Post on 19-Jan-2016
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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 otro para 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
PVCONVERTIDOR
DC-DC
CONVERTIDOR DC-AC
INVERSOR
CONVERTIDOR DC-DC
BATERIA
BATERIA
CARGA
DC-LINK
DC-AC120 [V]
DC-AC120 [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
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12199.996
199.997
199.998
199.999
200
200.001
200.002
200.003
Time (sec)
Vdc-link
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.
SISTEMA
DISEÑO DEL CONTROL DEL CONVERTIDOR DC-DC DE LA BATERIAMODELO PARA ENCONTRAR LA FUNCION DE
TRANSFERENCIA
DIAGRAMA DE BLOQUES
ECUACIONES
,
199
200
201
Vdc(V), Vdc_ref(V)
-10
0
10
IL(A), Idc(A)
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12-4
-2024
Time (sec)
Perturbacion
SISTEMA
CONTROLADOR
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
28.5IL(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
200Vab(V), Vo(V)
-50
0
50IL(A), Ic(A), Io(A)
4 4.05 4.1 4.15 4.2 4.25
x 10-3
-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 PARRALESCRISTHIAN 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_ref d
Va
IdcIin+
Iin-
Vdc+
Vdc-
CONVERTIDOR DC - DC PV
Vdc db
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 PORSU
ATENCIÓN