el inversor. Una disminución súbita en la potencia activa generada por las células solares hará que el condensador se descargue, disminuyendo la tensión, que por tanto se acercará a la tensión de potencia máxima y la potencia generada por las células solares volverá a crecer. Por tanto, en esta realización preferida la zona de funcionamiento del sistema de generación estará situada desde el punto de máxima potencia hacia la derecha en la curva P-V, como se representa en la Fig. 1. De acuerdo con una realización preferida de la invención, el paso del primer modo de funcionamiento al segundo modo de funcionamiento comprende cargar una capacidad dispuesta en paralelo entre las células solares y el inversor, empleándose para ello parte de la potencia activa generada por las células solares.
De modo similar, preferiblemente el paso del segundo modo de funcionamiento al primer modo de funcionamiento comprende descargar la capacidad, que transmite parte de la energía almacenada a la red eléctrica a través del inversor. El procedimiento descrito, por lo tanto, permite que en el primer modo de funcionamiento las células solares generen la máxima potencia posible según las condiciones de funcionamiento, pasándose al segundo modo de funcionamiento en respuesta a diferentes contingencias de la red eléctrica. Así, preferiblemente se pasa al segundo modo de funcionamiento cuando se detecta alguna de las siguientes contingencias:
- un aumento de la frecuencia de la red eléctrica por encima de un valor umbral preestablecido;
- una derivada de la frecuencia de la red eléctrica respecto del tiempo por encima de un valor umbral preestablecido;
- una tensión de la red eléctrica fuera de un rango preestablecido;
- un funcionamiento en isla. Otra realización preferida de la invención está dirigida a un procedimiento de control de una planta de generación formada por una pluralidad de sistemas de generación solar por medio de una unidad de control central. En este caso, la unidad de control central envía consignas a los diferentes controladores de los inversores, determinando el modo de funcionamiento de cada uno en función del estado de la red. Es posible, en función de las necesidades, que algunos de los sistemas de generación solar funcionen en el primer modo de funcionamiento y que otros lo hagan en el segundo modo de funcionamiento. Un segundo aspecto de la invención se refiere a un sistema de generación solar capaz de llevar a cabo el procedimiento descrito anteriormente, que comprende:
- Un conjunto de células solares conectadas a un inversor, que a su vez transmite la energía generada a una red eléctrica.
- Un condensador conectado en paralelo entre el inversor y las células solares, cuya carga y descarga permite controlar la tensión aplicada en bomas de las células solares. En el presente documento, se entiende que este condensador puede ser bien un único condensador o bien una batería de condensadores.
- Una unidad de control del inversor controla la tensión de las células solares y la intensidad de salida del inversor de tal modo que el sistema tiene un primer modo de funcionamiento donde la tensión (Vcei) del condensador es la que proporciona la máxima potencia activa posible según las condiciones de operación de cada momento; y un segundo modo de funcionamiento donde la tensión (Vcei) del condensador es diferente, preferentemente mayor, de la correspondiente a la máxima potencia activa posible, generándose una potencia activa menor que la máxima para optimizar la integración del sistema de generación solar con la red eléctrica.
Preferentemente, el sistema de generación comprende además un conjunto de sensores que proporcionan a la unidad de control del inversor información acerca del estado de la red eléctrica y de las células solares.
Además, otra realización particular de la invención comprende unos medios de almacenamiento de energía, y preferiblemente también un controlador de almacenamiento que coordina las operaciones de carga y descarga de los medios de almacenamiento, que pueden ser medios eléctricos, químicos (baterías, pilas de hidrógeno,...), mecánicos (volantes de inercia, bombeo de agua, aire comprimido,...). Se entiende que la presencia de medios de almacenamiento en el sistema de la invención abre múltiples posibilidades con relación al funcionamiento del mismo. Por ejemplo, la energía generada por las células solares se puede emplear, total o parcialmente, para cargar los medios de almacenamiento. Asimismo, en determinadas situaciones los medios de almacenamiento pueden aportar energía adicional a la red además de la generada por las células solares.
También puede coordinarse el funcionamiento de las células solares con cargas activas, entendiendo por carga activa cualquier tipo de carga susceptible de ser controlada para soportar una alimentación variable, por ejemplo, equipos electrolizadores. Otro ejemplo de carga activa es una instalación para desalar agua del mar. Coordinando la producción de energía de las células solares con el consumo de cargas activas puede obtenerse una generación neta de energía con una menor variabilidad. En este caso, existirá también un controlador de cargas activas para coordinar las operaciones de alimentación de cargas activas o gestionables (aquellas susceptibles de soportar alimentación variable)
Otra realización más de la invención está dirigida a una planta de generación solar que comprende un conjunto de sistemas de generación solar como los descritos anteriormente, y que además comprende una unidad de control central conectada a las unidades de control de los inversores para transmitirles respectivas consignas de funcionamiento en función del estado de la red eléctrica, o de requerimientos del operador de la red. Una planta como esta puede maximizar la producción de energía cuando sea posible y además proporcionar servicios adicionales a la red cuando esta lo requiera. Algunos de estos servicios se pueden obtener combinando en la planta simultáneamente sistemas de generación solar funcionando en el primer modo con otros sistemas funcionando en el segundo modo.
Preferiblemente, en una planta de generación solar se hace funcionar a algunos sistemas en el segundo modo de funcionamiento ante las siguientes contingencias:
- una limitación de la potencia máxima a generar por la planta de generación, motivada por ejemplo por una capacidad limitada en la línea de evacuación que puede ser permanente o transitoria;
- una reducción de la potencia generada por la planta respecto a la máxima que podría generar motivada por un requerimiento del operador de la red. En este caso se dispone de una reserva de potencia y, ante una reducción de la frecuencia de la red, la planta pueda aumentar la potencia generada, colaborando así a restablecer el normal funcionamiento de la red. Para atender a las contingencias descritas, la unidad de control central enviará a los controladores de los inversores preferiblemente consignas de limitación de potencia y/o consignas de reducción de potencia. Los sistemas de generación solar reducirán la potencia generada, pasando del primer al segundo modo de funcionamiento, si reciben una consigna de limitación de potencia o si generan una potencia mayor que la consigna de limitación de potencia.
Las consignas pueden ser distintas para cada uno de los sistemas de generación, obteniéndose así prestaciones ventajosas de la planta de generación solar. Por ejemplo, cuando a una planta de generación solar se le solicita que mantenga durante un periodo de tiempo una reducción de potencia respecto a la máxima que podría generar (potencia activa disponible), surge la dificultad de conocer cuál es el valor actual de potencia activa disponible, cuando se está limitando dicha potencia activa. Dicha potencia activa disponible es cambiante y depende al menos de la temperatura, irradiación solar, y suciedad acumulada en las células. Para solventar la dificultad descrita se propone en la presente invención un modo de funcionamiento de la planta de generación solar según el cual algunos sistemas están en el primer modo de funcionamiento y otros en el segundo modo de funcionamiento, estimándose a partir de la potencia activa que generan los primeros cuál es la producción máxima que podría generar todo el parque (la potencia activa disponible), y establecer a partir de ese dato la consigna de potencia activa para el resto de sistemas, de modo que la potencia total generada por la planta cumple el requerimiento de limitación de potencia activa.
Además, a partir de la evolución de la potencia disponible calculada se pueden enviar consignas desde la unidad de control para suavizar sus derivadas: si entra una nube en el campo solar los sistemas en el primer modo de funcionamiento disminuirán su potencia activa generada rápidamente, reduciéndose también la potencia disponible calculada. Para compensar este efecto, la unidad central de control puede enviar consignas a los sistemas que están en el segundo modo de funcionamiento para que aumenten su potencia generada. De este modo, se consigue suavizar las variaciones de potencia.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: Figura 1 : Muestra una gráfica de la característica P-V de una célula solar. Figura 2: Muestra un diagrama fasorial donde se aprecia cómo varían las potencias activa y reactiva en función de la tensión de las células solares y de la intensidad del inversor. Figura 3: Muestra un esquema de un sistema de generación solar de acuerdo con la presente invención.
Figura 4: Muestra un esquema de una planta de generación solar de acuerdo con la presente invención.
Figura 5: Muestra un ejemplo de aplicación de la invención.
Figura 6: Muestra otro ejemplo de aplicación de la invención. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
Se describen a continuación ejemplos concretos del sistema y procedimiento de la invención haciendo referencia a las figuras adjuntas. En particular, la Fig. 3 muestra un esquema de un sistema (1 ) de generación solar de acuerdo con la invención donde se aprecian los diferentes elementos que lo componen: un conjunto de células solares (2) conectadas a un inversor (4), que transmite la potencia generada a la red eléctrica (6). Un controlador (5) recibe información acerca del estado de la red eléctrica (6) y de la tensión (ν∞ι) en bornas de las células solares (2) para controlar adecuadamente el inversor (4). Además, un condensador (3) está dispuesto en paralelo entre las células solares (2) y el inversor (4), de modo que cualquier variación de la tensión (Vcei) de las células solares (2) implica su carga y descarga. La Fig. 4, por otro lado, muestra un esquema simplificado de una planta (8) de generación solar formada por un conjunto de sistemas (1 ) como el anterior. En este ejemplo se han representado tres sistemas (1 ) en paralelo, cada uno de los cuales puede ser controlado desde una unidad central de control (7) conectada con cada uno de los controladores (5) de los inversores (4) de los respectivos sistemas.
La Fig. 5 representa un ejemplo del procedimiento de la invención que puede ser llevado a cabo por un sistema (1 ) como el de la Fig. 3. En un momento determinado se dispone de una potencia disponible Sd¡spi, generándose una potencia activa Pi que es la potencia activa máxima posible para las condiciones actuales de irradiancia y temperatura, y una potencia reactiva adecuada a los requerimientos de la red eléctrica (6) en ese momento. Nótese cómo la potencia aparente Si es menor que la potencia aparente disponible Sd¡spi- Si en un momento determinado disminuye la tensión de red, la potencia disponible se reduce pasando a ser Sd¡sP2, que es un valor menor que Si. Para poder seguir aportando a la red eléctrica (6) la potencia reactiva Qi se hace necesario modificar la tensión de las células solares (2), disminuyendo la potencia activa generada que pasa a ser P2, manteniendo la generación de potencia reactiva requerida a pesar de la disminución en la tensión (Vred) de la red eléctrica (6).
En la Fig. 6 se representa otro ejemplo de aplicación de la invención en el que la situación de partida es similar. La potencia disponible es Sd¡spi y se está generando una potencia activa Pi, que es la potencia máxima posible para esas condiciones, y una potencia reactiva Qi. La potencia aparente Si es menor que la potencia aparente disponible.
En un momento determinado, bien por las medidas realizadas en la red eléctrica (6) o bien por las consignas procedentes de una unidad central de control (7), puede ser necesario incrementar notablemente la potencia reactiva, pasando a ser Q3. Para atender esta demanda sin superar la potencia aparente disponible Sd¡spi es necesario disminuir la potencia activa generada, que pasará a ser P3, y aumentar la intensidad (l¡nv) de salida del inversor (4).
En determinadas situaciones la situación será una combinación de los ejemplos anteriormente expuestos. Así, por ejemplo, un hueco de tensión disminuye considerablemente la potencia aparente disponible y aumenta los requerimientos de producción de reactiva. De la misma manera, una sobretensión exige un consumo de potencia reactiva que puede hacer necesario disminuir la potencia activa generada.
Se describe a continuación un ejemplo del cálculo de la consigna de reactiva final (Qref), que puede ser realizado por las unidades de control (5) de cada sistema de generación (1 ), por la unidad central de control (7) de toda una planta (8) de generación, o bien mediante una combinación de ambas.
En una primera realización, la unidad de control (5) del inversor (4) es capaz de realizar el cálculo de la consigna de reactiva final (Qref) a partir de la tensión de la red eléctrica (6) medida localmente. En este caso, la unidad de control (5) comprende un regulador convencional que, a partir de la diferencia entre la tensión medida (Vmed) y una consigna de tensión (Vref), calcula la consigna de potencia reactiva final (Qref).
En otra realización preferente, la unidad de control central (7) mide la tensión (Vcmed) o el factor de potencia en el punto de conexión de la planta (8) de generación solar a la red eléctrica (6), y calcula a partir de dicho valor las consignas de potencia reactiva para los diferentes sistemas (1 ) de generación. En este caso, la unidad de control central (7) comprende un regulador convencional que, a partir de la diferencia entre la tensión o factor de potencia medida y una consigna de tensión (Vcref) o de factor de potencia, calcula la consigna de potencia reactiva (Qcref) y la envía a las unidades de control (5) de los diferentes sistemas (1 ) de generación. En otra realización alternativa se combinan el control local de tensión a nivel de sistema de generación (1 ), implementado por el medio de control (5), con el control de tensión o factor de potencia a nivel de planta de generación (8), implementado por la unidad de control central (7). A partir de la consigna de potencia reactiva (Qcref) a generar por el sistema (1 ) y de la potencia reactiva medida (Qmed), mediante un regulador (21 ) se genera la consigna de tensión local (Vref) en bomas del sistema de generación (1 ). Preferentemente, los controles de tensión en el sistema de generación (1 ) son rápidos, para atender a cambios súbitos en la tensión, mientras que los controles de tensión o factor de potencia a nivel de planta (8) de generación son más lentos y sirven para ajustar el comportamiento del total de la planta (8).
Una vez calculada la consigna de potencia reactiva (Qref) para el sistema de generación solar (1 ) con cualquiera de las alternativas expuestas y la potencia aparente disponible (Sd¡sp) tal como se ha expuesto anteriormente, se calcula una consigna de potencia activa (Pref) para el sistema (1 ).
Figure imgf000017_0001
Si debido a las condiciones ambientales la potencia activa generada por el sistema (1 ) supera dicha consigna, se pasará en una realización preferida al segundo modo de funcionamiento modificando la tensión de las células (2). La generación de reactiva por parte de una planta de generación solar puede ser realizada incluso en ausencia de generación activa, por ejemplo por la noche.
Por último, se describe un ejemplo de funcionamiento de una planta (8) de generación donde el operador de la red eléctrica (6) requiere a la planta (8) de generación solar una reserva de potencia, es decir que genere una potencia activa menor que la potencia activa disponible. Por ejemplo, podría solicitar a la planta (8) que durante un periodo de tiempo genere una potencia un 2% menor que la potencia activa disponible. Como ya se ha expuesto anteriormente, solicitar a un sistema de generación una reducción del 2% de potencia entraña la dificultad de que no es sencillo para un sistema de generación (1 ), una vez que reduce la potencia que genera pasando al segundo modo de funcionamiento, saber cual es la potencia máxima que podría generar. Según una realización preferente, la unidad de control central (7) de la planta (8) hace trabajar a un primer grupo de sistemas (1 ) en el primer modo de funcionamiento y a un segundo grupo de sistemas (1 ) en el segundo modo de funcionamiento. Supongamos, por ejemplo, que el primer grupo de sistemas (1 ) está compuesto por la mitad de los sistemas (1 ) de generación que componen la planta (8), y además que dicho primer grupo está uniformemente distribuido a lo largo de la planta (8). Según este ejemplo, la potencia activa disponible para toda la planta (8) de generación puede estimarse con bastante aproximación como el doble de la potencia activa producida por el primer grupo de sistemas (1 ). A partir de esta cifra y del requerimiento de reducción de potencia para toda la planta (8), la unidad de control central (7) calcula y envía consignas de reducción de potencia activa para el segundo grupo de sistemas (1 ). Siguiendo con el ejemplo anterior, si se solicita una reducción de potencia del 2% para toda la planta (8) se enviarán consignas a los sistemas (1 ) que componen el segundo grupo de sistemas (1 ) para que dicho segundo grupo produzca en total un 48% de la potencia activa disponible en el total de la planta (8). De este modo sumando la producción de los dos grupos de sistemas (1 ) el resultante es el 98% de la potencia activa disponible, cumpliendo así el requisito del operador.
Como es lógico si algún sistema (1 ) está fuera de servicio se tendrá en cuenta en el cómputo de la potencia activa disponible y de las consiguientes consignas de potencia activa.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1 . Procedimiento de generación solar empleando un sistema (1 ) que comprende un conjunto de células solares (2) conectadas a un inversor (4) que transmite la energía generada a una red eléctrica (6), comprendiendo el procedimiento controlar las potencias activa y reactiva que el sistema (1 ) transmite a la red eléctrica (6) mediante el control de la tensión (Vcei) de las células (2) solares y de la corriente (l¡nv) de salida del inversor (4), de modo que:
- en un primer modo de funcionamiento la tensión (Vcei) de las células
(2) solares es la que proporciona la máxima potencia activa según las condiciones de operación; y
- en un segundo modo de funcionamiento la tensión (Vcei) en las células solares (2) es diferente de la tensión que proporciona la máxima potencia activa, generándose una potencia activa menor que la máxima.
2. Procedimiento de generación de acuerdo con la reivindicación 1 , donde la tensión (Vcei) aplicada a las células (2) solares en el segundo modo de funcionamiento es mayor que la tensión de máxima potencia activa.
3. Procedimiento de generación de acuerdo con la reivindicación 2, donde el paso del primer modo de funcionamiento al segundo modo de funcionamiento comprende cargar una capacidad (3) dispuesta en paralelo entre las células (2) solares y el inversor (4), empleándose para ello parte de la potencia activa generada por las células (2) solares.
4. Procedimiento de generación de acuerdo con la reivindicación 3, donde el paso del segundo modo de funcionamiento al primer modo de funcionamiento comprende descargar la capacidad (3), que transmite parte de la energía almacenada a la red eléctrica (6) a través del inversor (4).
5. Procedimiento de generación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende pasar del primer modo de funcionamiento al segundo modo de funcionamiento en respuesta a un aumento de la frecuencia de la red eléctrica (6) por encima de un valor
5 umbral preestablecido.
6. Procedimiento de generación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende pasar del primer modo de funcionamiento al segundo modo de funcionamiento en respuesta a la o detección de una derivada de la frecuencia de la red eléctrica (6) respecto del tiempo por encima de un valor umbral preestablecido.
7. Procedimiento de generación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende pasar del primer modo de5 funcionamiento al segundo modo de funcionamiento en respuesta a la detección de una tensión de la red eléctrica (6) fuera de un rango preestablecido.
8. Procedimiento de generación de acuerdo con cualquiera de las 0 reivindicaciones anteriores, que comprende calcular la potencia activa a generar por el sistema (1 ) de generación a partir de una consigna de la potencia reactiva y de la potencia aparente disponible, que es calculada a su vez como el producto de la tensión medida de la red eléctrica (6) y la máxima corriente de salida del inversor (4).
5
9. Procedimiento de generación de acuerdo con la reivindicación 8, que comprende pasar del primer modo de funcionamiento al segundo modo de funcionamiento en respuesta a una generación de potencia activa por parte del sistema solar superior a una consigna de potencia activa.
0
10. Procedimiento de generación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende pasar del primer modo de funcionamiento al segundo modo de funcionamiento en respuesta a la detección de un funcionamiento en isla del sistema (1 ) de generación.
11. Procedimiento de generación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende controlar una planta (8) de generación formada por una pluralidad de sistemas (1 ) de generación solar desde una unidad de control central (7) conectada a los controladores (5).
12. Procedimiento de generación de acuerdo con la reivindicación 11 , donde algunos sistemas (1 ) de la planta (8) de generación pasan del primer modo de funcionamiento al segundo modo de funcionamiento en respuesta a la recepción de una consigna desde la unidad de control central (7).
13. Procedimiento de generación de acuerdo con la reivindicación 12, donde la consigna es de potencia activa.
14. Procedimiento de generación según la reivindicación 12, donde un primer grupo de sistemas (1 ) de generación funciona en el primer modo de funcionamiento y un segundo grupo de sistemas (1 ) de generación funciona en el segundo modo de funcionamiento, y donde la unidad de control central (7) calcula las consignas de potencia activa para el segundo grupo de sistemas (1 ) a partir de la potencia activa generada por el primer grupo y del requerimiento de reducción de potencia activa para toda la planta (8).
15. Procedimiento de generación según la reivindicación 14, donde ante un aumento o disminución de la potencia activa generada por el primer grupo de sistemas (1 ), se modifican en sentido contrario las consignas que se envían al segundo grupo de sistemas (1 ) para suavizar las variaciones de la potencia activa total generada por la planta (8) de generación.
16. Sistema (1 ) de generación solar capaz de llevar a cabo el procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un conjunto de células solares (2) conectadas a un inversor (4) que a su vez transmite la energía generada a una red eléctrica (6), caracterizado porque además comprende un condensador (3) conectado en paralelo entre el inversor (4) y las células solares (2), y donde una unidad de control (5) del inversor (4) controla la tensión de las células solares (2) y la intensidad de salida del inversor (4) de modo que el sistema (1 ) tiene:
- un primer modo de funcionamiento donde la tensión (Vcei) del condensador (3) es la que proporciona la máxima potencia activa posible según las condiciones de operación de cada momento; y
- un segundo modo de funcionamiento donde la tensión (ν∞ι) del condensador (3) es diferente de la correspondiente a la máxima potencia activa posible, generándose una potencia activa menor que la máxima.
17. Sistema (1 ) de generación solar de acuerdo con la reivindicación 16, que además comprende un conjunto de sensores que proporcionan a la unidad de control (5) del inversor (4) información acerca del estado de la red eléctrica (6) y de las células (2) solares.
18. Sistema (1 ) de generación solar de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 16-17, que además comprende unos medios de almacenamiento de energía.
19. Sistema (1 ) de generación solar de acuerdo con la reivindicación 18, que además comprende un controlador de almacenamiento que coordina las operaciones de carga y descarga de los medios de almacenamiento.
20. Sistema (1 ) de generación solar de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 16-19, que además comprende unas cargas activas.
21. Sistema (1 ) de generación solar de acuerdo con la reivindicación 20, que además comprende un controlador de cargas activas que coordina las operaciones de alimentación de dichas cargas activas.
22. Planta (8) de generación solar, que comprende un conjunto de sistemas (1 ) de generación solar según cualquiera de las reivindicaciones 16- 21 , y que además comprende una unidad de control central (7) conectada a las unidades de control (5) de los inversores (4) para transmitirles respectivas consignas de funcionamiento en función del estado de la red eléctrica (6) o en función de requerimientos del operador de la red eléctrica.
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