Consideraciones para diseño de plantas solares fotovoltaicas, basadas en inversores centrales, string con diseño descentralizados y string con diseño virtualmente centralizado .

Hoy en día los inversores fotovoltaicos tipo string han ganado mucho auge en los parques solares fotovoltaicos, debido a que los precios se han reducido significativamente impulsados por la masificación de uso de la energía solar fotovoltaica tanto en techo como en granjas.

Sin embargo, en el mercado solar existen dos tendencias muy marcadas de diseños de plantas a partir de inversor tipo string, el diseño descentralizado y el diseño virtualmente centralizado y esperamos explicar mediante este articulo la forma de evaluar y seleccionar la mejor alternativa para su proyecto.

Las granjas solares son construidas desde unidades básicas conocidas como centros de transformación ó power stations (del inglés) de potencias que están entre los 4 a 6,3 MVA y son replicados tantas veces como el tamaño de la planta. Por ejemplo, una granja de 63 MVA tendrá 10 centros de transformación. Por lo anterior, los centros de transformación son unidades constructivas, que acarrean costos que se multiplicarán hasta lograr la potencia total de la planta y, en consecuencia, una mejora de costos o de producción de energía de la unidad constructiva impactara positivamente el rendimiento total de la planta.

Por lo anterior, debemos evaluar las consideraciones y costos que los tres tipos de diseños de plantas solares basados en inversores central, virtualmente centralizado y descentralizado para poder aplicar la que más convenga a nuestro proyecto.

Diseño a partir de Inversores Centralizados:

Los inversores centralizados son inversores que tienen potencias de 5 MVAs y que, considerando un DC/AC de 1,15 y paneles de 650Wp, suman la potencia de 8.850 paneles. Estos inversores tienen alrededor de 20 entradas en DC para recibir la energía y potencia que proviene de los paneles. Para lograr la conexión entre paneles e inversores, se deben colocar un equipo llamado string box o cajas combinadoras que suma la potencia de los paneles y a la salida tendremos un arreglo de 2 cables (Positivo y Negativo) que llegaran al inversor, que está entre 150 y 250 metros de distancia (dependiendo de la topología del proyecto). En consecuencia, para los 5MVAs tendremos 20 circuitos de dos cables de longitud de 200 mts, para un total de 8000 metros. Estos cables estarán trabajando en tensiones entre 800 y 1500Vdc, ya que están del lado DC del proyecto, y por otro lado al estar en DC las pérdidas son solo resistivas; lo cual son menores que las AC que suman las resistivas e inductivas.

Diseño Descentralizado a partir de string Inverters:

Los inversores tipo string tienen una potencia entre 165-250KVA por lo que para los 5 MVAs se requieren 20 equipos (baso en 250KVA) y considerando un DC/AC de 1,15, inversores de 250kVA y paneles de 650Wp, se requieren por inversores 442 paneles. En este caso, hay inversores String que tienen suficientes entradas para conectar a los paneles y otros que deben emplear string box adicionales (una por inversor) para lograr la conexión. A partir de esta configuración, el diseño descentralizado significa que los inversores estarán en la ubicación de los string box (explicado previamente en el diseño central) por lo que están a una distancia entre 150 y 250 Metros del centro de transformación.

Esta distancia estará siendo recorrida en AC y a tensiones de salida de los inversores (400-800Vac). Por lo anterior, tendríamos 3 fases recorriendo 200 metros por 20 inversores para lograr los 5MVA, lo que corresponde a 12.000 metros. Estos cables estarán trabajando en AC a tensiones de salida de los inversores es decir entre 400 y 800Vac y por otro lado al estar en AC las pérdidas son resistivas e inductivas, por lo que son mayores que en el diseño central.

Diseño virtualmente centralizado con Inversores tipo string:

Por otro lado, el diseño virtualmente centralizado basado en string inverters es una combinación de los dos anteriores, donde se emplean inversores ubicados al lado del centro de transformación, mientras que distribuidos en terreno tendremos string box que sumaran la potencia que proviene de los paneles. Por lo que si empleamos inversores de 165KVA, por lo que para los 5 MVAs se requieren 30 equipos. Por lo anterior, tendremos 30 circuitos entre string box e inversor con dos cables (positivo y negativo) para recorrer 200 metros, para un total de 12.000 metros. Estos cables estarán trabajando en DC a tensiones del sistema solar es decir entre 800 y 1.500Vdc. Por otro lado al estar en DC las pérdidas solo son resistivas, por lo que son menores que el diseño descentralizado y similares que en el diseño central.

Análisis comparativo:

En la siguiente tabla podemos ver el resumen de lo propuesto anteriormente.

Tipo	Central	Descentralizado	Virtualmente centralizado
Potencia Inversor (KVA)	5.000	215	165
N° inversores/5MVA	1	20	30
MPPT/5MVA	1-2	180	30
Mts Cable/5MVA	8.000	12.000	12.000
Voltaje de distribución	800-1500VDC	400-800VAC	800-1500VDC
Corriente por circuito (1200VDc O 800Vac)	208 Adc	155Aac	80Adc
Perdidas I2R	43.264	24.025	6.400

En la tabla anterior, también podemos ver en la última línea una comparación de los cuadrados de las corrientes, considerando las tensiones de 1.200Vdc para los sistemas central y virtualmente centralizado y 800Vac para el sistema descentralizado. Este valor I2 se relaciona directamente con las pérdidas del sistema y en consecuencia impactará el calibre del conductor de la red de distribución y/o energía en esta red. En ambos casos la tasa de retorno del proyecto será menor debido al mayor capex en calibre de cables o por la menor venta de energía.

Solo para tener una razón de comparación, que deberá ser validada según el escenario económico de cada proyecto, los cables en DC para un sistema virtualmente centralizado podrían rondar en calibres de 70mm con un valor estimado de 7 usd/m, mientras que el cable para una red en AC podría tener un calibre de 240mm y un valor de 13 usd/m por lo que la diferencia económica podría estar en 72.000 usd por cada 5MVA entre el virtualmente centralizado y el descentralizado (a favor del primero), mientras que entre el central y el virtualmente centralizado podría estar en 28.000 usd (a favor del central).

Tipo	Central	Descentralizado	Virtualmente centralizado
Potencia Inversor (KVA)	5.000	215	165
N° inversores/5MVA	1	20	30
Mts Cable/5MVA	8.000	12.000	12.000
Calibre cable	70mm	240mm	70mm
USD/M	7	13	7
Capex Cable Usd/5MVA	56.000	156.000	84.000

Por otro lado, los proyectos con inversores centrales ofrecen un mayor riesgo asociado a la falla del inversor ya que una falla puede representar la perdida de 5MVA, mientras que, con los otros dos, son perdidas parciales de un 20 ó 30 veces menores de los 5 MVA. Este aspecto impactará en mayor medida cuando el proyecto tenga menos unidades centrales (5MVA en 20 MVA es el 25% de la planta; 165KVAen 20MVA es el 0,825%).

Además, en el momento de reponer una falla debemos considerar que un inversor central llega a pesar unas 4 o 5 toneladas, por lo que no solo es el efecto de la falla, también es el tiempo de reparar el equipo perdiendo producción. En el caso de los inversores string, el equipo pesa unos 150 a 80 kilogramos por lo que, en el momento de reparar una falla, se podría desmontar el equipo he instalar uno de repuesto, con lo que se puede seguir produciendo energía mientras se realiza la reparación de la unidad fallada. En consecuencia, esto afecta los ingresos del parque, adicionalmente podría incurrir en penalidades.

Sin embargo, no todo es bueno para los inversores string ya que, a diferencia de los inversores centrales que se conectan directamente a los transformadores, los inversores tipo string (diseños descentralizados y virtualmente centralizados) necesitan incluir un tablero AC que sume la potencia de los inversores tipo string con 20 o 30 entradas (entre 400- 800Vac) para luego pasar a los transformadores de potencia, lo que conlleva un costo adicional.

Efecto Económico del MPPT y Mitmach en el diseño.

Por otro lado, el MPPT de los inversores juega un papel muy importante cuando tendemos diferentes condiciones de radiación (tales como sombreados totales o parciales de paneles o direcciones de los paneles), en este sentido, es importante recordar que cuando estamos diseñando proyectos solares tipo granjas siempre buscamos las mejores condiciones de radiación. Por lo que es poco probable conseguir estas condiciones de radiación diferentes en granjas solares, y en consecuencia no será un factor determinante en la producción de energía de las plantas.

Sin embargo, existen otros fenómenos que pueden causar que existan producciones de potencia diferentes en las cadenas de los paneles, tales como fallas en uno de los paneles y activación de diodos bypass, las variaciones de potencia en el proceso de manufactura (que rondar 5W) y/o la suciedad que se acumula en la superficie como consecuencia de las aves, pueden conllevar que los inversores experimenten una pérdida de potencia y en consecuencia de energía.

Este efecto se llama Mismatch y lo podemos cuantificar considerando que, el panel afectado experimentará una pérdida de potencia debido a que se activa uno, de los 3, diodos bypass y en consecuencia el voltaje del panel caerá y si consideramos que la corriente del mismo se mantiene, esto representara que un panel de 40,9 V en DC en el punto de máxima potencia (Vmpp) caerá 13,63 VDC y si consideramos que la corriente se mantiene en 13,45ª (Impp), esto significa la potencia perdida será de 183,37W.

Vmpp	40,9	Vdc
Vfalla	13,63	V
Impp	13,45	A
potencia Falla	183,37	Wp

potencia Falla

183,3683333

Si consideramos que los inversores centrales de 5MVA están compuestos por 2 inversores de 2,5MVA y que cada uno cuenta con un MPPT que maneja 2,8MWP del lado DC, conectados mediante 183 cadenas en paralelo y que, el efecto de la caída de tensión de uno de los paneles afectará a todas las cadenas, la pérdida de 183,37W se multiplica por 183 cadenas y arroja 33.556 W que, con respecto a un inversor de 2,8MWp, corresponderá al 1,2%.

Mientras que en el caso de los inversores tipo string de un solo MPPT empleados para el diseño virtualmente centralizado tienen una potencia de 165KVA en AC y de en DC de 185KWp, donde los paneles se organizan en 12 cadenas, la pérdida de 183,37W se multiplican por 12 y conlleva a una pérdida total de 2.200W. Para hacer comparables los porcentajes consideramos que 15 inversores de 165KVA equivalente a los 2,5MVA, la pérdida de 2.200W entre los 2,8MWp corresponden a 0,08%.

Finalmente, en el caso de los inversores tipo string empleados para los esquemas descentralizados con 9 MPPT, considerando que tenemos una sola cadena por mppt, tendremos que la perdida solo afecta una cadena y es de 183,37W y sobre los 2,8MWp corresponderá a 0,006%.

Tecnologia inversor	String mono	Central	String multi
Cadenas/mppt	12	183	1
Potencia Falla	2.200,42	33.556,41	183,37
Potencia DC/inversor	185.000,00	2.800.000,00	215.000,00
Numero de Inversores en 2,8 MWp	15,14	1,00	13,023
% de las perdidas en 2,8MWP	0,08%	1,2%	0,00655%
Diferencia % con respecto al central	1,12%		1,19%

De la tabla anterior podemos ver que la ventaja en reducción de perdidas por el mismatch del inversor tipo string sobre el central es mayor al 1,1%, mientras que la diferencia entre inversor string multi vs el mono MPP apenas es de 0,08%.

Sistemas de detección de fallas y comunicaciones:

Otro punto para considerar sobre el diseño de los proyectos solares es el costo de detección de fallas y los sistemas de comunicaciones. En este sentido, un inversor central tiene 20 entradas en DC, que provienen de los string Box, que a su vez tienen 16 string. Esto significa que una falla de un fusible que protege una cadena de paneles y/o un panel en sí mismo, puede ser un gran reto de identificación desde el inversor, porque su efecto en la reducción de potencia se puede diluir. Por lo que es muy común que los String box tengan sistemas de monitoreo por string. Esto consiste en colocar sensores de corriente DC, en cada entrada del string box para poder identificar una falla. Pero esto conlleva que debemos desarrollar un sistema de comunicaciones que nos permita saber cuándo una corriente está fuera de rango y esto nuevamente conlleva un costo. En primer lugar, tenemos el costo propio de los sensores y sus sistemas de energía para poder operar y que debemos colocar en los strings box (aproximadamente 600 EUR/SB), más los costos de los cables que debemos colocar para llevar la comunicación de estos datos hasta la power station, que puede rondar los 200 metros por string box (5 EUR/M), por lo que estamos hablando que una power station de 5MVA con 20 string box tendrá un costo de 32.000 EUR por este concepto.

En el caso de los inversores string, dado a que los inversores ya están segmentados uno a uno por string box, podríamos lograr tener una mayor precisión ante una falla, porque será más visible debido a que los bloques de potencia son menores, 12 string por string box, y esto significa la pérdida de un doceavo de la potencia. Por otro lado, como en cada 5MVA tendemos 30 inversores trabajando sobre las mismas características podremos identificar por medio de variaciones comparativas cuando un inversor está fuera de rango. Esto conlleva a que podríamos ahorrarnos el sobre costo del sistema de comunicación sin perder la capacidad de identificar fallas.

Conclusiones:

Por todo lo anterior, los proyectos basados en el diseño centralizado con inversores centrales en el mayor de los casos podrían implicar un menor valor de CAPEX, basados en que tienen menor cantidad de cables y no necesitan el tablero ac que suma la potencia de los inversores string. El esquema central agrega más riesgos y costos a razón de la falla de los inversores y una posible menor producción de energía, como consecuencia del mismatch o diferencia de potencia de los paneles.

Mientras que en el escenario de los inversores tipo string, el diseño de proyectos descentralizados conlleva un costo mayor de implantación, como consecuencia de aumentar el calibre de los cables para no acarrear mayores pérdidas en la vida del proyecto, y/o un mayor costo en las pérdidas eléctricas en la vida del proyecto, en comparación a la solución virtualmente centralizada.

Finalmente pareciera que (debe ser verificado en las condiciones de trabajo específicas del proyecto rutas de cables, caídas de tensión, eficiencias de los inversores a analizar, entre otros) los proyectos basados en string inverters y diseño virtualmente centralizado ofrecen lo mejor de ambos mundos. Menor costo en comparación a los descentralizados y mayor resiliencia con respecto a los centrales.

Referencias consultadas:

Central Design concept Paper: KNE-PAP-Virtual-Central-Cost-Benefit.pdf (kaco-newenergy.com) y Video: Efficient system design to reduce the Balance of System (BOS) costs of large solar PV plants - YouTube

Paper sobre diseño de inversores con modulos de 210mm Study on the design of string inverters with high-power modules | KACO new energy (kaco-newenergy.com)

Paper sobre mono vs multi MPPT Single-MPPT beats Multi-MPPT | KACO new energy (kaco-newenergy.com) y Presentation of Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems PowerPoint-Präsentation (netdna-ssl.com)

Centralized system layout – modular inverter concept PEAK3 whitepaper download | SMA Solar (sma-america.com)

Balance Of plant SIEMENS:

Catalogo: PV eBoP FLyer EN (siemens.com) y link Photovoltaic electrical Balance of Plant (eBoP) | Solutions | Siemens Argentina