Ingeniero El ectrico

Diseno de banco de prueba modular con generacion electrica hıbrida(paneles/almacenamiento)

Proyecto de fin de carrera para obtener el titulo de:

Ingeniero Electrico

por

Felipe Noguera Pardo

Asesor: Prof. Michael Bressan

Tesis presentada el 9 Noviembre, 2019 a:

LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDESFACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA

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Comite de Evaluacion:

- Asesor: Michael Bressan, Profesor Invitado, Universidad de los Andes

- Jurado: Gustavo Ramos Lopez, Profesor Asociado, Universidad de los Andes

Contenido

1 Introduccion 2

2 Objetivos 32.1 Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2 Objetivos Especıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

3 Marco Teorico 43.1 Microrred . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.2 Generacion Fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.3 Baterıas Ion-Litio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.4 Convertidores de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3.4.1 Convertidor Buck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.4.2 Convertidor Boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

4 Restricciones y Limitaciones 9

5 Modelado Generacion y Almacenamiento 105.1 Panel Fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105.2 Celdas NCR18650B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

6 Dimensionamiento Convertidores 156.1 Convertidor Boost Almacenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156.2 Convertidor Buck generacion fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176.3 Convertidor Buck Carga 5V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

7 Diseno PCB 217.1 Rama Almacenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217.2 Rama Generacion Fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

8 Conclusiones 24

Referencias 24

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Lista de Figuras

3.1 PN-Junt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.2 JS150 - Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.3 Potencia de Salida Panel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.4 Estructura celda Ion-Litio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.5 Baterıas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.6 Esquema Circuital Buck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.7 Esquema Circuital Boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

4.1 Caso de estudio Microrred . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

5.1 Curvas I-V para diferentes irradiaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105.2 Descarga Baterıas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115.3 Modelo Descarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115.4 Voltaje Descarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125.5 Corriente Descarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125.6 Voltaje de Carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135.7 Modelo Baterıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135.8 Ciclo de Descarga y Carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

6.1 Rama Almacenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156.2 Circuito Boost en Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166.3 Voltaje Boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166.4 Rama Generacion Fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176.5 Rama Fotovoltaica Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186.6 Simulacion Buck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186.7 Rama Carga 5V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186.8 Rama Carga 5V Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196.9 Voltaje Buck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

7.1 Modelo Electrico Boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227.2 Circuito impreso y prototipo del convertidor Boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227.3 Modelo Electrico Buck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237.4 Circuito impreso y prototipo del convertidor Buck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

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1. IntroduccionEn las ultimas 3 decadas la demanda energetica ha aumentado considerablemente, sin embargo, laarquitectura clasica del sistema electrico se ha quedado corta en suministrar el recurso energetico enzonas lejanas a los puntos de generacion. Las microrredes y las redes inteligentes han sido implemen-tadas para solucionar el deficit de energıa en estas zonas. El uso de estas nuevas tecnologıas traennuevos retos y desafıos para el sistema electrico. La generacion distribuida y renovable exige un cam-bio a la arquitectura de la red, mutando de flujos direccionales a bidireccionales y de una generacionestable a una intermitente.

En Colombia, la introduccion de las microrredes se dio entre el 2006 y el 2013 con el proyecto SIL-ICE, en el cual participo CODENSA junto a las universidades mas reconocidas del paıs. El objetivoera determinar los requisitos y elaborar el diseno de una microrrred ubicada en la ciudad de Bogota,integrando fuentes renovables y movilidad electrica.

Para el estudio de estos nuevos sistemas es importante entender el comportamiento de cada uno de loscomponentes que lo integran. En este documento se llevara a cabo el dimensionamiento y el modeladode los elementos esenciales que permiten la operacion de una microrred.

Las fuentes renovables dependen del ambiente y del medio en el cual se encuentran ubicados, poreste motivo, cambios inesperados en la generacion son frecuentes. Una de las soluciones, es el uso detecnologıas de almacenamiento. Estas acumulan la energıa sobrante en temporada de alta generacione inyectan cuando no se tenga el recurso suficiente para satisfacer la demanda. Por otro lado el usode electronica de potencia es fundamental, la aplicacion de convertidores permite un flujo de energıaa distintas magnitudes de tension a un bajo costo y una alta eficiencia.

Este documento esta organizado de la siguiente manera: Tras un resumen de los conceptos basicos enel capitulo 3, se establecen las limitaciones y las restricciones que se tendran en cuenta en el transcursodel proyecto. En el capitulo 5 se realiza el modelado y la caracterizacion de los diferentes tipos degeneracion que contiene el caso de estudio. En el capitulo 6 se muestra el proceso dimensionado delos convertidores y se da un ejemplo de su funcionamiento. En el capitulo 7 se reunen todos los datoscalculados, se establecen los componentes faltantes y se realiza el diseno del circuito impreso. En elcapitulo 8 se concluye sobre el trabajo realizado y por ultimo se muestran las referencias utilizadasdurante el desarrollo del proyecto.

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2.Objetivos

2.1 Objetivo General

• Por medio del diseno e implementacion de un banco de pruebas modular de generacion electrica,se busca mejorar la caracterizacion de las tecnologıas de almacenamiento.

2.2 Objetivos Especıficos

• Revision general de los conceptos de sistemas de generacion renovable y de almacenamiento,considerando metodos de implementacion y de caracterizacion.

• Dimensionar y disenar la arquitectura electrica de un banco de prueba modular. Definir loscomponentes adecuados para la medicion y control de los convertidores.

• Realizar un analisis en simulacion con el software Matlab, determinando su comportamiento yverificando los resultados.

• Realizacion del prototipo, realizar pruebas experimentales para identificar su desempeno, fallasy posibles mejoras a realizar en el mismo.

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3.Marco TeoricoEn esta seccion, se realizara una breve descripcion de los conceptos teoricos que se utilizaran en eltranscurso del documento. Se da una definicion de microrred, seguido por el comportamiento dela generacion fotovoltaica y de almacenamiento. Finalmente, se describe el funcionamiento de losconvertidores que se utilizan en el caso de estudio.

3.1 Microrred

En el libro titulado ”Microgrids: Architectures and Control” de Nikos Hatziargyriou, se define unamicrorred como: un sistema de distribucion de baja tension que cuenta con generacion distribuida,dispositivos de almacenamiento y cargas flexibles. El cual puede operar de forma no autonoma, alestar interconectada con una red mas grande o de forma autonoma, en modo aislado. Si la coordi-nacion y gestion de los micro-generadores son los adecuados, pueden traer grandes beneficios para lared electrica. [7]

De la definicion anterior se pueden resaltar y profundizar tres aspectos importantes. La primera, es lapresencia de generacion distribuida y de almacenamiento. Esto indica que donde antes se encontrabancargas, ahora se encuentran pequenas fuentes de generacion que inyectan a la red electrica. Por lo tanto,la red pasa de ser unidireccional a ser bidireccional. El segundo punto importante, es la operacionaislada y autonoma de la microrred. De lo que se concluye, que esta debe de satisfacer la demandacon la generacion presente en el lugar. Debe poseer con un control propio que asegure la calidad dela energıa entregada y la salud de los componentes de la microrred. Finalmente, el tercer punto aanalizar es la gestion de la energıa, que por medio de un control adecuado debe garantizar que lapotencia generada sea suficiente (ni mas ni menos) para satisfacer la demanda. Lo anterior de la formamas eficiente y economica.

3.2 Generacion Fotovoltaica

El efecto fotovoltaico es la conversion de la luz en electricidad. El material mas utilizado en las celdasfotovoltaicas es el silicio. El silicio se dopa negativamente con fosforo, el cual cuenta con 5 electronesde valencia. Esto permite poseer electrones libres que facilitan el flujo de corriente. Por otro lado, elsilicio tambien se dopa con Boro el cual cuenta con 3 electrones de valencia. Esto permite para tenerhuecos disponibles dispuestos a recibir un electron libre. Uniendo las dos secciones de silicio dopado(Una positivamente y otra de forma negativa) se crea una union PN, en esta union se crea un campomagnetico por el paso de la seccion con fosforo a leccion del boro como se muestra en la siguiente figura.

Figura 3.1: PN-Junt

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CAPITULO 3. MARCO TEORICO 5

Cuando un foton energizado llega a la zona dopada negativamente se libera un electron, debido a laparecencia del campo magnetico entre los dos dopajes su unico trayecto sera por medio de un conectorexterno. [9]

Figura 3.2: JS150 - Matlab

En este proyecto se utilizara un panel JS150 modelo Yingli con una potencia de 150W. El panelmostrado en la figura 3.2 esta elaborado con silicio poli-cristalino posee una eficiencia del 15%, manejaun nivel de tension cerca a los 19V. Las caracterısticas electricas se observan en la tabla 3.1.

Tabla 3.1: Caracterısticas Electricas Panel JS-150

Modulo JS 150Tipo de Modulo YLxxxP-17bPotencia de Salida Pmax W 150Tolerancia Potencia de Salida ∆Pmax W +/- 5Eficiencia Modulo ηm % 15Tension Pmax Vmppt V 18.5Corriente Pmax Imppt A 8.12Tension en Circuito Abierto VOC V 22.9Corriente en Corto Circuito ISC A 8.61

El comportamiento del panel esta dado por la radiacion solar que le llega a este. La potencia del panelse muestra en la siguiente figura:

Figura 3.3: Potencia de Salida Panel

3.3 Baterıas Ion-Litio

El anodo de las celdas de litio esta compuesto de carbono, esto le permite recibir los electrones delcatodo, el cual esta elaborado con litio. La estructura de la baterıa se muestra en la siguiente figura:


Figura 3.4: Estructura celda Ion-Litio

Cuando la baterıa se carga, la energıa recibida libera los iones de litio, estos se mueven a traves delelectrolıtico hasta llenar al anodo de carbono. En el proceso de descarga los iones se separan delcarbono en el anodo y debido a la oxidacion en el electrodo negativo de LiCoO2 son atraıdos haciacatodo. [8]

El uso de las celdas de Ion-Litio es ampliamente utilizado debido a su alta densidad de energıavolumetrica y su capacidad especifica. En la siguiente figura se compara diferentes tecnologıas debaterıas:

Figura 3.5: Baterıas

3.4 Convertidores de Potencia

Los convertidores electricos de potencia pertenecen a la rama de electronica de potencia. Estan com-puestos por elementos pasivos como lo son resistencias inductancias y capacitancias, y por elementosactivos como transistores y diodos. Su funcionamiento, esta dado por la conmutacion del elemento ac-tivo, este normalmente esta enlazado a una senal PWM y gobernado por el ciclo de trabajo del sistema.

Segun su configuracion, los convertidores son capaces de transformar el flujo de potencia, manteniendouna alta eficiencia, seguridad y de forma economica. Diferentes tipos de convertidores se encuentran


en el mercado y la academia, las configuraciones van desde unidireccionales a bidireccionales. Sinembargo, en este documento solo se resaltaran y se utilizaran dos tipos los cuales se describen en [2] yque se muestran a continuacion:

3.4.1 Convertidor Buck

Los convertidores buck son un tipo de topologıa cuya tension de salida es siempre inferior a la deentrada. El esquema electrico que se utilizara en el transcurso del documento se muestra en la figuramostrada a continuacion:

Figura 3.6: Esquema Circuital Buck

Su funcionamiento esta dado por la conmutacion del interruptor y su relacion de entrada y salida estadada por el voltaje medio:

Vout = V alorMedio(Vout(t)) =1

T

∫ t

0

Vin dt =t

TVin (3.1)

Donde tT se toma como el ciclo de trabajo D0 y se obtiene lo siguiente:

Vout0 = D0 ∗ Vin0(3.2)

3.4.2 Convertidor Boost

Los convertidores Boost son una topologıa que permite elevar la tension de salida en comparacion conla de entrada. El esquema electrico se muestra a continuacion:

Figura 3.7: Esquema Circuital Boost

Su funcionamiento es el siguiente: Cuando el interruptor se cierra durante un tiempo t1, la inductanciaempieza a almacenar energıa por lo que la medida de la intensidad aumenta. La relacion entre la tensionde entrada, la inductancia y la intensidad se muestra a continuacion:

Vin = L∆I

t1(3.3)

Si despues del intervalo t1 el interruptor se abre durante un tiempo t2, la intensidad almacenada enla inductancia se transfiere a la carga a traves del diodo. Si los ciclos t1 y t2 se repiten sucesivamente,es posible obtener una tension media en la carga superior a la tension de entrada.

Vout = Vin + L∆I

t2= Vin

(1 +

t1t2

)(3.4)


Agregando a la expresion anterior el ciclo de trabajo se obtiene:

Vout0 =1

1 −D0∗ Vin0

(3.5)

4.Restricciones y LimitacionesEl caso de estudio que se utilizara en el transcurso de este documento esta dado por la figura 4.1. Lamicrorred mostrada cuenta con un panel fotovoltaico de 150W con un voltaje nominal de 24V. Esteesta conectado a un convertidor reductor buck el cual le permite conectarse al bus de 12V. El sistemaposee dos celdas de Ion-Litio NCR18650B que en conjunto suman una potencia maxima de 54.6W yun voltaje nominal de 7.4V. Estas se conectan a un convertidor Boost que eleva el voltaje a 12V. Enel lado derecho de la microrred se encuentran dos cargas, una conectada directamente al bus de 12Vy otra de 5V conectada por medio de un convertidor reductor Buck.

Cada ramal cuenta con una senal PWM con el cual se ejerce el control a cada convertidor. Por ultimo,el sistema cuenta con un supervisor con conexion a cualquier tarjeta de adquisicion de datos.

Figura 4.1: Caso de estudio Microrred

Debido a la complejidad y la limitacion temporal del proyecto, no se analizara los componentes ACdel sistema. La senal del bus debe de permanecer 12V y su corriente puede oscilar libremente. Loscontroladores que se aplican a los convertidores son medidos y calculados en un documento previo.

9

5.Modelado Generacion y AlmacenamientoEn esta seccion se llevara a cabo el modelado de las fuentes de generacion pertenecientes al caso deestudio. En el caso de las baterıas de litio se compara el resultado obtenido con mediciones tomadaspor medio de la herramienta LabView. En el caso de los paneles solo se comprobara su resultado pormedio de simulacion a traves de Matlab.

5.1 Panel Fotovoltaico

La mayorıa de los modelos en la literatura no tienen en cuenta el efecto de la parte inversa de [11]. Elmodelo preciso fue desarrollado por Bishop [12] el cual integra el efecto de avalancha como un factormultiplicador no lineal, afectando la corriente de la resistencia paralelo:

I = Iph − Io

[e

Vc+IRsVt − 1

]− Vc + IRs

Rsh

[1 + k

(1 − Vc + IRs

Vbr

)−n]

(5.1)

donde Iph es la foto-corriente (A), Io es la corriente de saturacion inversa (A), Rs es la resistenciaserie (Ω), Rsh es la resistencia paralelo (Ω), Vbr es el voltaje de ruptura (V ), k y n son constantes. Lafoto-corriente Iph es la corriente electrica a traves de una celda en funcion de la irradiacion que recibela celda fotovoltaica y su temperatura, como se muestra en la siguiente ecuacion: Eq.(5.2).

Iph = IphSTC

G

GSTC(1 + αI(Tc − TcSTC

)) (5.2)

Donde IphSTCes la foto-corriente en corto circuito en las condiciones de funcionamiento estandares

(CFE), G es la radiacion global que recibe la celda fotovoltaica, GSTC es la irradiacion en CFE(1000W/m2), αI es el coeficiente de temperatura dado por el fabricante del panel (%/), Tc es latemperatura de la celda (°C), Tc,STC es la temperatura en CFE (25).

Figura 5.1: Curvas I-V para diferentes irradiaciones

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CAPITULO 5. MODELADO GENERACION Y ALMACENAMIENTO 11

5.2 Celdas NCR18650B

El comportamiento de las celdas se analiza en 2 diferentes etapas la primera en modo descarga y lasegunda en modo carga. El comportamiento de descarga se muestra en la figura 5.2 la cual fue tomadade [1]

Figura 5.2: Descarga Baterıas

La parte inicial de la curva describe el comportamiento exponencial de la baterıa, inicia en el voltajemaximo y termina en el voltaje exponencial. La fase nominal esta descrita entre el voltaje exponencialhasta el nominal. El comportamiento de la baterıa esta dado por la ecuacion mostrada a continuacion:

Vbatt = Eo −R ∗ i−KQ

Q− itit −K

Q

Q− iti+A ∗ e−B∗it (5.3)

En donde E0 representa el voltaje maximo, K es la constante de polarizacion y Q como la capacidadde las baterıas. La zona exponencial esta descrita por: A como la amplitud de la zona exponencial yB como la inversa de la constante de tiempo exponencial. En cuanto a la parte nominal, se tiene Rcomo la resistencia interna, i como la corriente, it es la carga actual y i como la corriente filtrada depolarizacion.

Figura 5.3: Modelo Descarga


El modelo anteriormente mostrado en la figura 5.3 se simula en la herramienta computacional Matlab.Los parametros utilizados fueron tomados del ”Data sheet” de las celdas de litio NCR18650B dePannasonic.

E0 = 4.2V

K = 0.02217

Q = 3.35Ah

A = 0.3592

B = 1.259

R = 0.081Ω

(5.4)

Para poder comprobar el modelo, se realiza el montaje fısico de las baterıas y se toman los datos decorriente y voltaje de descarga por medio de un MyDAQ y Labview. Los resultados de la toma dedatos y del modelo se muestran en las figuras 5.4 y 5.5. El error del modelo se encuentra por debajodel 8%.

Figura 5.4: Voltaje Descarga

Figura 5.5: Corriente Descarga


El modelo de carga esta dado por la ecuacion mostrada en 5.5

Vbatt = Eo −R ∗ i−KQ

it − 0.1Qi−K

Q

Q− itit +A ∗ e−B∗it (5.5)

Del mismo modo se utiliza el montaje mostrado en 5.3 y se realiza la simulacion. Se inyecta a la baterıadescargada una corriente contante de 1.2A en el minuto 6 y se tiene el siguiente resultado:

Figura 5.6: Voltaje de Carga

Tras comprobar el comportamiento de la baterıa en modo carga y descarga, el modelo final se muestraa continuacion:

Figura 5.7: Modelo Baterıa

Para finalizar la caracterizacion de la baterıa se corre un ciclo completo de descarga y carga, losresultados se muestran en la siguiente figura:


Figura 5.8: Ciclo de Descarga y Carga

6.Dimensionamiento ConvertidoresEn esta seccion se plantea el dimensionamiento de los convertidores de cada uno de los ramales.Tras tener los valores de los componentes, se realizara una simulacion con ayuda de la herramientacomputacional Matlab y Simulink. Finalmente, se muestran y se analizan los resultados obtenidos.Para el desarrollo de esta seccion, se seguira el libro ”Power Electronics: Converters, Applications andDesign” de Ned Mohan [13]

6.1 Convertidor Boost Almacenamiento

Figura 6.1: Rama Almacenamiento

Para realizar el dimensionamiento del convertidor elevador boost, es necesario encontrar la relacionentrada-salida. El voltaje maximo de las celdas de almacenamiento es de 8.4V y el deseado en la salidadel convertidor es de 12V. Con la ecuacion 3.5 se calcula el ciclo de trabajo del convertidor:

12 =1

1 −D08.4

D0 = 1 − 8.4

12= 0.3

(6.1)

Para obtener el valor de la inductancia del sistema se debe de conocer la variacion de corriente quepasara a traves de esta. La corriente maxima de entrada al sistema es de 1.2A y la frecuencia deconmutacion del transistor es 100kHz.

∆I = 0.3 ∗ I0 = 0.3 ∗ 1.2 ∗ (1 − 0.3) = 0.252A (6.2)

La inductancia y capacitancia de entrada se calculan con los datos dados anteriormente y el ∆Iencontrada en 6.2.

L =V0(1 −D0)D0

f ∗ ∆I=

12(1 − 0.3)0.3

100000 ∗ 0.252= 100µH (6.3)

Con la misma informacion se calcula la capacitancia de entrada:

Cin =D0

8 ∗ f2 ∗ L ∗ 0.001=

0.3

8 ∗ 1000002 ∗ 100µ ∗ 0.001= 3.75µF (6.4)

Para poder calcular la capacitancia de salida, se obtiene primero la resistencia de salida 6.5 y el ∆Vque pasara por la capacitancia de salida 6.6.

R0 =Rmax

(1 −D0)2=

7

(1 − 0.3)2= 14.3Ω (6.5)

∆V = V0 ∗ 0.05 = 12 ∗ 0.05 = 0.6V (6.6)

15

CAPITULO 6. DIMENSIONAMIENTO CONVERTIDORES 16

Finalmente, con los valores encontrados se calcula la capacitancia de salida:

Cout =D0 ∗ V0

f ∗ ∆V ∗R0=

0.3 ∗ 12

100000 ∗ 0.6 ∗ 14.3= 4.3µ (6.7)

Teniendo todos los componentes necesarios del convertidor se procede a realizar el montaje en laherramienta Matlab para verificar su comportamiento:

Figura 6.2: Circuito Boost en Simulink

Se corre la simulacion y se obtiene el siguiente resultado:

Figura 6.3: Voltaje Boost

Con la simulacion antes mostrada es posible encontrar la eficiencia del convertidor como se muestraen la siguiente ecuacion:

η =Vout ∗ IoutVin ∗ Iin

=12V ∗ 0.84A

7.4V ∗ 1.4A= 0.9730 (6.8)


6.2 Convertidor Buck generacion fotovoltaica

Figura 6.4: Rama Generacion Fotovoltaica

Para realizar el dimensionamiento del buck se toma como voltaje de entrada maximo de 19V producidopor los paneles solares. El voltaje de salida 12V esta dado por el Bus DC al cual se realiza la conexion.Por medio de la ecuacion 3.2 se calcula el ciclo de trabajo como se muestra a continuacion:

12 = D0 ∗ 19

D0 =12

19= 0.631

(6.9)

Teniendo el ciclo de trabajo del convertidor se calcula la corriente de salida.

I0 =IinD0

=8.12

0.631= 12.87A (6.10)

Teniendo esto procedemos al calculo de la capacitancia de entrada:

Cin =I0(D0 −D2

0)

5% ∗ F=

12.87(0.631 − 0.6312)

0.05 ∗ 100000= 600µF (6.11)

Para el calculo de la inductancia se calcula la variacion de corriente ∆I que fluira dentro de esta, comose muestra a continuacion:

∆I = I0 ∗ 0.3 = 12.87 ∗ 0.3 = 3.861A (6.12)

Con esto se procede a realizar el calculo de la inductancia:

L =V0 ∗ (1 −D0)

2 ∗ ∆I ∗ F=

12(1 − 0.631)

2 ∗ 3.861 ∗ 100000= 9.8µH (6.13)

Finalmente, para el calculo de la capacitancia de salida se obtiene el diferencial de voltaje que pasa atraves de este.

∆V = V0 ∗ 0.05 = 12 ∗ 0.05 = 0.6V (6.14)

El valor de la capacitancia esta dado por:

COut =D0 ∗ I0∆V ∗ F

=0.631 ∗ 12.87

0.6 ∗ 100000= 13.5µF (6.15)

Se realiza el montaje en la herramienta computacional Matlab, como se muestra en la siguiente figura:


Figura 6.5: Rama Fotovoltaica Matlab

Los resultados obtenidos de la simulacion se muestran en las figura 6.6

(a) Voltaje de Salida Boost (b) Corriente de Salida Buck

Figura 6.6: Simulacion Buck

Para verificar que el controlador es el adecuado se calcula la eficiencia del convertidor perteneciente alsistema:


=12V ∗ 12A

19V ∗ 8A= 0.9473 (6.16)

6.3 Convertidor Buck Carga 5V

Figura 6.7: Rama Carga 5V


De igual forma al convertidor anterior se obtiene el ciclo de trabajo con la ecuacion 3.2

5 = D0 ∗ 12

D0 =5

12= 0.42

(6.17)

Teniendo el ciclo de trabajo del convertidor se calcula la corriente de salida.

I0 =IinD0

=10

0.42= 23.81A (6.18)

Teniendo esto procedemos al calculo de la capacitancia de entrada:

Cin =I0(D0 −D2

0)

5% ∗ F=

23.81(0.42 − 0.422)

0.05 ∗ 100000= 1160µF (6.19)

Para el calculo de la inductancia se calcula la variacion de corriente ∆I que fluira dentro de esta, comose muestra a continuacion:

∆I = I0 ∗ 0.3 = 23.81 ∗ 0.3 = 7.163A (6.20)

Con esto se procede a realizar el calculo de la inductancia:

L =V0 ∗ (1 −D0)

2 ∗ ∆I ∗ F=

5(1 − 0.42)

2 ∗ 7.163 ∗ 100000= 2µH (6.21)

Finalmente, para el calculo de la capacitancia de salida se obtiene el diferencial de voltaje que pasa atraves de este.

∆V = V0 ∗ 0.05 = 5 ∗ 0.05 = 0.25V (6.22)

El valor de la capacitancia esta dado por:

COut =D0 ∗ I0∆V ∗ F

=0.42 ∗ 23.81

0.25 ∗ 100000= 400µF (6.23)

Para comprobar que los valores de los componentes encontrados son los adecuados, se realiza el montajeen Matlab como se muestra en la siguiente figura:

Figura 6.8: Rama Carga 5V Matlab

El resultado de voltaje obtenido se muestra en la figura 7.3


Figura 6.9: Voltaje Buck

Con la simulacion antes mostrada es posible obtener la eficiencia del circuito:


=5V ∗ 4, 5A

12V ∗ 2A= 0.937 (6.24)

7.Diseno PCBEn esta seccion se desarrollan los circuitos impresos de los convertidores de potencia del microrred. 2circuitos impresos (rama almacenamiento y rama panel) estuvieron manufacturados y seran presenta-dos aquı.

7.1 Rama Almacenamiento

En la seccion anterior se realizo el calculo de los componentes del convertidor Boost perteneciente a larama de almacenamiento. El resumen de estos componentes esta dado en la tabla 7.1.

Tabla 7.1: Componentes convertidor Boost

Cin 3.75µFL 100µHCout 4, 2µFRout 14.3Ω

Sin embargo, como se observa en la figura 6.3 la salida del sistema presenta rizos no deseados porla conmutacion del transistor. Por este motivo se coloca una fase de filtrado de la senal tanto enla entrada como en la salida. En la entrada y en la salida del sistema se cuenta con un arreglo decapacitancias de 2.2µF ceramicos y de 10µF electrolıticos. Para la medicion de corriente y voltajenecesarias para el control del sistema, se coloca un medidor de corriente INA197 y un divisor de voltajeen la entrada y salida del sistema.

Para facilitar el control sobre el sistema, se cambia el diodo por un transistor al cual le llega unasenal PWM complemento. Debido a que el transistor IRFP150PBF posee un voltaje maximo de 80Vy una corriente maxima de 41A este cumple con los requisitos. En esta configuracion tenemos dostransistores, uno tiene la funcion “High side” es decir el emisor flotante y el otro “Low side” con elemisor conectado en la tierra. Es necesario encontrar entonces dos drivers que puedan cumplir con lasdos configuraciones

Para la accion de control se debe utilizar un driver que genera la senal PWM necesaria para el transistory mejorar el desempeno del control. Su seleccion esta dada por el tiempo de conmutacion Td < 136nsy la corriente de activacion dada por la siguiente ecuacion:

IGmax=

QG

td(on) + td(delay)=

140nC

120ns+ 16ns= 1.029A (7.1)

El driver TC4420 (“Low side”) y el driver LTC4440 (“High side”) son capaces de producir una corrienteigual o mayor a 1.029A y un tiempo de conmutacion igual o menor al solicitado por el transistor. Lafigura 7.1 muestra el esquema electrico completo del convertidor boost antes del diseno del circuitoimpreso.

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CAPITULO 7. DISENO PCB 22

Figura 7.1: Modelo Electrico Boost

En el diseno del circuito impreso mostrado en la figura 7.2 (a) se establece el ancho de las pistas en0.5 milımetro para una corriente maxima de 1.2 amperios por lo que las baterıas tienen un sistemade proteccion que limita la corriente de descarga a 1.2A. Se ubican los drivers lo mas cerca posibleal transistor con el objetivo de reducir al maximo los problemas de oscilacion presentes en este tipode sistemas de segundo orden. Con el objetivo de prevenir problemas electricos, se divide el sistemaentre los componentes de control y los de alimentacion con una tierra para la parte potencia y unatierra para la parte control. En la parte inferior se ubica el sistema de control mientras que en la partesuperior todo el esquema electrico. La figura 7.2 (b) muestra el prototipo boost, sin embargo, porcuestiones de tiempo y componentes faltantes, no se pudo pudieron realizar las pruebas pertinentes.

(a) Circuito Impreso Boost (b) Prototipo Boost

Figura 7.2: Circuito impreso y prototipo del convertidor Boost

7.2 Rama Generacion Fotovoltaica

Los componentes del convertidor Buck de la rama de almacenamiento encontrados en la seccion anteriorse resumen en la la tabla 7.2.

CAPITULO 7. DISENO PCB 23

Tabla 7.2: Componentes convertidor Buck Paneles

Cin 600µFL 9.8µHCout 135µFRout 1.29Ω

Debido a que el nivel de potencia del convertidor Buck, se encuentra entre los limites de los componentesencontrados en el convertidor Boost. Lo unico que cambia es el medidor de corriente de la salida cuyareferencia es LTS-25-NP. Esto se debe a que la corriente eventualmente sera mas alta segun la cargautilizada. De resto se utilizan los mismos componentes. La figura 7.3 muestra el esquema electricocompleto.

Figura 7.3: Modelo Electrico Buck

Por ultimo, se realiza el diseno del circuito impreso a dos capas y el prototipo mostrado en la figura7.4:

(a) Circuito Impreso Buck (b) Prototipo Buck

Figura 7.4: Circuito impreso y prototipo del convertidor Buck

8.ConclusionesEl modelado de los paneles fotovoltaicos tomando de Bishop representa de forma adecuada el com-portamiento del panel JS150 que se utilizo en el trabajo realizado. La caracterizacion del las baterıascumplen con lo esperado. Con un error menor al 8% es posible afirmar que el modelo describe de formaadecuada el comportamiento que se querıa modelar. Como se pudo ver por medio de simulacion, eldimensionamiento de los convertidores es el adecuado. La transformacion de potencia es eficiente, te-niendo en promedio una perdida menor a 6%. En conclusion el objetivo de tener los ramales funcionesse cumplio.

La seleccion de los dispositivos necesario para el buen funcionamiento de los convertidores se realizo conexito. Estos satisfacen las demandas de operacion del circuito y cumplen con la funcion requerida. Eldiseno de los circuitos impresos tiene en cuenta la parte de control y la parte electrica del circuito. Sinembargo, para poder verificar su funcionamiento es necesario realizar escenarios de operacion, medirdatos y compararlos con las simulaciones. Debido a que no se puedo llevar acabo la comprobacionde datos por la falta de componentes, se espera que esto se realiza en trabajo futuro. De la mismamanera, se propone agregar al analisis los ramales AC que no se tuvieron en cuenta. Adicionalmente,aunque el caso de estudio cuenta con ramales especıficos, al ser un sistema modular se pueden agregarnuevas tecnologıas de generacion y/o nuevos tipos de carga al analisis del sistema.

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Louis-A. Dessaint. World Electric Vehicle Journal Vol. 3 - ISSN 2032-6653 - © 2009 AVERE

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