Protección contra fallos en microrredes con generadores fotovoltaicos

Por Marco Carminati y Enrico Ragaini / Gráficas: cortesía de ABB

La conexión a sistemas de corriente alterna (CA) de microrredes de corriente continua de baja tensión (CC BT), que incluyen plantas fotovoltaicas (FV), está cobrando mucha importancia, ya que cada vez hay más fuentes renovables conectadas a redes nacionales. Además de las consideraciones eléctricas usuales sobre la conexión de estos dos mundos, debe prestarse atención a las condiciones de falla, ya que, dependiendo de los distintos esquemas de conexión a tierra, las plantas FV y los sistemas de almacenamiento de energía (ESS, por sus siglas en inglés) y sus electrónicas asociadas pueden comportarse de forma distinta durante las fallas, con distintas consecuencias para el funcionamiento de la red y el comportamiento de falla.

En una microrred CC BT, la sección de CC está separada normalmente de la red de CA mediante un convertidor “fron-end” (FEC, por sus siglas en inglés) que vierte cualquier exceso de potencia de la microrred en la red de CA. La cuestión más crítica es que cuando se producen cortocircuitos y defectos a tierra en el lado de CC, la mayoría de los convertidores de tipo general son incapaces de limitar las corrientes de falla. Esto ocurre en convertidores basados en IGBT con diodos supresores antiparalelos, el diseño más común (ver Imagen 1).

Los diodos supresores del FEC permiten el paso de grandes intensidades de la red de CA. Por tanto, hacen falta diseños de protección especiales (conviene señalar que no se pueden emplear rectificadores de tiristores como FEC, porque cuando se invierte el sentido de la corriente hay que cambiar la polaridad de la tensión, con graves consecuencias, obviamente, para los dispositivos conectados a la barra de CC).

Si se han instalado interruptores de dimensiones adecuadas, aunque la energía que circula por ellos haga que se sobrecalienten los semiconductores, se limita la intensidad, se mantiene la seguridad y se evitan otros daños a la instalación. Los dos tipos principales de fallas que tienen que proteger estos diseños son cortocircuitos de CC y defectos a tierra.

Lado de CC: cortocircuito

Cuando se produce un cortocircuito entre las terminales de una barra de CC de una microrred, sin ninguna fuente en el lado de CC, pueden presentarse diversas situaciones que dependen del valor de la resistencia de falla: para valores altos de la resistencia de falla, el FEC puede mantener la tensión de CC en su valor nominal, pero, por debajo de cierto valor, el FEC empieza a trabajar en modo de sobremodulación.

La condición límite se produce cuando la resistencia de cortocircuito es muy pequeña, casi nula. En este punto, como la corriente circula en los diodos supresores, el FEC trabaja como rectificador en estado de cortocircuito. En este caso, la intensidad ya no se ve limitada por el FEC. La corriente de cortocircuito es la suma de las contribuciones de la red de CA a través del FEC, desde los condensadores conectados a la barra de CC y desde los generadores de CC o el ESS, si los hay.

Si está instalada una planta FV o un ESS en el lado de CC, el generador activo proporciona una corriente de falla adicional, y cada contribución depende de la estructura de la microrred. Por otra parte, el componente activo, que incluye un controlador con su propio bucle de realimentación de tensión, también ayuda a mantener la tensión de CC en un valor mayor que en una red de CC pasiva. Por tanto, los valores de la resistencia de cortocircuito para la que el convertidor comienza a limitar la corriente absorbida del lado de CA, y en los que el control empieza a trabajar en condiciones de sobremodulación, son menores que en una red de CC pasiva.

Esto significa que, en sistemas equipados con una planta FV o un ESS, no es posible calcular la corriente de falla superponiendo los valores que se obtendrían de cada fuente, porque cada una de ellas afecta a las demás de forma que no son evidentes. Deben calcularse, entonces, en cada caso las corrientes de falla, teniendo en cuenta la totalidad del sistema.

Lado de CC: defecto a tierra

Las secciones de CC de las instalaciones eléctricas están generalmente aisladas de tierra. Por otra parte, por razones de seguridad, el transformador del lado de CA del FEC está normalmente puesto a tierra. Cuando se produce un defecto a tierra en el lado de CC, pueden circular corrientes de falla a través del convertidor, con resultados inesperados.

En una red de CC pasiva, dependiendo de la resistencia de falla, pueden también presentarse situaciones similares a las descritas, con el convertidor pasando al modo de sobremodulación y, finalmente, comportándose como un rectificador. Los generadores FV o ESS, aunque contribuye a mantener la tensión de CC en un valor mayor que una microrred pasiva comparable sólo de CC, proporcionan una vía de retorno para una componente de corriente unidireccional con valores bajos de resistencia de falla.

De hecho, un defecto a tierra en uno de los dos polos de la red de CC genera una vía de retorno para la corriente hacia el punto neutro de CA. Para valores bajos de resistencia de falla y si ésta se produce en el polo positivo, la contribución a la falla de la red de CA pasa por los diodos supresores de la estrella catódica del FEC, mientras que la contribución del ESS pasa por los IGBT de la estrella anódica del FEC (ver Imagen 2).

La situación se invierte si la falla se produce en el polo negativo de la CC. Esto puede hacer que salgan corrientes de ambos terminales de CC del FEC en vez de sólo uno, como es lo normal. Dichas corrientes pueden ser suficientes para dañar el FEC, pese a lo cual es un error frecuente despreciarlas cuando se calcula la corriente de defecto a tierra en la fase de diseño. En aplicaciones reales, el sistema de protección electrónica integrado en el convertidor mide la tensión a través del IGBT cuando se activa su puerta. Si su tensión es superior a un umbral dado, el circuito de control apaga el IGBT desactivando la puerta.

Esta protección, llamada DESAT (desaturación), bloquea los IGBT pocos microsegundos después de que la corriente que los atraviesa supera un límite prefijado. Por tanto, la contribución de la corriente de falla de la planta FV, o del ESS, se corta, desactivando la modulación de la señal que regula los IGBT del FEC. No obstante, la contribución de la falla de la red de CA sigue siendo alimentada por el FEC a través de sus diodos supresores no controlados. Por tanto, debe instalarse un dispositivo externo de protección adecuado que interrumpa la corriente de falla y proteja el FEC.

Estudio de caso

Se llevaron a cabo varias simulaciones para analizar el comportamiento de una microrred durante cortocircuitos de CC y defectos a tierra (ver Imagen 3). Normalmente, el punto neutro se conecta directamente a tierra para evitar una transferencia de tensión peligrosa al lado de baja tensión (BT) en caso de falla entre los devanados del primario y el secundario.

En caso de cortocircuito de CC con baja resistencia de falla, la corriente de falla entra en los diodos supresores, sin que los IGBT puedan limitarla en forma alguna ni siquiera si el sistema de control envía una señal de bloqueo del IGBT. En este caso, apagar la modulación del IGBT es inútil, porque el diodo conectado en antiparalelo al IGBT hace que el FEC trabaje como rectificador de diodos trifásico. Las intensidades en juego pueden ser varias veces superiores a la intensidad nominal del FEC en el lado de CC (125 A, con Rsc = 1 m?) (ver Imagen 4).

Con bajas resistencias de falla, la contribución del FEC a la corriente de cortocircuito puede alcanzar valores de hasta 16 veces la intensidad nominal del FEC en el lado de CC.

En caso de derivación a tierra de CC con baja resistencia de falla, la corriente de falla entra en los diodos supresores de la estrella catódica, sin que los IGBT puedan limitarla en forma alguna, y también en los IGBT de la estrella anódica. Las intensidades alcanzan valores varias veces el de la nominal del FEC en el lado de CC (125 A, Rg = 100 m?). El apagado de la modulación del IGBT puede interrumpir únicamente la contribución del ESS.

Dependiendo del valor de R, la corriente en el lado de CA puede ser completamente positiva y todo el componente de CA que es absorbido por el convertidor durante una falla la alimenta (ver Imagen 5).

Con la disminución de R, la contribución del FEC a la corriente de cortocircuito puede alcanzar valores de hasta 27 veces la intensidad nominal del FEC en el lado de CC. Una contribución de ese tipo no puede ser eliminada por el bloque de IGBT, pues atraviesa los diodos supresores.

Lee el artículo técnico completo en la revista Constructor Eléctrico de agosto 2016

Marco Carminati
ABB Electrification Products, Protection and Connection, Bérgamo, Italia.

 Enrico Ragaini
ABB Electrification Products, Protection and Connection, Bérgamo, Italia.