Estudio de caso: La caja combinadora de CC de 1000 V de 6 entradas y 2 salidas reduce los costos de los paneles solares en un 15 %

Antecedentes del cliente

Una empresa mediana de ingeniería, adquisición y construcción (EPC) solar ubicada en el sur de España gestiona instalaciones montadas en tierra a gran escala en toda la Península Ibérica. Con 200 empleados y una cartera anual de 80 MW, la empresa trabaja habitualmente en proyectos en los que la superficie terrestre, las rutas de cables y los inversores están dispuestos en geografías reducidas.

La empresa había ganado un contrato para repotenciar y ampliar una planta solar existente de 1,6 MW añadiendo 0,8 MW de nueva capacidad. La planta ya no cumplía con las necesidades más estrictas de seguridad y rendimiento de los equipos de CC actuales, por lo que hubo que reemplazar las antiguas cajas de matriz y el cableado. El equipo de ingeniería buscó una solución que redujera los costos del equilibrio del sistema y al mismo tiempo mantuviera la instalación segura y las paradas mínimas.

Desafíos y puntos débiles

La planta solar original utilizaba cajas combinadoras de 600 V emparejadas con una línea inversora de 380 V. Cada cuatro circuitos de cadena se combinaron en un alimentador, lo que requirió largos recorridos de cables de bajo voltaje. En el nuevo tramo, el equipo planeó utilizar módulos solares de 1.000 V y un inversor central con capacidad de 1.000 V para reducir las secciones transversales de los cables y mejorar la eficiencia del inversor.

El problema era que las cajas combinadoras estándar de 600 V no podían aceptar tensiones de cadena más altas. Por lo tanto, los directores del proyecto necesitaban una caja combinadora capaz de manejar 1000 V CC mientras alimentaba dos entradas de inversor independientes. Las bandejas y zanjas de cables existentes no podían permitir nuevos caminos significativos, por lo que el proyecto necesitaba una caja compacta que permitiera la entrada de seis cadenas y la salida de dos grupos, lo que limitaba los nuevos tirones de cables y acortaba las longitudes de los alimentadores.

Otro dolor de cabeza vino del mantenimiento. En la antigua instalación, los cortocircuitos o fallos de string se aislaron con fusibles mecánicos lentos. Esto provocó un seguimiento de fallas que requería mucho tiempo y pérdidas de generación no planificadas cada pocos meses. Con la repotenciación de la planta, la EPC buscaba evitar esas pérdidas.

¿Por qué la caja combinadora Soutya de 1000 V CC tipo MCB de 6 entradas y 2 salidas?

El equipo de ingeniería evaluó tres alternativas: cajas de conexiones estándar de fabricación propia con portafusibles, cajas combinadoras de alto voltaje importadas ofrecidas por un socio de módulos y la caja combinadora Soutya de 1000 V CC. La primera solución se descartó porque las cajas construidas en campo carecen de gabinetes con clasificación IP adecuados y disyuntores con clasificación CC. La segunda opción era más cara y tenía plazos de entrega de más de diez semanas.

La caja combinadora Soutya de 1000 V CC se destacó por tres características del producto que coincidían exactamente con los requisitos del proyecto.

• Seis entradas de CC y dos salidas, lo que le da al diseño la capacidad de alimentar dos entradas MPPT de inversor separadas sin un subpanel adicional.
• Protección tipo MCB en lugar de portafusibles. Esto permitió un fácil reinicio y resolución de problemas sin necesidad de fusibles de repuesto.
• Clasificado para 1000 V CC según el diseño de voltaje de la cadena del proyecto, por lo que la caja podría colocarse cerca del conjunto y aun así cumplir con los umbrales de voltaje seguro de la planta.

Además, la caja procedía de un proveedor local con un plazo de entrega corto de dos semanas. Los gerentes de compras compararon el costo de la unidad Soutya con el de la competencia y calcularon un ahorro del 22 % por gabinete, antes de considerar los ahorros en cableado y mano de obra.

Proceso de implementación y solicitud

El proyecto entregó la repotenciación y expansión completa durante un período de construcción de tres meses. La instalación de las cajas combinadoras de 1000 VCC tomó seis días en diez conjuntos nuevos y de reemplazo.

El equipo siguió una secuencia clara:

1. Después de fijar los bastidores de montaje, los técnicos instalaron las líneas de cadena de CC en las posiciones de la caja combinadora con una prueba de voltaje a 1000 V CC.
2. Cada caja combinadora Soutya de 1000 V CC se montó en el bastidor con las entradas de neutro y conducto hacia abajo, protegiendo el compartimento del MCB de la intrusión de la lluvia.
3. Se terminaron seis conductores de cuerda dentro de cada caja y se verificó el torque de acuerdo con los valores de la etiqueta.
4. Las dos alimentaciones de salida se dirigieron a las secciones de entrada MPPT del inversor y los disyuntores de CC se activaron solo después de que se verificaron todas las conexiones.

Una dificultad clave surgió en los techos con molduras de acero donde la placa de tierra del gabinete no se podía atornillar. El ingeniero de preventa del fabricante sugirió utilizar un kit de terminales de conexión a tierra con terminales de compresión de un orificio. El personal del sitio aplicó la herramienta de engarce recomendada y pasó una prueba de continuidad. Eso eliminó un posible retraso de dos días.

Resultados cuantificados

Después de la puesta en servicio y de una temporada operativa completa de verano, el EPC comparó el rendimiento de la planta repotenciada con el de la sección más antigua que operaba con la misma clase de inversor.

• El peso del cable de cobre por alimentador de cadena se redujo en un 35%, porque las cadenas de 1000 V funcionaron con un voltaje más alto y una corriente más baja mientras mantenían el mismo límite de caída de voltaje.
• El costo general de materiales del equilibrio del sistema para la porción adicional de 0,8 MW se redujo en un 15 % en comparación con un diseño básico de 600 V, incluido el precio efectivo de la caja combinadora Soutya de 1000 V CC.
• El tiempo de restablecimiento de fallas pasó de un promedio de 55 minutos a 8 minutos gracias a los disyuntores tipo MCB y la disposición de 6 entradas y 2 salidas de fácil acceso.
• La disponibilidad de generación mejoró un 3,4 % durante los primeros tres meses en comparación con el rendimiento histórico de las cajas de matriz más antiguas con protección basada en fusibles.

Como se necesitaron menos subalimentadores, la longitud de las zanjas también se redujo en un 18 %. Esto ahorró una semana de excavación y redujo el trabajo de compactación antes del montaje de los inversores.

Perspectiva del cliente

El jefe de ingeniería eléctrica de la EPC afirmó:

"La caja combinadora de CC de 1000 V nos brindó el diseño de salida dual que necesitábamos sin una fabricación especial. Hemos reducido nuestros costos de material y, más aún, cuando una cuerda se dispara ahora el equipo la restaura en minutos en lugar de pasar horas buscando un fusible fundido".

El propietario de la planta se hizo eco de esa opinión y señaló que la nueva configuración permitía una futura expansión sin reemplazar la infraestructura de CC original.

Lecciones y recomendaciones

Para otras empresas EPC que planean trabajos solares CC de alto voltaje similares, se destacan tres puntos:

• Elija una caja combinadora con la cantidad correcta de entradas y salidas para la topología del inversor antes de comenzar el diseño. Una unidad de 6 entradas y 2 salidas puede reducir en gran medida el número de alimentadores y paneles de distribución secundarios.
• La protección basada en MCB vale el costo inicial ligeramente mayor, porque el tiempo de inactividad operativa se subestima en un caso de negocios. Una interrupción de medio día evitada puede pagar el extra.
• Confirme los requisitos de conexión a tierra y protección IP con el proveedor antes del envío. Un pequeño detalle, como un kit de conexión a tierra, puede influir en la velocidad y confiabilidad de la instalación en sitios con techos elevados.

Si se rehiciera el proyecto, el equipo pediría kits de prensaestopas preperforados y tubos marcadores conductores etiquetados al mismo tiempo que las cajas. Ese simple cambio reduciría el tiempo de inspección de cierre en otros dos días en toda la planta.

Referencias de estándares de la industria

La instalación aplicada y la selección de la caja combinadora de 1000 VCC siguen los requisitos IEC pertinentes: IEC 62548:2016 para requisitos estructurales y de diseño del conjunto fotovoltaico, e IEC 61643-11:2011 para coordinación de protección contra sobretensiones en el lado de CC.

• IEC 62548:2016 — Conjuntos fotovoltaicos (PV) — Requisitos de diseño.https://webstore.iec.ch/publication/62548
• IEC 61643-11:2011 — Dispositivos de protección contra sobretensiones de bajo voltaje — SPD conectados a sistemas de energía de bajo voltaje.https://webstore.iec.ch/publication/61643-11