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31 INtroDuccIóN Y aNtEcEDENtEs La conservación y el uso racional de los recursos plantean la necesi- dad de incorporar el factor ambiental en las políticas globales, así como la inmediata aplicación de programas e instrumentos de gestión energética y medioambiental. La protección del medioambiente es una exigencia de la sociedad, re- flejada en los acuerdos internaciona- les (Protocolo de Kyoto, etc.) para la reducción de emisiones y en las Di- rectivas de la Unión Europea. La sostenibilidad de los Sistemas de Energía Eléctrica, en el futuro, pa- sará por el uso a gran escala de las Fuentes de Energía Renovable para la generación de energía. Algunas de estas fuentes, como por ejemplo la energía eólica y la solar, tienen un comportamiento estocástico. Esto úl- timo supone un obstáculo para la predicción de producción de energía, como consecuencia de la alta fluc- tuación de generación. Se necesitan distintos dispositivos para el almace- namiento de energía en distintas lo- calizaciones en los Sistemas de Ener- gía Eléctrica (SEE), para equilibrar los flujos de potencia entre las fuentes de energía renovable y los consu- mos. Además, también pueden utili- zarse durante periodos de no gene- ración o en periodos de reducida ge- neración de energía. coNvErtIDorEs DE PotENcIa coN aLMacENaMIENto ENErgétIco Para La INtEgracIóN DE FuENtEs DE ENErgía rENovabLE EN sIstEMas DE ENErgía ELéctrIca DE rEDucIDa PotENcIa En este artículo se presenta la problemática de la integración de las Fuen- tes de Energía renovable en los sistemas de Energía Eléctrica, planteán- dose como solución la introducción de sistemas de almacenamiento de energía con una respuesta dinámica adecuada. De entre las posibilidades de almacenamiento energético expuestas, se opta por la utilización de los condensadores electroquímicos de doble capa, también conocidos como supercondensadores. Estos se eligen debido a que su respuesta diná- mica ante la carga y la descarga es elevada. también se escoge una to- pología de convertidor de potencia para conectar el supercondensador al sistema de Energía Eléctrica (incluída la fuente de energía renovable). se expone el método para la determinación de la estrategia de control de los flujos energéticos en el sistema de almacenamiento. Y, finalmente, se muestran los resultados obtenidos a partir del prototipo de laboratorio rea- lizado. This paper presents the problematic issues for making renewable power sources up in the power systems, setting out like a solution the use of energy storage systems with the adequate dynamic response. Among the different energy storage systems, it has been chosen the electrochemical double layer capacitors, also known as supercapacitors, due to their high dynamic response in charge-discharge cycle. It is exposed also the converter topology for connecting the supercapacitor to the power system (included the renewable power source). It is formulated the method in order to determinate the control strategy for the power flows of the energy storage system. Finally, it is displayed the results from a laboratory prototype of the system. alejandro ramos Martín Ignacio de la Nuez Pestana uLosartícuLosartícuLosartícuLosartícuLosartícuLosartícuLos artícuLos La conservación y el uso racional de los recursos plantean la necesidad de incor- porar el factor am- biental en las polí- ticas globales, así como la inmediata aplicación de progra- mas e instrumentos de gestión energética y medioambiental

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INtroDuccIóN Y aNtEcEDENtEs

La conservación y el uso racionalde los recursos plantean la necesi-dad de incorporar el factor ambientalen las políticas globales, así como lainmediata aplicación de programas einstrumentos de gestión energética ymedioambiental.

La protección del medioambientees una exigencia de la sociedad, re-flejada en los acuerdos internaciona-les (Protocolo de Kyoto, etc.) para lareducción de emisiones y en las Di-rectivas de la Unión Europea.

La sostenibilidad de los Sistemasde Energía Eléctrica, en el futuro, pa-sará por el uso a gran escala de las

Fuentes de Energía Renovable parala generación de energía. Algunas deestas fuentes, como por ejemplo laenergía eólica y la solar, tienen uncomportamiento estocástico. Esto úl-timo supone un obstáculo para lapredicción de producción de energía,como consecuencia de la alta fluc-tuación de generación. Se necesitandistintos dispositivos para el almace-namiento de energía en distintas lo-calizaciones en los Sistemas de Ener-gía Eléctrica (SEE), para equilibrarlos flujos de potencia entre las fuentesde energía renovable y los consu-mos. Además, también pueden utili-zarse durante periodos de no gene-ración o en periodos de reducida ge-neración de energía.

coNvErtIDorEs DE PotENcIa coN aLMacENaMIENtoENErgétIco Para La INtEgracIóN DE FuENtEs DEENErgía rENovabLE EN sIstEMas DE ENErgía ELéctrIca DE rEDucIDa PotENcIa

En este artículo se presenta la problemática de la integración de las Fuen-tes de Energía renovable en los sistemas de Energía Eléctrica, planteán-dose como solución la introducción de sistemas de almacenamiento deenergía con una respuesta dinámica adecuada. De entre las posibilidadesde almacenamiento energético expuestas, se opta por la utilización de loscondensadores electroquímicos de doble capa, también conocidos comosupercondensadores. Estos se eligen debido a que su respuesta diná-mica ante la carga y la descarga es elevada. también se escoge una to-pología de convertidor de potencia para conectar el supercondensador alsistema de Energía Eléctrica (incluída la fuente de energía renovable). seexpone el método para la determinación de la estrategia de control de losflujos energéticos en el sistema de almacenamiento. Y, finalmente, semuestran los resultados obtenidos a partir del prototipo de laboratorio rea -lizado.

This paper presents the problematic issues for making renewable power sources

up in the power systems, setting out like a solution the use of energy storage

systems with the adequate dynamic response. Among the different energy stora ge

systems, it has been chosen the electrochemical double layer capacitors, also known

as supercapacitors, due to their high dynamic response in charge-discharge

cycle. It is exposed also the converter topology for connecting the supercapacitor

to the power system (included the renewable power source). It is formulated the

method in order to determinate the control strategy for the power flows of the energy

storage system. Finally, it is displayed the results from a labo ratory prototype of the

system.

alejandro ramos MartínIgnacio de la Nuez Pestana

u L o s a r t í c u L o s a r t í c u L o s a r t í c u L o s a r t í c u L o s a r t í c u L o s a r t í c u L o s a r t í c u L o s

La conservación y eluso racional de losrecursos plantean lanecesidad de incor-porar el factor am-biental en las po lí-ticas globales, asícomo la inmediataaplicación de progra-mas e instrumentosde gestión energéticay medioambiental

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EL aLMacENaMIENto DE ENEr-gía

Un sistema de almacenamiento deenergía en un Sistema de EnergíaEléctrica puede ser definido comocualquier instalación o método, su-jeto a un control independiente, en elque se puede almacenar energía ge-nerada, y reutilizarla cuando sea ne-cesario (Ter-Garzarian, 1994), (Ribeiroet al., 2001).

Los sistemas de almacenamientode energía pueden ser utilizados poruna o varias de las siguientes razones:mejorar la eficiencia de operación deun sistema, reducir la utiliza ción decombustible primario o carecer desuficiente energía disponible, comofuente de energía de seguridad.

sIstEMas DE aLMacENaMIEN-to DE ENErgía

Algunos de los sistemas de alma-cenamiento de energía, para siste-mas de energía eléctrica, analizadosampliamente por varios autores (Ter-Garzarian, 1994), (Ribeiro et al, 2001),(Korpaas et al., 2003) y (Mierlo et al.,2004), se pueden clasificar en:

• Centrales de bombeo hidroeléc -

tricas: Este tipo de centrales dealmacenamiento de energía es elúnico que ha tenido un uso bas-tante extendido en los sistemasde energía eléctrica. Estas plan-tas utilizan la energía excedentede los periodos valle del día (pe-riodos de poca demanda), parabombear agua hacia depósitoselevados. Cuando la demandade energía eléctrica es máxima elagua es turbinada para, de estamanera, generar energía eléc-trica con un precio superior al delperiodo valle de almacenamien-to. La idea es sencilla: la energíaes almacenada en forma de ener-gía potencial mediante el bom-beo del agua hasta el depósitosuperior desde un nivel inferior.Cuando se requiera la descargade energía, el agua es devuelta

al depósito inferior a través de tur -binas que generan energía eléc-trica. Estas centrales de almace-namiento requieren una conside-rable superficie con la adecuadaorografía, para los depósitos su-perior e inferior. En general, estetipo de centrales tiene una efi-ciencia de alrededor del 70% al80%.

• Centrales de almacenamiento

de aire comprimido: Este tipode plantas utilizan el excedentede energía de los periodos valledel día, para comprimir aire encavernas subterráneas o en sis-temas superficiales de tuberías.La energía se recupera por me-dio del calentamiento del aire me -diante la combustión de un com-bustible, produciendo trabajo trassu expansión en turbinas acopla-das a generadores eléctricos. Es-tas plantas consumen una terce-ra parte de combustible que unaconvencional, por lo que conta-minan un tercera parte también.La eficiencia de este tipo de plan-tas suele ser del 85% aproxima-damente.

• baterías: Los elementos de al-macenamiento de energía másconocidos son las baterías. Lossistemas formados por bateríasson modulares, silenciosos y pue-den ser instalados muy cerca delos centros de consumo. La res-puesta dinámica es uno de lospuntos fuertes de esta tecnolo-gía; pueden responder a cambiosen la carga en periodos de tiem-po de pocos milisegundos. La efi-ciencia de las baterías está com-prendida entre el 60% y el 80%.

• volantes de inercia: Otro de lossistemas de almacenamiento deenergía son los volantes de iner-cia. La energía es almacenadaen forma de energía cinética.Donde la energía almacenada esproporcional a la velocidad de gi -ro al cuadrado. La eficiencia delos volantes de inercia está com-prendida entre el 80% y el 85%

• bobinas superconductoras: Unaopción para el futuro como medio

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Los sistemas de alma-cenamiento de energía

pueden ser utilizadospor una o varias de las

siguientes razones: me-jorar la eficiencia deoperación de un sis-

tema, reducir la utiliza-ción de combustible

primario o carecer desuficiente energía dispo-

nible, como fuente deenergía de seguridad

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de almacenamiento de energíason las bobinas superconducto-ras, debido a su elevada eficien-cia. La energía eléctrica en losperiodos valle es convertida encorriente continua y almacenadaen las bobinas superconducto-ras. Son mantenidas a la tempe-ratura adecuada por un sistemade refrigeración diseñado paramantener las propiedades super-conductoras de los materiales quecomponen la bobina. La energíaalmacenada es proporcional alcuadrado de la intensidad queatraviesa la bobina. La bobina su- perconductora almacena y des-carga con una eficiencia del 98%.

• Hidrógeno: En los últimos añosha aparecido la tendencia a la uti-lización del hidrógeno como uncombustible no productor de CO2.Su mayor aplicación para el fu-turo radica básicamente en losvehículos eléctricos y en la pro-ducción de electricidad mediantepilas de combustible. El hidróge -no puede ser producido mediantela electrólisis del agua, utilizandoel excedente energético en los pe-riodos valle del día, como la ener-gía procedente de fuentes reno-vables. La eficiencia del ciclo com-pleto de las plantas de almace-namiento de hidrógeno está entreel 60% y el 85%.

• supercondensadores: Este tipode condensadores tienen una ca-pacidad muy elevada (hasta mi -les de faradios) y un reducido vo -lumen, unas mil veces inferiorque un condensador convencio-nal. Los supercondensadores sonideales para aplicaciones de altapotencia, aplicaciones en las quese requiere descargas en cortoespacio de tiempo, y tienen unagran cantidad de ciclos de vida.Las aplicaciones comerciales delos supercondensadores suelenser para potencias por debajo de100kW, y para descargas de 1 adecenas de segundos. La ener-gía almacenada para cualquiercondensador es proporcional alcuadrado de su tensión. Tienen

una eficiencia entre el 90 y el 95%,en las operaciones de car ga ydescarga.

Habiéndose presentado una breveclasificación de los sistemas de al-macenamiento de energía, hay queresaltar que estos pueden clasifi-carse en dos grupos en relación a sucampo de aplicación.

Por un lado, los sistemas con ele-vada capacidad de almacenamientode energía y reducida velocidad derespuesta, entre los que se puedenincluir centrales de bombeo, centra-les de almacenamiento de aire com-primido, hidrógeno y algunos tipos debatería. Y por otro lado, están los sis-temas con elevada velocidad de res-puesta dinámica y moderada o pe -queña capacidad de almacenamien-to de energía, en los que se puedenincluir varios tipos de baterías, los vo-lantes de inercia, las bobinas super-conductoras, y los supercondensa-dores.

rEPErcusIoNEs DE Los sIstE-Mas DE aLMacENaMIENto DEENErgía

Existen diversos trabajos en losque se analizan las repercusiones delos sistemas de almacenamiento deenergía en los SEE (Ter-Garzarian,1994), (Schainker, 2004), (Orecchini,2006), a continuación se enumera bre -vemente algunas de ellas:

1. En muchos casos son una alter-nativa más económica que laconstrucción de nuevas líneas detransporte, distribución y sistemasde generación.

2. Pueden reducir los costes de ope-ración, permitiendo verter energíaeléctrica económica a los SEE.

3. Permiten la penetración de lasenergías renovables en los SEE,además de colaborar en la con-secución de los objetivos marca-dos en referencia a las emisionesde CO2.

4. Son sistemas efectivos de ges-tión de la energía en los SEE.Disminuyéndose de esta manera

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la capacidad y el coste instaladode los generadores distribuidos.

5. El resultado del almacenamientode energía a gran escala puedetener un profundo efecto estraté-gico a escala industrial y permiti-ría un considerable aumento desostenibilidad en la generaciónde energía.

6. En diversos emplazamientos lo-calizados en áreas rurales, lejosde grandes líneas de transportede energía eléctrica, se podríaaumentar la explotación de lasenergías renovables mediante eluso de distintos métodos de al-macenamiento de energía. Sin te -ner que realizar un aumento con-siderable en la capacidad de laslíneas existentes, medida no siem-pre deseada debido a inconve-nientes técnicos y de impacto am-biental.

Los sIstEMas HíbrIDos DEENErgía

Dentro de los distintos tipos de sis-temas de energía eléctrica se inclu-yen los sistemas híbridos de energía,que son aquellos en los que existendiferentes tipos de fuentes de ener-gía como entrada, y un único tipo deenergía de salida, la energía eléctrica(Holland et al., 2002), (Gao et al., 2005),(Mierlo et al, 2005), (Furusawa et al.,2004) . Estos sistemas generalmenteestán formados por fuentes de ener-gía de diferente potencia y energíaespecífica. Por ejemplo, un sistemahíbrido puede estar compuesto poruna fuente con una gran densidadenergética y por otra de una elevadadensidad de potencia y respuesta di-námica (Catherino et al., 2006), (Jianget al., 2006), (Lajnef et al., 2007).

Los sistemas de energía eléctricaen los que intervienen fuentes reno-vables o limpias suelen estar forma-dos por un conjunto de distintas fuen-tes de energía eléctrica, tales comogeneradores fotovoltaicos, aeroge-neradores, pilas de combustible, etc.(Kaldellis et al., 2007). Por definiciónestos sistemas son sistemas híbridos

de energía. En los que la fuente pri-maria de energía es renovable, nor-malmente es necesaria la utilizaciónde otras fuentes auxiliares para com-plementar a la fuente primaria en losregímenes de trabajo en los que nopuede aportar energía. Esto últimopuede ser debido al comportamientoestocástico, por cuestiones de insufi-ciente energía o potencia específica.En estos sistemas híbridos se utilizansistemas de almacenamiento para me-jorar la respuesta ante esos problemasque caracterizan a las fuentes prima-rias, tales como estaciones de bombeo,baterías, supercondensadores, etc.

Una variación brusca en la poten-cia demandada puede significar unavariación en la tensión, lo que implicauna disminución de la calidad de laenergía eléctrica o en algunos casosel colapso del sistema.

Para evitar esto se puede realizarun sobredimensionamiento de la fuen-te primaria, para hacer frente a lasfluctuaciones de potencia. El sobre-dimensionamiento supone un enca-recimiento del sistema. Además, nor-malmente, una fuente de energía esdiseñada para que funcione en unrango de funcionamiento nominal pe-queño de máximo rendimiento, por loque, ante bruscas fluctuaciones depotencia, no es una solución adecua-da el sobredimensionamiento. Otraposibilidad para satisfacer una de-manda variable es utilizar sistemasde almacenamiento auxiliares con laadecuada respuesta dinámica.

Varios autores han propuesto ypresentado varios sistemas híbridosde energía en los que se utilizan di-versas fuentes de energía y sistemasde almacenamiento. También existenvarios trabajos en los que se muestrala utilización de supercondensadorescomo sistemas de almacenamientoen generación eólica, sistemas foto-voltaicos, gestión de la calidad de laenergía eléctrica, sistemas con pilasde combustible, sistemas de aire com-primido, en aplicaciones de automo-ción y tracción, y otros trabajos.

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Los sistemas de ener-gía eléctrica en los queintervienen fuentes re-

novables o limpias sue-len estar formados por

un conjunto de distintasfuentes de energía eléc-

trica, tales como gene-radores fotovoltaicos,

aerogeneradores, pilasde combustible, etc.

una variación bruscaen la potencia deman-dada puede significar

una variación en la ten-sión, lo que implica una

disminución de la cali-dad de la energía eléc-

trica o en algunos ca sosel colapso del sistema

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EL suPErcoNDENsaDor

Introducción

Los condensadores electroquími-cos de doble capa fueron desarrolla-dos y patentados por primera vez en1961 por SOHIO (Standard oil com-pany of Ohio). Los condensadoreselectroquímicos de doble capa sondenominados supercondensadores,ultracondensadores o condensado-res híbridos. Sus aplicaciones poten-ciales pueden ser fuentes de energíarenovable, dispositivos portátiles elec -trónicos, calidad de la energía eléctri -ca, generación distribuída, vehículoshíbridos de baja emisión, autobusesy camiones, etc.

Los supercondensadores son uti-lizados en aplicaciones en las que serequieren unas elevadas prestacio-nes en lo referente a la vida útil y los ci -clos de trabajo (Conway, 1999), (Kötzet al., 2002). Para este tipo de apli-caciones han sido diseñados los su-percondensadores como alternativaa las baterías.

Los supercondensadores son dis-positivos de almacenamiento ade-cuados para aplicaciones, en las quese requiera una elevada potencia yuna elevada variación de esta. Ge-neralmente cuando una batería no seutiliza, se produce una degradaciónde la misma; por el contrario, las pro-piedades de los supercondensado-res no sufren alteraciones cuando noson utilizados por largos periodos detiempo.

La principal desventaja de los su-percondensadores es su reducidaenergía específica (Wh/kg) compa-rado con las baterías, limitando suuso para determinadas aplicaciones(Conway, 1999).

Los condensadores almacenan laenergía por separación de la cargaeléctrica (Conway, 1999), (Kötz et al,2002), (Burke, 2001). Los condensa-dores convencionales almacenan laenergía en una capa delgada de ma-

terial dieléctrico, que está dispuestoentre unas placas metálicas que ac-túan como terminales del compo-nente. La energía almacenada en elcondensador se expresa en funciónde la tensión en los extremos de susterminales.

La máxima tensión en el conden-sador depende de la característicadel material dieléctrico.

El supercondensador es un com-ponente para el almacenamiento deenergía que tiene una estructura se-mejante a la de una batería. Tienedos electrodos que están inmersosen un electrólito con un separadorentre los electrodos.

Los electrodos son fabricados conuna elevada superficie de materialporoso con poros del orden de nanó-metros. La superficie de los electro-dos es mucho mayor que en el casode los electrodos de las bateríassiendo de 200 a 500 m2/g. La cargaeléctrica es almacenada en los mi-croporos o cerca del interfase entreel material sólido del electrodo y elelectrólito.

tipos de supercondensadores

Se puede diferenciar principal-mente entre tres tipos de supercon-densadores: de doble capa, conpseudo-capacidad e híbridos. A con-tinuación se hace una breve descrip-ción de los tres tipos.

Supercondensadores de doble capa

En los supercondensadores dedoble capa la energía se almacenaen forma de cargas separadas en elinterfase entre el electrólito y los mi-croporos de los electrodos. En la fi-gura 1 se puede ver un detalle. Losiones que conforman la doble capaen los poros se transfieren entre loselectrodos por difusión a través delelectrólito. La capacidad dependeprincipalmente de las característicasdel material del electrodo (superficie,tamaño de poro, distribución...).

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Los condensadoreselectroquímicos dedoble capa fuerondesarrollados y pa-tentados por primeravez en 1961 porsoHIo

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La tensión del supercondensadordepende del electrólito utilizado. Paraelectrólitos acuosos, la tensión es de1V y para electrólitos orgánicos, latensión es 3-3,5V.

Supercondensadores con pseudo-ca -

pacidad

Para un supercondensador de do -ble capa ideal, la carga es transferidaa la doble capa y no hay reacción en -tre el material sólido y el electrólito.En este caso, la capacidad es cons-tante e independiente de la tensión.Para supercondensadores con pseu -do-capacidad, la mayoría de la cargaes transferida a la superficie del ma-terial del electrodo sólido. En este ca -so, la interacción entre el electrólito yel material sólido implica una reac-ción de Faraday, la cual en la mayo-ría de los casos puede ser descritapor una reacción de transferencia decarga. La carga transferida en estasreacciones depende de la tensión re-sultante en la pseudo-capacidad, quetambién depende de la tensión.

Supercondensadores híbridos

Los supercondensadores puedenser fabricados combinando los elec-trodos, pudiendo ser uno de doble

capa y el otro con pseudo-capacidad.A estos supercondensadores se lesdenomina supercondensadores hí-bridos. La mayoría de estos super-condensadores son construídos conóxido de níquel como material de lapseudo-capacidad en el electrodo po- sitivo. La densidad específica de es -tos supercondensadores puede sersignificativamente más alta que losde doble capa. Los supercondensado -res híbridos se caracterizan por teneruna característica no lineal.

Descripción de los convertidoresde potencia

El sistema de almacenamiento quese propone en este artículo es el su-percondensador, y dado que la ener-gía se almacena en forma de tensióncontinua, es necesaria la utilizaciónde convertidores de potencia adecua -dos para adaptar los niveles energé-ticos del sistema al que se quierein tegrar. Las topologías de es tos con-vertidores están compuestas por com-ponentes electrónicos activos y pasi-vos. Los elementos activos son inte-rruptores formados por transistoresde potencia (BJT, MOSFET, IGBT...),y los elementos pasivos suelen serdiodos, bobinas, condensadores ytransformadores. Debido a que son

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Figura 1. Condensador electrolítico de doble capa

V

Colector

Colector

Separador

Electrodo

Electrodo

Electrólito

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utilizados para sistemas de almace-namiento, se deben de caracterizarpor permitir que los flujos de poten-cia sean bidireccionales, del sistemade energía eléctrica al sistema de al-macenamiento y viceversa.

Básicamente los convertidores depotencia son dispositivos capaces detransformar la energía eléctrica deunos niveles de tensión o corriente aotros, en función de la aplicación enla que se requieren.

Los convertidores son utilizadospara la integración de distintos tiposde fuentes de energía renovable conlos consumos, y además con ele-mentos intermedios (sistemas de al-macenamiento), dentro de los SEE.

Existen diversos tipos de converti-dores (Mohan et al., 2003), (Rashid,2004), (Martínez et al., 2006), (Hart,1997), en función de las característi-cas de las variables a convertir a laentrada y a la salida del convertidor:CC/CC convertidores de corrientecontinua a corriente continua, CC/CA

corriente continua a corriente alterna,convertidores inversores, CA/CA co-rriente alterna a corriente alterna,CA/CC corriente alterna a corrientecontinua, convertidores rectificadores.

Atendiendo a los flujos de poten-cia los convertidores se pueden cla-

sificar en unidireccionales y bidirec-cionales. Los convertidores unidirec-cionales son utilizados en los casosen los que una carga es alimentadapor una fuente de energía eléctrica,y los bidireccionales se utilizan paraaplicaciones en las que intervienensistemas de almacenamiento de ener-gía.

toPoLogía utILIZaDa

La topología utilizada para este ar-tículo es la de un convertidor elevadorbidireccional, no aislado y con unasola rama o fase, figura 2. Dada susimplicidad y su reducido número deelementos. Es una topología que seha utilizado en diversas aplicaciones.El sistema de almacenamiento (su-percondensador) se situará en el la -do de baja tensión, representado porel condensador Ci, y el lado de altatensión estará el bus de continua,condensador Co, que será el nexo deunión con el sistema de energía eléc-trica, representado por la intensidad Io.

MétoDo DE trabaJo

El método de trabajo establecidopara este artículo ha sido el si-guiente: se establece un modelo ma-temático del sistema, se analiza elcomportamiento del mismo con lasherramientas adecuadas, se esta-blece una técnica de control para el

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básicamente los con-vertidores de potenciason dispositivos capa-ces de transformar laenergía eléctrica deunos niveles de tensióno corriente a otros, enfunción de la aplicaciónen la que se requieren

Figura 2. Topología utilizada

Vci

RciiL

S1RL

S2

Rco

Vco

L

CiCo

Io

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sistema y, finalmente, se realiza unprototipo de laboratorio para obtenerresultados prácticos.

Modelo, análisis y control

Se ha establecido un modelo ma-temático en variables de estado. Ob-servándose a partir de este un com-portamiento no lineal del mismo, porlo que se ha desarrollado un análisisdel comportamiento del sistema en elespacio de estado. Esta herramienta

de análisis es usualmente utilizadaen los casos de sistemas no linealesde órdenes inferiores, como lo es elconvertidor de potencia propuesto eneste artículo.

Prototipo

En líneas generales, el prototipoestá formado por los siguientes ele-mentos: circuito de potencia, senso-res, circuitos de adaptación y sistemade control.

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Figura 3. Interruptores de potencia

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El circuito de potencia está com-puesto por: los interruptores de po-tencia (figura 3), los elementos pasi-vos, el módulo del supercondensador(figura 4 ) y el circuito para producir laperturbación.

La tarea de los sensores (figura 5)consiste en tomar los valores de ten-sión y corriente en el circuito de po-tencia, y transformarlos en señalesaptas para ser convertidas por el sis-tema de control.

Los circuitos de adaptación son losencargados de transformar el nivelde tensión de las señales de controlque proporciona el controlador de se-ñales digitales en un nivel apto paraaccionar los interruptores de poten-cia.

El sistema de control está com-puesto por un controlador de señalesdigitales (figura 6) y por el programade control. El controlador de señalesdigitales actúa como el director y co-

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Figura 5. Sensores de tensión e intensidad

Figura 4. Módulo de supercondensadores

Los circuitos de adap-tación son los encar-gados de transformarel nivel de tensión delas señales de controlque proporciona elcontrolador de seña-les digitales en unnivel apto para accio-nar los interruptoresde potencia

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ordinador de todos los circuitos inte-grantes del convertidor. Es el en car-gado de leer los datos, realizar loscálculos, enviar la salida al sistema ycomprobar que todo se desarrolla den -tro de los cauces previstos.

rEsuLtaDos

A partir del prototipo expuesto sehan realizado distintos tipos de en-sayos, de los que se muestran dosen este artículo. El primero de ellos

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Figura 6. Sistema de control

Figura 7. Tensión de salida vco y estado de carga del supercondensador

20

15

10

5

00 50 100 150 200 250 300 350

vci

Tiempo (s)

vci,

vco

(V)

vco

400 450 500

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se puede observar en la figura 7, enel que se aprecia el comportamientodel sistema ante una carga de 0,5amperios. Se puede ver cómo la ten-sión de salida vco se mantiene cons-tante durante la ejecución del ensayo(500 s), tal y como debe de ser paramantener la estabilidad del sistema,y la tensión del supercondensadoraumenta. En la figura 8 se muestraun ensayo semejante, pero en estecaso de descarga con un cuarto de am-perio durante un intervalo de tiempode 1000 segundos. Manteniéndoseen este ensayo también la tensión desalida constante vco, y la tensión delsupercondensador disminuye.

coNcLusIoNEs

En este artículo se ha mostrado latécnica de elaboración de una estrate -gia de control para un sistema de al-macenamiento en Sistemas de Ener-gía Eléctricos con Fuentes de Ener-gía Renovable. Se han expuesto losresultados del comportamiento de latécnica de control, a partir de un pro-totipo de laboratorio. Indicando estosresultados un buen comportamientodel sistema ante los ensayos plantea -dos.

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Figura 8. Tensión de salida vco y estado de descarga del supercondensador

vci

vco

20

15

10

5

01000 200 300 400 500 600 700

Tiempo (s)

vci,

vco

(V)

800 900 1000

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aLEJaNDro raMos MartíNIngeniero Industrial, Profesor Ayu- dante Doctor adscrito al Área deMáquinas y Motores Térmicos delDepartamento de Ingeniería de Pro-cesos de la ULPGC. Email: [email protected]

IgNacIo DE La NuEZ PEstaNaIngeniero Industrial, Titular de Uni-versidad adscrito al Área de Siste-mas y Automática del Departa-mento de Ingeniería Electrónica yAutomática de la ULPGC. Email: [email protected]

a r t í c u L o s a r t í c u L o s a r t í c u L o s a r t í c u L o s a r t í c u L o s a r t í c u L

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