Seminario de Graduación “Convertidores Estáticos para Fuentes de Energía Renovables”

DISEÑO DEL CONTROL Y SIMULACIÓN DE UN SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA BASADO EN MÓDULOS DE PANELES FOTOVOLTAICOS DE UN SISTEMA MONOFÁSICO DESCONECTADO DE LA RED Y BATERÍAS COMO UNIDAD DE

ALMACENAMIENTO

CHRISTIAN RONALD TUMBACO CHUMO

ROMÁN ISAAC PARRALES MOREIRA

DESCRIPCIÓN DEL TEMA DESARROLLADO

El estudio consiste en dimensionar y diseñar los controladores de los

dos Convertidores DC-DC, uno para los paneles fotovoltaicos y otropara las baterías, además de un Inversor DC-AC.

Se ha desarrollado en base a un sistema monofásico, este sistema

va a estar aislado (desconectado) de la red de energía eléctrica.

Se desarrollaron los criterios y parámetros que se utilizan para poder

hacer uso de este tipo de energía.

Se utilizo la técnica del Factor K, además de la ayuda del software

MATLAB/SIMULINK para diseñar los controladores y el análisis de

señales.

MOTIVOS

Uso de energía renovables cada vez mas frecuente.

No se aprovecha de manera eficiente el total de la energía

producida por los PV.

Control que responda de manera optima a las diferentes variaciones

que pueden existir en un sistema basado en PV.

Ayudar a que este tipo de energía se desarrollen mas y que los

sistemas electrónicos usados en estas tecnologías, sean mas

eficientes.

PV: Paneles Fotovoltaicos

SOLUCIÓN

Diseñar un sistema de control para cada uno de los Convertidores

DC-DC e Inversor DC-AC que responda a las variaciones que existen

en este tipo de sistemas.

Hacer uso de la potencia máxima dada por los PV, en todo instante

de tiempo.

Dimensionar cada uno de los elementos que conforman los

convertidores e inversor, basados en un estudio de carga.

PV: Paneles Fotovoltaicos

DIAGRAMA DEL SISTEMA DESARROLLADO

PV

CONVERTIDOR

DC-DC

CONVERTIDOR

DC-AC

INVERSOR

CONVERTIDOR

DC-DC

BATERIA

BATERIA

C

A

R

G

A

DC-LINK

DC-AC

120 [V]

DC-AC

120 [V]

240 [V]

DIAGRAMA DEL SISTEMA A IMPLEMENTAR

CONVERTIDOR DC-DC ELEVADOR

CIRCUITO EQUIVALENTE CONVERTIDOR DC-DC ELEVADOR

Es un convertidor de potencia que obtiene a su salida una tensión

continua mayor que a su entrada.

CONVERTIDOR DC-DC ELEVADOR

Las dos configuraciones de un Boost. (a) La energía se transfiere de la

fuente a la bobina y del condensador a la carga. (b) la energía se transfiere

de la fuente y de la bobina al condensador y a la carga.

a.

b.

INVERSOR DC-AC

CIRCUITO INVERSOR DC-AC

La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente

continua a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con la

magnitud y frecuencia deseada.

MODULACION PWM

• c(t) diente de sierra para m(t) DC

• c(t) triangular para m(t) AC

SEÑALES PWM

DIMENSIONAMIENTO DEL CONVERTIDOR DC-DC DEL PANEL FOTOVOLTAICO Y LA BATERIA

Dimensionamos RL(resistencia parasita) y L(inductor)

CICLO DE

TRABAJO

RESISTENCIA

PARASITA

INDUCTOR

0

100

200

Va(V), Vo(V)

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2

0

10

20

30

Time (sec)

IL(A), Ic(A), Io(A)

-100

0

100

200

300Va(V), Vo(V)

0.1771 0.1771 0.1771 0.1771 0.1772 0.1772 0.1772 0.1772

27.5

28

28.5

29

Time (sec)

IL(A), Ic(A), Io(A)

L= 2 [mH]

DIMENSIONAMIENTO DEL CONVERTIDOR DC-DC DEL PANEL FOTOVOLTAICO Y LA BATERIA

SUBSISTEMA PARA DIMENSIONAR LA CAPACITANCIA DEL CONVERTIDOR DC-DC DEL PV

C= 175 [uF]

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35-50

0

50

100

150

200

Time (sec)

Va(V), Vo(V)

95

96

97

98

99

100

101

Va(V), Vo(V)

0.2837 0.2837 0.2837 0.2838 0.2838 0.2838

0

50

100

150

200

250

Time (sec)

SEÑAL: VOLTAJE DEL CAPACITOR

DIMENSIONAMIENTO DEL CAPACITOR DE ENLACE DEL CONVERTIDOR DC-DC DEL PANEL DE LA BATERIA

C= 10 [mF]

DISEÑO DEL CONTROL DEL CONVERTIDOR DC-DC DEL PANEL FOTOVOLTAICO

VR VL

Vi

ic il

li Vdc

Va

MODELO PARA ENCONTRAR LA FUNCION DE

TRANSFERENCIA

DIAGRAMA DE BLOQUES

ECUACIONES

DISEÑO DEL CONTROL DEL CONVERTIDOR DC-DC DEL PANEL FOTOVOLTAICO

TECNICA DEL FACTOR - K

Tipo de

controlador

0˚ Tipo 1

< 90˚ Tipo 2

> 90˚ Tipo 3

•Tipo 1: tiene una parte proporcional además de un polo en el

origen.

•Tipo 2: posee una parte proporcional, un polo en el origen, un

cero y un polo complejo conjugado.

•Tipo 3: posee una parte proporcional, un polo en el origen, dos

ceros y dos polos complejos conjugados.

S

I

S

T

E

M

A

DISEÑO DEL CONTROL DEL CONVERTIDOR DC-DC DE LA BATERIA

MODELO PARA ENCONTRAR LA FUNCION DE

TRANSFERENCIA

DIAGRAMA DE BLOQUES

ECUACIONES

,

S

I

S

T

E

M

A

C

O

N

T

R

O

L

A

D

O

R

DISEÑO DEL CONTROL DEL CONVERTIDOR DC-DC DE LA BATERIA

DIMENSIONAMIENTO DEL CONVERTIDOR DC-AC (INVERSOR)

Dimensionamos RL(resistencia parasita) y L(inductor)

-500

0

500Vab(V), Vo(V)

-50

0

50IL(A), Ic(A), Io(A)

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02-1

0

1

Time (sec)

m

-500

0

500Vab(V), Vo(V)

27.5

28

28.5

IL(A), Ic(A), Io(A)

0.0197 0.0197 0.0197 0.0197 0.0197 0.0197-1

0

1

Time (sec)

m

0

100

200

Vab(V), Vo(V)

-50

0

50IL(A), Ic(A), Io(A)

4 4.05 4.1 4.15 4.2 4.25

x 10

-1

0

1

Time (sec)

m

DIMENSIONAMIENTO DEL CONVERTIDOR DC-AC (INVERSOR)

RL= 0.07 [ohm]

C= 75 [uF]

L= 2 [mH]

SEÑALES DEL INVERSOR DC-AC

DISEÑO DEL CONTROL DEL CONVERTIDOR DC-AC (INVERSOR)

MODELO PARA ENCONTRAR LA

FUNCION DE TRANSFERENCIA

-200

-100

0

100

200Vc

-100

-50

0

50

100IR

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2-1

-0.5

0

0.5

1

Time (sec)

m

-200

-100

0

100

200Vc

0

5

10

15

IR

0.0498 0.0499 0.05 0.0501 0.0502 0.0503 0.0504 0.0505-1

-0.5

0

0.5

1

Time (sec)

m

DISEÑO DEL CONTROL DEL CONVERTIDOR DC-AC (INVERSOR)

SEÑALES DEL INVERSOR DC-AC

SISTEMA COMPLETO - ANALISIS

CARGA1

ROMAN PARRALES

CRISTHIAN TUMBACO

CAPACITOR DE ENLACE

CARGA2

Continuous

pow ergui

v+-

v+-

v+-

v+-

Vi

m1

Vab1

Vabp1

m2

Vab2

Vabp2

ILi1

ILi2

Vdci+

Vdci-

Vca+

Vca-

Vca1+

Vca1-

INVERSOR DC - AC

GL

[Vdc]

[Vdc]

GL

s -+

Ii

V_refd

Va

IdcIin+

Iin-

Vdc+

Vdc-

CONVERTIDOR DC - DC PV

Vdcdb

Vdc_ref

Idc_refVi+

Vi-

Vc+

Vc-

CONVERTIDOR DC - DC BATERIA

C

h1

h2

x1

x2

1:n1

h1

h2

x1

x2

1:n

Va(V)

Idc(V)

db

Vdc(V), Vdc_ref (V)

IL(A), IL_ref (A)

d

m1

Vab1(V)

Vabp1(V)

m2

Vab2(V)

Vabp2(V)

VLN2

VLN1

ILi1(A)

ILi2(A)

VLL

SISTEMA COMPLETO DE CONVERTIDORES E INVERSOR

SEÑALES: COVERTIDOR DC-DC PV

SEÑALES DEL CONVERTIDOR DC-DC DEL PV

-5

0

5

10d

50

100

150

200Vi(V)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4-20

0

20

40

60

80

100

Time (sec)

Idc(V)

SEÑALES: COVERTIDOR DC-DC BATERÍA

SEÑALES DEL CONVERTIDOR DC-DC DE LA BATERIA

-0.5

0

0.5

1

1.5db

180

190

200

210

220Vdc(V), Vdc_ref(V)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4-20

-10

0

10

20

Time (sec)

IL(A), IL_ref(A)

-1

-0.5

0

0.5

1m1

-300

-200

-100

0

100

200

300Vab1(V)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

Time (sec)

Vabp1(V)

SEÑALES: INVERSOR DC-AC

SEÑALES DEL INVERSOR DC-AC

-40

-20

0

20

40ILi1(A)

0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1

-20

0

20

40

Time (sec)

ILi2(A)

SEÑALES: INVERSOR DC-AC

SEÑALES DE CORRIENTE EN EL INDUCTOR DEL INVERSOR DC-AC

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200VLN1(V)

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200VLN2(V)

1.06 1.08 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

Time (sec)

VLL(V)

SEÑALES: SALIDA INVERSOR DC-AC

SEÑALES A LA SALIDA DEL INVERSOR DC-AC

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 230

35

40

45

50

55

60

Time (sec)

PERTURBACION EN PANEL FOTOVOLTAICO

PERTURBACION DE CORRIENTE EN EL PV

-6

-4

-2

0

2

4

6

8d

-50

0

50

100

150

200

250Va(V)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-20

0

20

40

60

80

100

Time (sec)

Idc(V)

SEÑALES: COVERTIDOR DC-DC PV

SEÑALES DEL CONVERTIDOR DC-DC DEL PV

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2db

140

160

180

200

220

240

260

280Vdc(V), Vdc_ref(V)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-60

-40

-20

0

20

40

Time (sec)

IL(A), IL_ref(A)

SEÑALES: COVERTIDOR DC-DC BATERIA

SEÑALES DEL CONVERTIDOR DC-DC DE LA BATERÍA

-1

-0.5

0

0.5

1m1

-300

-200

-100

0

100

200

300Vab1(V)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

Time (sec)

Vabp1(V)

SEÑALES: INVERSOR DC-AC

SEÑALES DEL INVERSOR DC-AC

-40

-20

0

20

40ILi1(A)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-40

-20

0

20

40

Time (sec)

ILi2(A)

SEÑALES: INVERSOR DC-AC

SEÑALES DE CORRIENTE EN EL INDUCTOR DEL INVERSOR DC-AC

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200VLN1(V)

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200VLN2(V)

1.3 1.32 1.34 1.36 1.38 1.4

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

Time (sec)

VLL(V)

SEÑALES: SALIDA INVERSOR DC-AC

SEÑALES A LA SALIDA DEL INVERSOR DC-AC

CONCLUSIONES

El sistema permite apreciar el funcionamiento de cada una de las señales

importantes de cada una de sus etapas.

Se logró diseñar un sistema que trabaja aislado de la red, siguiendo los

modelos conceptuales descritos y la técnica de control elegida para todos

los convertidores e inversor.

Cuando existen aumentos considerables de carga el sistema no

responderá porque esta diseñado para una potencia máxima determinada

en el estudio.

El voltaje en el capacitor de enlace ó DC-LINK regula el flujo de potencia

desde los paneles hacia la carga o hacia las baterías, por ello su

importancia en el estudio.

Analizar todas las señales de cada una de las etapas y

componentes del sistema, para confirmar los datos de las variables

definidas.

Los valores de los elementos dimensionados en los convertidores

son teóricos.

Se recomienda la implementación para comprobar la validez del

presente estudio.

RECOMENDACIONES

GRACIAS

POR

SU

ATENCIÓN