¿Cómo seleccionar transformadores para plantas solares fotovoltaicas distribuidas?

Ajuste de la capacidad del transformador a la generación fotovoltaica distribuida

Dimensionamiento de la potencia nominal en kVA en función de la salida de corriente alterna del inversor, el sobredimensionamiento en corriente continua y la variabilidad de la irradiación

Obtener el transformador del tamaño adecuado comienza analizando la potencia máxima de salida en corriente alterna (CA) que puede suministrar el inversor, por ejemplo, aproximadamente 100 kW. La mayoría de los diseños contemplan ratios de sobredimensionamiento en corriente continua (CC) entre 1,2× y 1,5×, ya que las instalaciones solares suelen experimentar picos de irradiación superiores a los predichos por las pruebas estándar. Considérese una configuración típica con un campo fotovoltaico de 150 kWp en CC conectado a un inversor de 100 kW. En este caso, resulta razonable seleccionar un transformador con una potencia nominal mínima de 125 kVA para gestionar esos episodios ocasionales de recorte (clipping), cuando la producción supera temporalmente la capacidad nominal. Varios factores revisten importancia desde el punto de vista técnico. En primer lugar, debe verificarse durante cuánto tiempo puede el inversor soportar condiciones de sobrecarga, lo cual suele ser del orden del 110–120 % durante hasta una hora. A continuación, deben tenerse en cuenta los patrones climáticos locales: las zonas desérticas experimentan cambios bruscos de irradiación entre el día y la noche, a diferencia de las zonas costeras, donde la luz solar permanece más constante a lo largo del día. Tampoco debe olvidarse la degradación progresiva de los módulos fotovoltaicos: estos pierden aproximadamente un 0,5 % de eficiencia cada año, lo cual, paradójicamente, contribuye a reducir la tensión sobre los equipos aguas abajo, ya que los armónicos y el calor se acumulan menos con el paso del tiempo.

Análisis de reducción térmica y factor de carga para instalaciones en cubiertas

Las temperaturas ambiente en las cubiertas suelen superar los 40 grados Celsius, lo que reduce la capacidad del transformador en aproximadamente un 15 al 20 % si no se toman medidas al respecto. La mayoría de los sistemas fotovoltaicos comerciales funcionan, de todas formas, con un factor de carga inferior al 60 %, por lo que existe margen para una reducción inteligente del tamaño, siempre que se combine con buenas técnicas de gestión térmica. El enfriamiento por aire forzado funciona bien, junto con aislamiento no inflamable que cumpla con la norma IEEE C57.96, además de controles regulares de temperatura durante toda la operación. Las características específicas del emplazamiento también son muy importantes. Los transformadores instalados en espacios cerrados o zonas con mala ventilación pueden requerir calificaciones nominales de base hasta un 25 % superiores comparadas con aquellas colocadas al aire libre, donde la circulación de aire es mejor. Tanto ASHRAE como IEEE han publicado directrices de modelado térmico que respaldan este enfoque.

Transformadores de tipo seco frente a transformadores sumergidos en aceite: seguridad, eficiencia y adecuación al emplazamiento

Requisitos de seguridad contra incendios, ventilación e instalación en interiores para techos urbanos y comerciales

Para las instalaciones solares urbanas y comerciales en techos, los transformadores secos se han convertido en la opción preferida gracias a sus características de diseño no inflamables. Estos suelen incorporar devanados de resina epoxi impregnados bajo vacío y presión, lo que los hace mucho más seguros que los modelos tradicionales llenos de aceite. Los sistemas sumergidos en aceite conllevan todo tipo de problemas, como refrigerantes inflamables, posibles fugas y la necesidad de infraestructura especializada, por ejemplo, cámaras a prueba de explosiones, medidas adicionales de contención y sistemas adecuados de ventilación. Los transformadores secos pueden instalarse directamente dentro de los edificios, incluso en espacios reducidos donde la seguridad es prioritaria, como huecos de ascensores, aparcamientos subterráneos o techos compartidos entre varios inquilinos. Ciudades como Nueva York y Tokio mencionan ahora expresamente los transformadores secos en sus últimas normativas contra incendios para este tipo de instalaciones, ya que tienden a autorregularse y apagarse automáticamente si ocurre algún fallo durante su funcionamiento.

Cumplimiento de eficiencia (DOE 2016, IEC 60076-20) e implicaciones en los costes del ciclo de vida

Los transformadores secos actuales cumplen dichas normas clave de eficiencia establecidas por regulaciones como la DOE 2016 y la IEC 60076-20 en cuanto a tolerancia a armónicos. Algunos de los mejores modelos alcanzan, de hecho, una eficiencia de aproximadamente el 99,3 % al operar con potencias comprendidas entre 500 y 2500 kVA. Anteriormente, los transformadores sumergidos en aceite tenían una ligera ventaja en cuanto a eficiencia a carga máxima. Sin embargo, actualmente los transformadores secos resultan más rentables a largo plazo, especialmente en instalaciones solares distribuidas en distintas ubicaciones. Estos sistemas no requieren el mantenimiento periódico asociado a pruebas y filtrado de aceite ni al manejo de fluidos peligrosos que deben eliminarse adecuadamente. Durante un período de aproximadamente 25 años, esto permite a las empresas ahorrar entre un 20 % y hasta un 30 % en costes operativos, pese a que su coste inicial suele ser aproximadamente un 15 % superior. En definitiva, se obtienen mejores rentabilidades de la inversión y una gestión de activos mucho más sencilla a lo largo del tiempo.

Garantizando el cumplimiento de la red mediante transformadores clasificados para armónicos

Cumpliendo los límites de DTH según IEEE 1547-2018 mediante diseños de transformadores con factor K y transformadores atenuadores de armónicos

La potencia generada por los inversores en los sistemas solares crea distorsiones armónicas que, con frecuencia, superan el límite de distorsión armónica total (THD, por sus siglas en inglés) del 5 % en tensión establecido por la norma IEEE 1547-2018 en los puntos de conexión. Para abordar este problema, se utilizan transformadores especiales denominados «atenuadores de armónicos», cuyos arrollamientos están desfasados para eliminar las armónicas principales, como las de quinto y séptimo orden. Por otro lado, los transformadores clasificados según factores K que van desde K4 hasta K20 están diseñados específicamente para soportar el calor generado por las armónicas sin dañar sus capas aislantes. No obstante, estos no son transformadores convencionales. Los modelos estándar tienden a envejecer mucho más rápidamente al trabajar con cargas no lineales, mientras que estas versiones especializadas mantienen temperaturas adecuadas y cumplen con las normativas incluso durante operaciones solares normales. Las imágenes térmicas obtenidas en instalaciones reales muestran que estos transformadores optimizados permanecen aproximadamente 15 grados Celsius más fríos que los transformadores convencionales sometidos a cargas distorsionadas similares. Esta diferencia de temperatura se traduce en una mayor vida útil del equipo y menos problemas en los puntos de conexión bajo condiciones reales de funcionamiento.

Protección futura mediante supervisión inteligente y capacidades de mantenimiento predictivo

Integración SCADA, supervisión de temperatura y descargas parciales para la fiabilidad del transformador

Cuando los transformadores se conectan a sistemas SCADA, los operadores pueden supervisar su rendimiento en tiempo real directamente desde una ubicación central, abarcando todas esas extensiones dispersas de paneles solares. Los sensores de temperatura integrados en distintas partes —como los devanados y los núcleos—, y también en los compartimentos de aceite de los transformadores llenos de aceite, detectan patrones térmicos anómalos mucho antes de que las temperaturas alcancen niveles peligrosos. Otra herramienta importante es la monitorización de descargas parciales (PD), que capta picos de corriente de alta frecuencia que indican signos tempranos de problemas en el aislamiento, algo que las pruebas convencionales podrían pasar por alto por completo. Estas funciones combinadas transforman por completo la forma de llevar a cabo el mantenimiento, alejándose de un enfoque estrictamente basado en revisiones programadas hacia uno centrado en resolver incidencias únicamente cuando resulta necesario. Estudios de campo realizados por organizaciones como EPRI y NREL demuestran que este enfoque reduce los apagones imprevistos aproximadamente un 40 por ciento. Toda esta recopilación de datos crea un entorno en el que las empresas pueden predecir con mayor precisión la vida útil de los equipos, gestionar de forma más eficiente el stock de piezas de repuesto y planificar sus inversiones estratégicamente, convirtiendo así el mantenimiento de transformadores no solo en una actividad reactiva, sino también en un factor que refuerza progresivamente la fiabilidad del sistema.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la importancia del sobredimensionamiento de corriente continua (CC) en las instalaciones solares?

El sobredimensionamiento de corriente continua (CC) permite que las instalaciones solares gestionen picos de irradiación que superan lo previsto en las pruebas estándar, garantizando que los transformadores puedan soportar sobrecargas temporales sin pérdidas significativas de eficiencia.

¿Son los transformadores secos más ventajosos que los transformadores sumergidos en aceite para instalaciones en azoteas?

Sí, los transformadores secos suelen ser más adecuados para instalaciones en azoteas debido a su diseño no inflamable, su seguridad en emplazamientos interiores y su cumplimiento de los actuales códigos de prevención de incendios.

¿Cómo pueden las empresas eléctricas garantizar el cumplimiento de la red frente a armónicos generados por sistemas solares?

Las empresas eléctricas pueden utilizar transformadores atenuadores de armónicos y transformadores calificados para factores K específicos para gestionar los armónicos y mantener el cumplimiento de la red según las normas IEEE.

¿Qué papel desempeña la integración con sistemas SCADA en el mantenimiento de transformadores?

Los sistemas SCADA permiten la supervisión en tiempo real del rendimiento, lo que ayuda a detectar posibles problemas de forma temprana, posibilitando así el mantenimiento predictivo y reduciendo las paradas inesperadas.