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¿Qué es la distorsión armónica total (THD) en los inversores solares? Efectos + Mitigación

En un sistema de energía solar, el inversor solar convierte la corriente continua generada en corriente alterna, que idealmente tiene una forma de onda sinusoidal.

Idealmente, las ondas generadas por los inversores son continuamente consistentes. Pero debido a muchos factores prácticos, es posible que estas ondas no surjan en el patrón ideal como se esperaba. Este problema conlleva distorsión armónica y distorsión armónica total. Lo desarrollaremos en el siguiente contenido.

¿Qué es la distorsión armónica total en los inversores solares?

En pocas palabras, la distorsión armónica en los inversores solares se refiere a la desviación de la forma de onda sinusoidal ideal del voltaje eléctrico y la corriente de salida de los inversores.

Esta distorsión se refiere a los armónicos individuales no deseados presentes en una onda o señal, que son frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental del sistema (por ejemplo, si la frecuencia fundamental es de 60 Hz, los armónicos estarían en 120 Hz, 180 Hz, etc.).

Aunque la distorsión armónica y la distorsión armónica total (THD, para abreviar) están relacionadas, son conceptos distintos.

A diferencia de la distorsión armónica, la distorsión armónica total (THD) es una medida única y agregada del nivel general de distorsión armónica en la señal, teniendo en cuenta todos los componentes armónicos individuales. 

Por lo general, se expresa como un porcentaje, lo que indica qué parte de la señal está compuesta de armónicos no deseados en comparación con la frecuencia fundamental. Esta medición es divulgada públicamente por los fabricantes y proporciona a los usuarios una medida general del nivel de distorsión de la señal.

Actualmente, el THD se ha convertido en un criterio importante para evaluar la calidad de los inversores solares. Lo último IEEE 519-2022 El estándar proporciona pautas para niveles aceptables de THD en sistemas de energía, incluidos los inversores solares.

Comprender los orígenes de la distorsión armónica

Las principales causas de la distorsión armónica. IN Los inversores solares incluyen las acciones de conmutación de los dispositivos electrónicos de potencia (como IGBT o MOSFET) dentro de los inversores. Estos dispositivos se encienden y apagan rápidamente para crear una aproximación de la alimentación de CA. Este proceso de cambio produce inherentemente Formas de onda no sinusoidales que contienen frecuencias armónicas.

Cada inversor solar tiene un límite de distorsión armónica total diseñado (algunos pueden tener límites particulares para cargas lineales y no lineales). El THD refleja la capacidad del inversor para regular la distorsión armónica y la cantidad máxima de distorsión armónica que podría generar potencialmente.

Sin embargo, más allá de las configuraciones de hardware y software/algoritmo del inversor, varios factores externos pueden impacto negativo el rendimiento del inversor y provocar distorsión armónica.

Distorsión armónica total (THD) en inversores solares

Estos factores pueden incluir:

  • Entrada de energía fotovoltaica inestable: La producción de los sistemas de energía solar puede fluctuar, lo que se atribuye en gran medida a las condiciones climáticas y de irradiación. Si el lado de entrada de un inversor solar está conectado directamente al sistema en lugar del módulo de almacenamiento de energía, las fluctuaciones en la CC de entrada amplificarán los armónicos del inversor durante el proceso de conversión.
  • El tipo y naturaleza de la carga: La carga conectada al inversor, según su tipo y naturaleza, puede tener un efecto indirecto en la distorsión armónica del inversor. Las cargas no lineales, que consumen una corriente que no es proporcional al voltaje, pueden a su vez aumentar más fácilmente la distorsión armónica. Además, cuando el inversor funciona con carga baja, tiende a producir más distorsión armónica ya que los circuitos de conmutación internos del inversor son menos eficientes con cargas bajas.

Además, una instalación o mantenimiento inadecuados del inversor podrían provocar una mayor distorsión armónica. Finalmente, cuando los componentes eléctricos del inversor se deterioran con el tiempo, la distorsión armónica también puede aumentar gradualmente.

¿Cuáles son los efectos adversos de la distorsión armónica?

La distorsión armónica en los inversores solares puede provocar varios efectos adversos en los sistemas eléctricos y los componentes a los que se conectan. 

Estas son algunas de las principales consecuencias que provoca la distorsión armónica en los inversores:

Disminución de la eficiencia y calidad de la energía degradada

La distorsión armónica puede naturalmente reducir la eficiencia general del inversor solar, lo que lleva a una reducción de la producción de energía y a un aumento de las pérdidas de energía.

Por otro lado, los armónicos pueden degradar la calidad general de la energía, lo que se refiere a la estabilidad y confiabilidad del suministro de energía eléctrica. La mala calidad de la energía provocaría entonces un funcionamiento ineficiente de los equipos eléctricos y un aumento de los costes operativos.

Sobrecalentamiento de componentes eléctricos

La corriente armónica generada puede causar generación de calor adicional en los componentes eléctricos a los que se conecta, como transformadores, cables y motores. Esto puede provocar sobrecalentamiento, reducción de la eficiencia y disminución de la vida útil del equipo; esto se debe a los armónicos y su impacto negativo en el sistema.

Inestabilidad armónica en inversores cercanos

Para esos grandes sistemas de energía solar, se configuran varios inversores solares para coordinar el proceso de conversión CC-CA.

La presencia de distorsión armónica en un inversor solar puede inducir inestabilidad armónica en los inversores cercanos. La distorsión armónica no sólo afecta la productividad de estos inversores sino que también afecta a sus cargas conectadas. 

En algunos casos, los armónicos en estos inversores juntos pueden provocar la desconexión de todo el sistema de generación solar.

Cuestiones de cumplimiento

Muchas empresas de servicios públicos y organismos reguladores tienen límites estrictos sobre los niveles permitidos de distorsión armónica alimentada a la red por los sistemas solares. Superar estos límites puede conllevar sanciones o la obligación de instalar equipos de filtrado adicionales.

Formas de mitigar el impacto de la distorsión armónica

Para los propietarios de sistemas, los impactos negativos de la distorsión armónica en última instancia erosionan el retorno de la inversión de su sistema e inducen pérdidas adicionales en el funcionamiento de las cargas conectadas.

Se debe tener en cuenta que una configuración científica del sistema es fundamental para minimizar el impacto de la distorsión armónica, la cual debe comenzar con la evaluación del clima y las condiciones de irradiación del sitio.

Garantizar que el inversor tenga el tamaño correcto y esté adecuadamente integrado en el sistema eléctrico puede reducir los impactos armónicos. Esto incluye una cuidadosa selección de componentes y diseño para minimizar las rutas de propagación armónica.

Si el presupuesto lo permite, proféticamente subir de nivel la configuración de inversores solares Se recomienda ya sea para un nuevo proyecto o un reemplazo. Esto incluye optar por inversores con dispositivos semiconductores más avanzados, tecnología de modulación de ancho de pulso (PWM), filtros y algoritmos de control. El uso El uso de inversores multinivel con niveles aumentados también puede ayudar a reducir la distorsión armónica.

Para proyectos existentes, los propietarios de sistemas pueden considerar integrar filtros separados, filtros pasivos o filtros activos, en el sistema para reducir el nivel de distorsión armónica.

Por último, el seguimiento y el mantenimiento periódicos son cruciales. 

El monitoreo regular de los niveles armónicos en el sistema puede ayudar a la detección temprana de problemas, lo que permite tomar acciones correctivas oportunas antes de que ocurra cualquier daño significativo. Mientras que el mantenimiento de rutina tanto de los inversores solares como de los sistemas de filtrado asociados garantiza que todos los componentes funcionen de manera óptima y continúen mitigando eficazmente los armónicos.

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El inversor solar es parte de un sistema de energía solar completo. Cualquier distorsión armónica en los inversores puede afectar su propio rendimiento así como el de sus dispositivos asociados.

La elección de un inversor solar con una distorsión armónica total (THD) baja sienta las bases para mantener la distorsión armónica general en un nivel ideal. Es aconsejable ser consciente de que invertir en un inversor de calidad significa menores riesgos de posibles daños a las cargas conectadas.

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