Los inversores y la tensión adecuada
Para que las energías renovables se conviertan en una alternativa adecuada a los combustibles fósiles, deben proporcionar una energía de gran calidad.
Además, la transición debe ser fluida, transparente y, a ser posible, carecer de contratiempos, lo que significa que ambas fuentes deben poder coexistir.
Calidad y eficacia energéticas
Un requisito mínimo es que los generadores alimentados por renovables suministren alimentación con un nivel de tensión y frecuencia adecuado para la red, pero esto presenta algunas dificultades bastante conocidas: las células fotovoltaicas generan una tensión de salida de CC muy baja y la salida del generador en una turbina puede contener armónicos y variaciones de frecuencia.
Se trata, por tanto, de señales en bruto que deben convertirse en electricidad adecuada para la red de alimentación, con la mayor eficiencia posible y de conformidad con todas las normativas aplicables a los equipos conectados a la red de suministro. En definitiva, todos los servicios que suministren electricidad deben cumplir con los códigos de red establecidos por la autoridad correspondiente, como el gestor de red nacional.
Un factor que juega un papel muy importante en la eficacia energética y el cumplimiento de los requisitos de la red es la topología de los sistemas de acondicionamiento de energía.
El acondicionamiento de la energía solar
Los conjuntos de paneles fotovoltaicos pueden ser enormes o muy pequeños, desde los sistemas domésticos hasta los grandes parques solares de varios megavatios. Se puede preparar la señal de salida de CC del panel fotovoltaico (lo que incluye el seguimiento de punto de potencia) con un convertidor CC/CC independiente o como parte del inversor que convierte la CC en una CA adecuada para la red. Esta última opción se puede implementar con microinversores en cada panel o con inversores en cadena para múltiples paneles. Otra alternativa es el uso de un inversor central.
¿Cuál es la mejor solución? La respuesta dependerá de varios factores, como la potencia nominal, el coste o los planes de ampliación para el futuro. Con los microinversores, las ampliaciones son sencillas, pero el gasto es relativamente alto porque hay que usar un inversor por panel. Por otro lado, un inversor centralizado es un sistema de punto único de fallo e implica transmitir CC por todo el conjunto, lo que plantea algunos riesgos de incendio y seguridad.
Nuevas topologías para las turbinas eólicas
Algunas de las topologías típicas de las turbinas eólicas son los generadores de doble alimentación (DF) y los «full-converters» (FC). Los generadores DF son muy comunes en las instalaciones en tierra. El estátor está conectado directamente a la red y el rotor está conectado por una red de inversores/conversores. En este tipo de distribución, la frecuencia de salida del generador es la misma que la de la red. Además, a través del conversor/inversor solo pasa una tercera parte de la potencia generada, lo que limita las pérdidas de energía y nos permite usar equipos más pequeños y de menor coste. Esta topología se puede emplear para instalaciones de hasta 6 MW.
En los FC, el generador está totalmente desacoplado de la red y un conversor/inversor transporta toda la potencia generada. Una de las principales ventajas de este planteamiento es que el generador queda protegido de las alteraciones de la red. El sistema FC es perfecto para cumplir con los requisitos más avanzados en tolerancia a fallos, como el «low-voltage ride-through» (LVRT) o el «high-voltage ride-through» (HVRT).
En estas topologías, el generador debe permanecer conectado durante las alteraciones provocadas por la conexión/desconexión de grandes cargas, algo que genera variaciones importantes en la tensión de la red. Se pueden utilizar para generar hasta 10 MW de potencia.
Hasta ahora, los generadores eólicos se solían desconectar de la red durante este tipo de incidencias y se reconectaban más tarde. Sin embargo, si el suministro de energía depende cada vez más de las fuentes eólicas, esto es desaconsejable y provocaría cortes en el suministro. Las previsiones parecen indicar que los sistemas FC preparados para cumplir con los últimos requisitos de mantenimiento o «ride-through» se utilizarán de forma generalizada en plantas eólicas terrestres y marítimas.
El SiC y el GaN aportan eficacia y resistencia
Tras escoger la mejor topología, otro factor crucial es la eficacia del sistema. En este sentido, en el mercado se pueden encontrar diferentes semiconductores de potencia de banda ancha; por ejemplo:
- MOSFET Trench de carburo de silicio (SiC) CoolSiCInfineon
- módulos LMG341xR050de nitruro de galio (GaN) de Texas Instruments
que aportan un grado de libertad adicional para que los diseñadores aumenten la eficiencia y la densidad de potencia.
Algunos de los MOSFET CoolSiC de Infineon son dispositivos con una tensión nominal de hasta 1200 V, una frecuencia de conmutación alta y una gran protección ante la activación parásita. Los controladores de puerta IC EiceDRIVER simplifican la generación de las señales de conmutación asimétricas que estos dispositivos necesitan.
Módulos para simplificar el diseño gracias al SiC y el GaN
Hay módulos que combinan los MOSFET de SiC con diodos de barrera Schottky en diferentes configuraciones, como los módulos CoolSic de Infineon o los módulos de medio puentede Rohm Semiconductor.
Estos dispositivos simplifican el diseño y reducen considerablemente las pérdidas por conmutación si los comparamos con módulos IGBT de valores nominales equiparables.
Los LMG341xR050 de Texas Instruments son una etapa de potencia integrada de GaN: un MOSFET de 600 V, un controlador y funciones de protección en un solo módulo que simplifica el diseño de los circuitos y los problemas relacionados con la distribución. A diferencia de los MOSFET convencionales, los dispositivos de GaN no tienen un diodo intrínseco en el cuerpo, lo que reduce drásticamente la pérdida de energía durante la conducción inversa. Además, se trata de una tecnología con un bajo nivel de interferencia electromagnética y con una capacitancia baja de entrada y salida, algo que mejora el rendimiento de la conmutación.
Resumen
Si queremos generar electricidad utilizable a partir de fuentes renovables, es fundamental obtener la tensión adecuada del modo más eficiente posible y de conformidad con los requisitos establecidos en materia de calidad de la energía y el rendimiento de los equipos conectados a la red. La revolución de las energías renovables sigue su curso, pero estos requisitos siguen evolucionando y los ingenieros deben conocer a fondo estos cambios y las tecnologías necesarias para respetarlos.
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