DISEÑO Y PUESTA EN MARCHA DE PLATAFORMA DE ENSAYOS PARA HOMOLOGADO DE INVERSORES

Los inversores deben cumplir estrictos requerimientos de seguridad eléctrica y características de energía que inyectan a la red. Por esa razón, el creciente uso de estos equipos ha traído la necesidad de disponer de laboratorios de homologación para verificar si cumplen con los requisitos y estándares nacionales e internacionales.

Seguridad eléctrica

En los últimos años, contando con un fuerte impulso por parte del Gobierno Nacional y de varias provincias, se ha comenzado en nuestro medio la explotación de fuentes renovables, especialmente solar y eólica. Estas energías se obtienen en forma de corriente continua (c.c.) o corriente alterna (c.a.) con frecuencia variable y/o diferente a la correspondiente a nuestros sistemas de distribución, por lo que deben ser adecuadas a las exigencias de los equipos de los usuarios, requiriendo de inversores para tal fin.

En su gran mayoría, tales equipos son importados, existiendo una aún incipiente fabricación local. La imposibilidad de verificar el cumplimiento de estos equipos, de los estándares nacionales e internacionales, pone en riesgo a los sistemas eléctricos actualmente en funcionamiento y a las personas. El creciente uso de estos equipos en hogares, edificios públicos y privados, y en grandes parques, trae aparejada la necesidad de disponer de laboratorios de homologación para realizar la mencionada verificación. El Laboratorio de Ensayos y Certificaciones del Instituto de Protecciones de Sistemas Eléctricos de Potencia LEC-IPSEP de la Universidad Nacional de Río Cuarto y una empresa importadora unieron esfuerzos para poner en marcha el equipamiento necesario para tal verificación.

 

Requisitos normativos

Las normas UNE-EN 62109-2 (2009-03) e IRAM 210013 (2016), establecen los requisitos de desempeño y de seguridad eléctrica de inversores utilizados en instalaciones para la conexión a la red de distribución de baja tensión. Estas normas son aplicables a inversores sin aislación galvánica entre los paneles fotovoltaicos (PV) y la red.

Circuito de ensayo
Circuito 1. Circuito para el ensayo de detección de falla a tierra.

Las características a ser comprobadas, según los requisitos establecidos en las normas, son:

  1. Inyección de corriente continua a la red.
  2. Comportamiento ante una falla de aislación.
  3. Detección de corrientes de falla a tierra en el generador fotovoltaico.
  4. Desconexión por tensión y frecuencia.
  5. Reconexión automática.
  6. Detección de funcionamiento en isla.
  7. Generación de sobretensiones.
  8. Calidad de la energía inyectada a la red.
  9. Robustez frente a saltos de fase.

 

Descripción de los ensayos

1. Inyección de corriente continua a la red

El inversor no debe inyectar más de un 0,5% de corriente continua a la red. Esta exigencia se verifica simplemente por medición directa.

2. Comportamiento ante una falla de aislación

El inversor debe detectar falla de aislación entre las partes activas y tierra del generador. Esta protección debe estar activa antes de conectarse a la red y debe impedir su conexión si la corriente de fuga es mayor a 30 mA.

Se verifica generando la falla mediante una resistencia entre cada polo del generador y tierra.

3. Detección de corrientes de falla a tierra en el generador fotovoltaico

Mientras están conectados a la red, los inversores deben detectar fallas a tierra y producir su desconexión automática. El detector de corriente residual de falla a tierra debe medir la corriente en ambos componentes, c.a. y c.c.

Según el tipo de inversor y de generador se requiere cumplir con:

a) Corriente residual permanente: desconectarse dentro de 0,3 s e indicar falla, si la corriente residual permanente excede 300 mA eficaces (RMS) para inversores con potencia nominal ≤ 30 kVA; o 10 mA eficaces por kVA de potencia nominal para inversores con potencia > 30 kVA.

b) Cambios rápidos en la corriente residual: desconectarse dentro de un tiempo de 0,3s; 0,15s y 0,04s, si se detecta un incremento rápido en la corriente residual que exceda 30mA, 60mA y 150mA, respectivamente.

Oscilograma
Diagrama 1. Oscilograma de ensayo de cambio rápido en la corriente residual.

Para esta verificación, se debe emplear un circuito especial como el mostrado en la Circuito 1.

Para el ensayo de corriente residual permanente, R1 establece un límite justo por debajo del punto de disparo, y R2 está para causar que la corriente exceda el punto de disparo. El condensador C1 no se utiliza.

Tabla I. Valores de tensión, de frecuencia y de los tiempos de apertura.

Para el ensayo de los cambios rápidos de la corriente residual, C1 establece un límite de corriente y R1 o R2 están conectadas para causar el exceso en los cambios rápidos. El otro resistor no es usado.

El Diagrama 1 muestra el oscilograma del comportamiento de un inversor frente al cambio rápido de la corriente residual, registrado en el laboratorio LEC-IPSEP.

 

4. Desconexión por tensión y frecuencia

El inversor se debe desconectar de la red cuando la tensión o la frecuencia en sus bornes de c.a. se encuentren fuera de los valores de la Tabla I.

Para verificar esta condición se debe conectar el inversor a un simulador de la red o equivalente, que permita cumplir con los valores de tensión, de frecuencia y medir los correspondientes tiempos de apertura.

 

5. Reconexión automática

El inversor debe reconectarse a la red luego de una desconexión automática, siempre y cuando los parámetros de tensión y frecuencia se encuentren dentro de los límites preestablecidos, en un tiempo menor a tres minutos.

La verificación se realiza por medición directa.

Circuito 2. Circuito para la verificación de la detección de la operación en isla.

6. Detección de funcionamiento en isla

Por los riesgos involucrados, el sistema de generación solar no debe quedar funcionando en isla, para ello el inversor debe disponer de un sistema que lo desconecte, frente a aperturas de la red. El sistema anti-isla debe desconectar en menos de  dos segundos.

Existen condiciones de generación que hacen probable el funcionamiento en isla, que se presentan cuando la porción de sistema que puede quedar en isla, tiene un consumo equilibrado con la generación y la energía entregada por la red es pequeña. Esta condición dificulta su detección.

Tabla II. Sobretensiones máximas admisibles.

El procedimiento de ensayo para verificar el sistema anti-isla está descrito en la Norma IEC 62116.

Se utiliza una carga RLC, resonante a la frecuencia del inversor (50 Hz o 60 Hz) y acoplada a la potencia de salida de éste como se muestra en la Circuito 2. El objetivo de estas cargas variables, es conseguir las condiciones cercanas a la ocurrencia del fenómeno de isla para la potencia y tensión del inversor bajo ensayo.

Diagrama 2. Circuito de ensayo para la verificación de la generación de sobretensiones.

Generación de sobretensiones

El inversor no debe generar sobretensiones del lado de la red, cumpliendo con la Tabla II.

El ensayo se realiza con el inversor conectado a la red de acuerdo al Diagrama 2.

Luego de que el inversor ha alcanzado las condiciones de régimen, se abre el interruptor S para dejarlo en vacío y se registran las tensiones en bornes del equipo, a partir del momento de la desconexión y con frecuencia de muestreo como mínimo de 10 kHz.

Diagrama 3. Medición del contenido de armónicos en corriente.

A partir del registro de tensión tras la apertura del interruptor, se determina la curva de tensión en función de la duración de la sobretensión.

 

Calidad de la energía inyectada a la red

Dependiendo de la corriente nominal de c.a. del inversor FV, se debe verificar el cumplimiento de lo siguiente:

a. Armónicos de corriente: las componentes armónicas, de la corriente inyectada a la red no deben superar los límites establecidos en la IRAM 2491-3-2 para conexiones menores que 16 A (requisito clase A) y la IRAM 2491-3-4 para conexiones entre 16 A y 75 A. El Diagrama 3 muestra a modo de ejemplo, el resultado de la medición de armónicos de corriente de un inversor.

b. Fluctuaciones de tensión: los niveles de parpadeo (“flicker”) resultantes, no deben superar los límites establecidos en IEC 61000-3-3 (Pst = 1 y Plt = 0,65). El equipo de medición instalado debe cumplir con los requisitos de la IEC 61000-4-15.

Robustez del inversor
Circuito 3. Circuito para la comprobación de la robustez del inversor frente a un salto de fase fuera de sincronismo.

Robustez frente a saltos de fase

Si se produce un salto de fase en la red, con un tiempo de duración menor que el de actuación del sistema anti-isla del inversor, éste debe soportarlo sin desconectarse de la red.

El ensayo se realiza con el inversor conectado a un simulador de red, o con el inversor directamente conectado a la red.

En el ensayo con la red, para el desfasaje de 180°, se emplea el circuito del Circuito 3.

Se utiliza un transformador de acoplamiento (TR) con un grupo de conexión YYn o DYn; el interruptor CB está cerrado mientras que el interruptor CB’ está abierto; R1 es una carga resistiva de una potencia igual a la potencia nominal del inversor. El inversor debe estar funcionando a una potencia nominal y con factor de potencia unitario durante 5 min como mínimo, para lograr el equilibrio térmico. Posteriormente se abre el interruptor CB y se cierra el interruptor CB’, de forma coordinada e instantánea (obviando la diferencia de los tiempos de apertura y cierre). La resistencia de carga atenúa el transitorio eléctrico en el inversor y posibilita que permanezca conectado durante la conexión a la red VR’. La desconexión del inversor FV sólo se puede realizar una vez que el interruptor CB’ esté completamente cerrado.

Disposición del inversor
Imagen 1. Disposición del inversor bajo ensayo y parte del instrumental requerido para una de las verificaciones especificadas en la norma IRAM.

Como alternativa al TR, puede utilizarse un dispositivo que esté sincronizado con la red VR, al cual se le pueda programar desfasajes de 90° y 180°.

 

Descripción de la plataforma de ensayos

Se montó en el laboratorio del LEC-IPSEP el esquema físico y circuital para llevar a cabo los ensayos descriptos en el punto anterior. La Imagen 1 muestra la disposición física del equipo bajo ensayo (inversor marca Fronius) y del instrumental empleado para uno de los ensayos normalizados.

Tablero de control
Imagen 2. Inversor y tablero de control del generador FV instalado en el LEC-IPSEP.

Similarmente, las imágenes 2 y 3 muestran el esquema de generación fotovoltaica instalada en el IPSEP, sobre la cual se efectuó la serie completa de verificaciones exigida por la Norma IRAM de referencia.

Resultados de ensayos

Los ensayos completos, ya realizados sobre dos equipos importados, han permitido verificar el cumplimiento de la totalidad de las especificaciones de IRAM 210013-21. Los requisitos normativos 2, 3 y 6 están relacionados con la seguridad personal, mientras que los 1, 4, 5, 6, 7, 8 y 9 están relacionados con los requerimientos de calidad de suministro para el equipamiento conectado a la red. Estos aspectos indican la importancia de que los inversores, conectados a nuestras redes cumplan totalmente con las especificaciones citadas. A pesar de esto, se están instalando en nuestros sistemas de distribución sin la previa verificación de estos requisitos, ante la falta de laboratorios homologados para tal fin. En este momento el LEC-IPSEP está iniciando los trámites de Acreditación de la plataforma de ensayos ante el Organismo Argentino de Acreditación, OAA. Esta acreditación se adicionará a otras acreditaciones ya otorgadas por el OAA al LEC-IPSEP.

Paneles
Imagen 3. Paneles del generador FV de 2,5 kVA del LEC-IPSEP.

Conclusiones

Se concluye con la imperiosa necesidad de disponer de laboratorios de homologación debidamente acreditados, para verificar que los inversores que se comercializan e instalan en nuestro medio cumplan con las correspondientes especificaciones nacionales e internacionales. Con esta disponibilidad, se mejorará el desempeño de nuestros sistemas de distribución y reducirá el riesgo personal de la aplicación de inversores.

SOBRE ESTA INVESTIGACIÓN

Este artículo está basado en el trabajo de investigación “Diseño y puesta en marcha de plataforma de ensayos para homologado de inversores”, presentado en Expo Copime 2018 por los ingenieros Gabriel Campetelli, Daniel Tourn, Javier Fernández y Facundo Bravo.

Más información: www.copime.org.ar

Ver también:

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