“DISEÑO DEL CONTROL Y SIMULACIÓN DE UN

SISTEMA DE GENERACIÓN ELÉCTRICA BASADO

EN MÓDULOS FOTOVOLTAICOS, UN INVERSOR

MONOFÁSICO CONECTADO A LA RED Y

BATERIAS COMO UNIDAD DE ALMACENAMIENTO”

INTEGRANTES:

RONALD CARCHI PARRAMANUEL ROMERO CORREA

CONTENIDO Planteamiento del Problema

Propuesta de Solución

Descripción del Sistema de Generación

Dimensionamiento y Modelamiento

Diseño del Control

Funcionamiento

Conclusiones y Recomendaciones

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Crisis Energética y Medioambiental

• Disminución del suministro mundial de petróleo.

• Demanda energética crece rápidamente.

• Calentamiento global a causa del abuso de los combustibles fósiles.

• Necesidad de fuentes de energía alternativa.

Mil

es d

e B

arri

les/

Día

PROPUESTA DE SOLUCIÓN

Energía Solar Fotovoltaica

• Energía considerada como renovable y limpia.

• Aumento de la producción de energía eléctrica basada en energía fotovoltaica en los últimos años.

• Aprovecha la radiación del sol, para convertirla en energía eléctrica.

Sistema de Generación Eléctrica Basado en Energía Fotovoltaica

• Tratamiento de la energía eléctrica, mediante convertidores de tensión.

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE GENERACIÓN

Características Generales

• Sistema Monofásico para conexión de 120 Vrms. Modificable a 240 Vrms

• Conexión a la red eléctrica pública

• Almacenamiento de energía por medio de baterías

• Potencia Nominal 10 Kw aproximadamente

Etapas del Sistema

Etapa de Fuerza

Etapa de Control

Control de Voltaje de los Módulos FV

Control de Voltaje del Enlace DC

Control de Corriente de Carga/Descarga de Baterías

Convertidor DC-DC tipo boost aislado

Convertidor DC-AC (Inversor)

Convertidor DC-DC (Almacenamiento)

Módulos Fotovoltaicos

• Dispositivos que captan la energía del sol y la transforman en energía eléctrica.

Convertidor DC – DC (Aislado)

• Eleva el voltaje de entrada de 150 Vdc a 200 Vdc.

• Provee aislamiento al sistema.

>=

>=

D

G1

G2

𝑽𝑫𝑪=𝒏

𝟏−𝑫×𝑽𝒊

0

0.5

1

0 1 2 3 4 5 6

x 10-4

0

0.5

1

Time (sec)

Moduladora Portadora1

Pulsos 1 (G1)

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

50

100

150

200

250

Tiempo (s)

Volta

je (V

)g

m

12

gm

12

gm

12

gm

12

h1

h2

x1

x2

1:n

G1

G1G2

G2

Vi VDC

Convertidor DC – AC

• Recibe voltaje DC (200 Vdc) y entrega un voltaje AC sinusoidal (120 Vrms)

• Sincronismo con la red

>=

>=

NOT

NOT

-1

ma Ga_Hi

Ga_Lo

Gb_Hi

Gb_Lo

-1

0

1

0

0.5

1PULSOS Ga Hi

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.0160

0.5

1

Time (sec)

PULSOS Ga Lo

PORTADORAMODULADORA A

_

_

 

Ga_Hi

Ga_Lo

Gb_Hi

Gb_Lo

VDCVAC

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03

-200

-100

0

100

200

Tiempo (s)

Volta

je (V

)V prom

V inst

VDC

Convertidor DC – DC (Almac.)

• Permite un flujo bidireccional de corriente, entre la bateria y el enlace DC.

V_bat

VDC

 

>=

NOT

DG1

G2

0

0.5

1

0 1 2 3

x 10-4

0

0.5

1

Tiempo (s)

ILVDC)

-40

-20

0

20

40

60

80

Corrie

nte (A

)

Planta Real

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5-40

-20

0

20

40

60

80

Tiempo (s)

Corrie

nte (A

)

Planta Modelada

IL

DIMENSIONAMIENTO DE ELEMENTOS Y

MODELAMIENTO DE PLANTAS

Criterios Utilizados

Dimensionamiento de los Elementos

Inductancias

Capacitancias

Rizado ≤ 10% de I. Nom.

Rizado ≤ 1% de V. Nom.

Modelamiento de las Plantas

Modelos Promedio.

Dominio de la Frecuencia. (Laplace)

Convertidor DC-DC (Aislado)

0.1633 0.1634 0.1635 0.1636 0.1637

66

67

68

69

70

71

Corriente del Inductor

Tiempo (s)

Cor

rient

e (A

)

0.9992 0.9992 0.9993 0.9993

151

151.1

151.2

151.3

Tiempo (s)

Vol

taje

(v)

Voltaje del Capacitor

1 mH

100 uF

Inductancia

Capacitancia

𝑽𝒊𝑫

= −𝑽𝑫𝑪×𝑾𝒏𝟐

𝒏(𝒔𝟐+𝟏𝝉𝒔+𝑾𝒏𝟐)

h1

h2

x1

x2

  VC VinVDC

  

VRL VL

+

+

-

- + -

+

+

-n = 1

IL

   

 

Vi

   

+

-

-

𝑉𝑖=1𝐶∫𝑖 (𝑡 ) 𝛿𝑡 𝑉𝑖𝑛+𝑉𝑅𝐿+𝑉𝐿−𝑉𝐶=0

𝑊𝑛=1

√𝐿×𝐶

Convertidor DC-AC

0.0182 0.0182 0.0183 0.0183 0.0183

110

112

114

116

118

Tiempo (s)

Corri

ente

(A)

0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06199.5

200

200.5

Tiempo (s)

Vol

taje

(V)

VDC

+

-

 

IL

Vgrid

+Vconv

-+

-

150 uH

12 mF

Inductancia

Capacitancia

𝑉𝐿 (𝑡 )=𝑉𝑐𝑜𝑛𝑣−𝑉𝑔𝑟𝑖𝑑

𝑰𝑳 (𝒔 )𝒎𝒂(𝒔)

=𝑽𝒅𝒄𝑳𝒔

𝑑𝐸(𝑡 )=∫𝑃𝑖 𝐷𝐶−𝑃𝑜 𝐴𝐶𝑬 (𝒔 )𝑰𝑳(𝒔)

=−𝑽𝒄𝒐𝒏𝒗 .𝒑𝒌𝟐 𝒔

Convertidor DC-DC (Almac.)

+

_ 

 

 

+

- Vi

 

IL

Vout

+

-

VDC

+

-

0.0489 0.049 0.049 0.0491 0.0491

76

78

80

82

84

Tiempo (s)

Corri

ente

(A)

600 uH

Inductancia

𝑉𝑖−𝑉𝑜𝑢𝑡−𝑉𝑅𝐿=𝑉𝐿

𝑰𝑳(𝒔)𝒅 (𝒔)

=−𝑽𝑫𝑪𝑳

𝒔+𝟏𝝉

𝜏=𝐿𝑅𝐿

Voltaje Batería: 120 V

DISEÑO DEL CONTROL

Herramienta usada para la obtención de los controladores

• Algoritmo k-Factor.

• Desarrolla 3 tipos de controladores, en base al margen de fase y ancho de banda deseado.

TIPO 1 TIPO 2 TIPO 3

Control del Voltaje de los Módulos FV

• Se desea obtener la máxima potencia de los módulos FV.

• Variable de control D (ciclo de trabajo)

1

d_Boost

Gc_Boost

2

Vi

1

Vi_refe(V)

Controlador

Ancho de Banda: 1800 Hz (11300 rad/s)

Margen de Fase: 60 o𝐺𝑐=

−90164.9728(𝑠+1506)2

s(s+8.492e 004)2

-100

-50

0

50

100

Magnitude (

dB

)

101

102

103

104

105

106

-240

-180

-120

-60

0

Phase (

deg)

Bode Diagram

Frequency (rad/sec)

Control del Voltaje de Enlace DC

• Control en cascada donde el lazo más rápido va a ser un lazo que controle la corriente que se inyecte a la red y el lazo mas lento será el que controle el voltaje del capacitor de enlace DC.

• Del voltaje de enlace depende el voltaje de salida del inversor y la corriente de carga y descarga de las baterías.

1

mGcv

Voltage Controller

Vgrid Sin

PLL

u2

u2

[Sin]

-K-

-K-

[Sin]

Gci

Current Controller

4

Vdc

3

Vgrid

2

IL

1

Vdc_refe(J)E_ref

E

IL_pk_ref

-100

-50

0

50

100

150

Ma

gn

itu

d (

dB

)

101

102

103

104

105

106

-180

-150

-120

-90

Fa

se

(d

eg

)

Frequencia (rad/sec)

Controlador de CorrienteAncho de Banda: 1000 Hz (6300 rad/s)

Margen de Fase: 60 o𝐺𝑐𝑖=

110,5016(𝑠+1684)𝑠(𝑠+2.345𝑒004 )

-100

-50

0

50

100

Ma

gn

itu

d (

dB

)

100

101

102

103

104

-180

-150

-120

Fa

se

(d

eg

)

Frequencia (rad/sec)

Controlador de Voltaje

Ancho de Banda: 12 Hz (75 rad/s)

Margen de Fase: 60 o𝐺𝑐𝑣=−

−249.6036 (𝑠+20.2)𝑠(𝑠+281.4)

Control de Corriente de la Batería

• Para permitir la carga y descarga de la batería

1

d_bat

Gc_bat

2

IL_bat

1

IL_ref

• Variable de control D (ciclo de trabajo)

V_bat

Descarga

Carga

• En la noche se usa el almacenamiento

-100

-50

0

50

100

Ma

gn

itu

d (

dB

)

101

102

103

104

105

106

-180

-135

-90

Fa

se

(d

eg

)

Frecuencia (rad/sec)

Controlador

Ancho de Banda: 1000 Hz (6300 rad/s)

Margen de Fase: 60 o𝐺𝑐=

−209.9073(𝑠+1773)𝑠 (𝑠+2.226𝑒004 )

FUNCIONAMIENTO

Inicialización del Sistema

1. Estabilización del Voltaje de Enlace DC sin flujo de potencia (Voltaje de circuito abierto en módulos FV)

2. Cambio progresivo de voltaje de circuito abierto a voltaje de máxima potencia.

3. Flujo de Potencia constante

150

165

180V

oltaje

(V

)

V Panel

0

25

50

Corr

iente

(A

) I Panel

199

200

201

Voltaje

(V

)

VDC

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9-100

0

100

Tiempo (s)

Corr

iente

(A

) I Red

Aumento y Disminución de la Intensidad Luminosa

10

20

30

40C

orr

iente

(A

)I Panel

199

200

201

202

Voltaje

(V

) VDC

140

150

160

Voltaje

(V

) V panel

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3-100

-50

0

50

100

Tiempo (s)

Corr

iente

(A

)

I red

Vdc ref Vdc

Vi Vi ref

Uso del Almacenamiento de Energía

0

10

20

30

Corr

iente

(A

)

I Panel

-30

-20

-10

0

Corr

iente

(A

)

I Bateria

199

200

201

Voltaje

(V

) VDC

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3-50

0

50

Tiempo (s)

Corr

iente

(A

)

I Red

Vdc Vdc ref

Carga de la Batería

0

10

20

30

Corr

iente

(A

)I Panel

199

200

201

202

Voltaje

(V

) VDC

0

10

20

30

Corr

iente

(A

)

I Bateria

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3-100

-50

0

50

100

Tiempo (s)

Corr

iente

(A

)

I Red

Vdc ref Vdc

Descarga de la Batería

CONCLUSIONES

• El rizado del voltaje de los capacitores, como el rizado de la corriente que circula por los inductores, se encuentran dentro de los rangos máximos permitidos.

• La corriente que se inyecta a la red toma menos tiempo en ser estabilizada con respecto al voltaje de enlace.

• El sistema tiene la capacidad de brindar la potencia máxima, sin encontrarse necesariamente los módulos FV brindando su potencia máxima.

• La inicialización del sistema que se propuso no presentó inconvenientes, ya que todas las variables a controlar se estabilizaron en menos de 0,8 segundos.

RECOMENDACIONES

• Realizar estudios tales como factibilidad, sostenibilidad e impacto ambiental de este tipo de sistemas en nuestro medio, para determinar si el tema planteado es aplicable o si necesita modificación.

• Seleccionar los fusibles para la protección del sistema de forma adecuada, tomando en cuenta la presencia de inductores.

• Tener presente todos los parámetros de la norma IEEE 1547 para la conexión con la red.

• Asegurarse que no se ha sobredimensionado los elementos constitutivos del sistema, ya que este hecho haría que el sistema se encarezca.

• La empresa eléctrica provee dos fases de 120 Vrms. El sistema diseñado tiene una salida de voltaje de 120 Vrms, al ser instalado, causaría un desbalance de las fases. Por este motivo se podría duplicar el voltaje de salida del sistema a 240 Vrms con lo cual no existiría ningún inconveniente.