SIMULACIÓN DE UN INVERSOR TRIFÁSICO...

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES

Trabajo Fin de Grado

SIMULACIÓN DE UN INVERSOR TRIFÁSICO CONECTADO A RED DESDE PANELES

FOTOVOLTAICOS Y DISEÑO DE SU CONTROL

Autora:

Candela González Pacheco

Tutor:

Jesús Ángel Oliver Ramírez

GRADO EN INGENIERÍA DE LAS TECNOLOGÍAS INDUSTRIALES

FEBRERO 2018

SimulaciónycontroldeuninversortrifásicoconectadoaRed

Candela González Pacheco 1s

Agradecimientos En primer lugar, me gustaría agradecerle este trabajo a mi familia que siempre me ha apoyado y confiado en mí más de lo que lo hacía yo misma u que sé que lo seguirá haciendo en el futuro. En segundo lugar, me gustaría agradecérselo a todos los amigos que me llevo de esta universidad, en los que me he apoyado y no me han defraudado, y con los que he madurado y vivido numerosas experiencias. Por último, me gustaría agradecerle al club deportivo de la escuela que me ha permitido conocer gente con las mismas aficiones que yo y además por ser el sitio donde más horas he dedicado a este TFG.

Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial (UPM) 2



ÍNDICE

RESUMEN..................................................................................................................5

1. Introducciónyobjetivosdelproyecto..............................................................11

1.1. Evoluciónhistóricayestadodelospanelesfotovoltaicosysuconexiónalared. 11

1.1.1. Evoluciónhistórica...........................................................................................11

1.1.1.1. Aparicióndelospanelesfotovoltaicos.....................................................................11

1.1.1.2. Inversoresdepotencia..............................................................................................11

1.1.2. Estadodelarte.................................................................................................13

1.1.2.1. Energíasolar.............................................................................................................13

1.1.2.2. Inversores.................................................................................................................16

1.2. Objetivosdelproyecto........................................................................................17

2. Generalidadessobreelcontroldeinversores...................................................19

2.1. Introducción.......................................................................................................19

2.3. Transformaciónenayb.....................................................................................20

2.4. TransformaciónDQ.............................................................................................24

3. Diseñodelcontrol............................................................................................27

3.1. Introducción.......................................................................................................27

3.2. Inversoryconexión.............................................................................................27

3.3. Control................................................................................................................28

3.3.1. Descripcióndelcontrol.....................................................................................28

3.3.2. PLL....................................................................................................................31

3.3.3. PWM.................................................................................................................31

ÍNDICE


3.3.4. Generadorde𝑼𝒓𝒆𝒇.........................................................................................32

3.3.5. PIDs...................................................................................................................32

3.3.5.1. Controlencorriente..................................................................................................32

3.3.5.2. Controlde𝑽𝒅𝒄.........................................................................................................33

3.3.5.3. ControldeQ..............................................................................................................34

4. Resultados.......................................................................................................37

4.1. Introducción.......................................................................................................37

4.2. Resultados..........................................................................................................37

5. Análisisderesultadosyconclusiones...............................................................41

6. Líneasfuturas..................................................................................................43

7. Bibliografía......................................................................................................45

8. Planificacióntemporal.....................................................................................47

9. Presupuesto.....................................................................................................49

10. Índicedefiguras...........................................................................................51

11. Índicedetablas............................................................................................55

12. Abreviaturasysímbolos...............................................................................57



RESUMEN La creciente preocupación por el medioambiente y la contaminación ha generado una mentalidad que aboga por un desarrollo medio-ambiental sostenible, forzando la investigación y la mejora de las energías renovables. La energía solar se puede considerar la base de las energías renovables ya que se considera al sor como el origen del resto de recursos utilizado para energías renovables. Aunque el desarrollo no haya sido enorme, la energía solar cada vez tiene más peso en el mercado de la electricidad y supone el futuro junto el resto de energías renovables. Por ello, se encuentra en constante investigación y evolución para mejorar su eficiencia, pues actualmente ronda el 30%. Para el buen aprovechamiento de la energía procedente del Sol no es sólo importante el panel fotovoltaico, sino que también lo son los elementos que le permiten conectarse a la Red. Uno de los elementos más importante es el del inversor trifásico de potencia que transforma la corriente continua en corriente alterna. El desarrollo de los inversores ha ido de la mano de los materiales semiconductores, pues es la base de estos elementos. Un inversor trifásico consiste en seis transistores colocados en paralelo de dos en dos que genera tres tensiones con forma sinusoidal con valores de pico la mitad de la tensión que se encuentra a la entrada del inversor. Existen diferentes tipos, pero el utilizado en este trabajo es el modulado por PWM. El control de este tipo de inversor consiste en mantener constante la tensión de la entrada y que el PWM varíe el ciclo de trabajo nos permite modular la onda de salida tanto su amplitud como su 𝜔𝑡. Para el control se ha escogido un control basado en la transformación DQ. Esta transformación consiste en realizar en primer lugar una transformación ab. Lo que hace esta primera transformación es proyectar los vectores de tensión e intensidad trifásicos sobre el plano ab mediante la siguiente matriz.

𝑇 =23

1 −12

−12

032

−32

12

12

12

La segunda transformación consiste en, una vez que se está en este plano y sólo se manejan los vectores de dos dimensiones, crear unos ejes móviles que giren a la velocidad de la Red, a 𝜔𝑡. Esta transformación se realiza gracias a la siguiente matriz.

𝑇 =𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑠𝑖𝑛𝜃 0−𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃 00 0 1

Si se quiere pasar directamente de las tres dimensiones a DQ la matriz de transformación sería la siguiente.

RESUMEN


𝑇 =23

𝑐𝑜𝑠𝜃 cos 𝜃 −2𝜋3

cos 𝜃 +2𝜋3

−𝑠𝑖𝑛𝜃 −sin 𝜃 −2𝜋3

−sin 𝜃 +2𝜋3

12

12

12

Es por esto que la primera parte del control consiste en pasar la tensiones y corrientes a DQ y sincronizar la tensión con el PLL. Esto se realiza para que la componente Vq sea igual a 0 y Vd a 1 constantemente. Entonces, para controlar la potencia que se aporta a la Red sólo se tiene que controlar la variación de la intensidad. Además, se pasará estas variables a pu. Los objetivos del control diseñado son el de aportar la mayor potencia activa que se pueda a la Red y la potencia reactiva demandada por esta. El valor de la Q demandada será introducido manualmente con un escalón. El diseño del controlador es el siguiente:

Figura1:DiseñoenSimulinkdeuninversordepotenciatrifásico.

Como se ve en el cuadrante superior izquierdo de la figura lo primero que se hace es comparar la tensión Vdc medida con la de referencia (V*dc=500V), así se consigue el error, que se pasa a pu y llega a un PI cuyo objetivo es que este error se haga 0. Esto se consigue controlando la componente Id de la corriente, por lo que del PI se obtiene una intensidad de referencia (I*d). El propósito de este regulador es el de mantener constante la tensión de entrada al inversor para poder aportar a la red la máxima potencia activa posible. Por otro lado, en el cuadrante inferior izquierdo lo que se hace es que se compara la potencia reactiva con la de referencia. La 𝑄∗ sería la que nos demandara la red, en este caso el valor va a ser introducido por nosotros a través de un escalón en t=0,25seg, para dar tiempo a que se estabilice la simulación. El error obtenido se pasa a pu antes de llegar al PI cuya función es eliminar este error para que la potencia reactiva que se está produciendo sea la requerida.De la salida del PI se obtiene la componentede referencia q de la corriente (I*q).



Una vez que se tiene I*dq se llevan a los PI que se encargan el control en corriente que se encargan de ajustar la corriente a la necesaria para mantener constante 𝑉AB y para dar la Q demandada. Para esto se genera unas tensiones de refencia (V*dq). Esto se suma al resto de tensiones según las siguientes ecuaciones obteniendo la tensión a la salida del inversor. Ahora,se introduce Vdq,inv junto con 𝑤𝑡 en otro bloque que se explicará después que nos da la tensión de referencia (Uabc,ref) que se quiere que el PWM nos module la tensión que se quiere que sea generada por el inversor. Como se ha visto en la explicación, el control cuenta con tres PIDs. Los anchos de banda obtenidos de los reguladores han sido los siguiente. El del control de corriente es de 330Hz que supone que es más 75% más lento que el PWM. Los controles de Vdc y Q tienen que ser más lentos que el anterior para que le pueda dar tiempo a regularse antes de cambiar de valor. El ancho de banda del control Vdc es de 76,6Hz y el de Q de 45,7Hz. Una vez que se ha terminado el diseño del control en Simulink se va a comprobar si se han alcanzado lo objetivos deseados. Como norma general se aprecia en todas las gráficas una inestabilidad hasta t=0,1seg generada probablementre por la adaptación del PLL al seguimiento de la frecuencia de la red. Para comprobar el buen funcionamiento del control de la tensión de entrada se comprueba si el valor se matiene en 500V. Como se ve la máxima desviación que experimenta el control es de un 1%.

Figura2:Gráficadelatensióndeentradaalinversor

El siguiente de los objetivos es el de aportar a la Red la mayor potencia activa que se pueda. La potencia activa se encuentra directamenter relacionada con la irradiación. A mayor irradiación, mayor potencia activa y viceversa. Por lo tanto, se necesita que la potencia activa siga la misma forma que la de la irradiación.

RESUMEN


Figura3:RepresentaciónconjuntadelairradiaciónyVdc

Figura4:Gráficadelapotenciaactiva

Como se puede comprobar el control es bastante bueno ya que la forma de ambas gráficas es prácticamente la misma. Por último, se comprueba si se es capaz de proporcionar a la Red la potencia reactiva que nos demanda. Se ha puesto un escalón con retraso como entrada para que la inestabilidad inicial que tiene el control nos afecte a la hora de analizar el funcionamiento de este control. Como se ve en la gráfica posterior el seguimiento es excelente, el tiempo en estabilizarse en el nuevo valor es de 0,001seg y la desviación máxima que se encuentra es de un 2%.



Figura5:GráficacontroldeQ

Para un futuro, se podría diseñar un control que no sólo aportara la máxima potencia a la red, sino que proporcionara la demandada por esta. Por ejemplo, si la Red estuviera saturada que no se aportara nada de potencia. Sin embargo, a nivel global se podría decir que el diseño del control está bien realizado y que cumple con los objetivos propuestos.

RESUMEN




1. Introducción y objetivos del proyecto.

1.1. Evolución histórica y estado de los paneles fotovoltaicos y su conexión a la red.

1.1.1. Evolución histórica.

1.1.1.1. Aparición de los paneles fotovoltaicos. La energía solar ha sido utilizada en diferentes ámbitos a lo largo de su historia. Su inicio se remonta a 1839, año en que fue descubierto el “efecto fotovoltáico” por Alexandre Edmon Becquerel tras observar que una pila electrolítica sumergida en una sustancia con las mismas propiedades generaba más electricidad. Posteriormente Albert Einstein ganó en 1921 el Premio Nobel de Física al descubrir que los electrones pueden ser arrancados de un metal al ser expuesto este a la luz ultravioleta, generando una corriente eléctrica. En 1883 el inventor norteamericano Charles Fritts patenta la primera celda solar que contaba con una eficiencia del 1%. La primera aplicación que se dio a los paneles solares fue aeroespacial. Se utilizaron en los primeros satélites geoestacionarios de la URSS y USA. Esto provocó el aumento en la investigación que tuvo como consecuencia un gran desarrollo, logrando avances que hicieron que los paneles alcanzaran relativamente rápido una eficiencia del 6%.

Figura6:PrimersatélitegeoestacionarioSyncom3(Fuente:Aeroflap)

El primer uso comercial que se dio a los paneles solares fue en los años 70 para las calculadoras, que se siguen utilizando en la actualidad.

1.1.1.2. Inversores de potencia. Un inversor de potencia es un sistema eléctrico que convierte la corriente continua en corriente alterna, y que nos permite controlar el valor de la tensión de entrada, la tensión de salida y la frecuencia. La aparición de los inversores surge cuando George Westinghouse y Nikola Tesla presentan la corriente alterna como una nueva forma, mejor y más eficiente, de transportar la energía eléctrica, ya que se disminuían considerablemente las pérdidas y por lo tanto el coste de la electricidad se reducía. Es entonces cuando nace la necesidad

1. Introducción y objetivos del proyecto


de transformar la corriente continua que proporcionaban las máquinas generadoras en corriente alterna. El primer inversor que existió fue rotativo, su principio de funcionamiento es el de un motor síncrono de corriente alterna y consiste en un bobinado con tres tomas separadas 120º eléctricos en el que se generará una fuerza electromotriz sinusoidal.

Figura7:Inversorrotativotrifásico(Fuente:Readtiger)

El siguiente inversor en aparecer fue el vibrador electromagnético, que consistía en un timbre con contactos que abren y cierran muchas veces por segundo para llevar la corriente continua a alterna. Son los predecesores de los inversores actuales. Con la aparición de los transistores dejaron de usarse los vibradores electromagnéticos y aparecieron los inversores estáticos, cuyo desarrollo ha estado ligado al de los dispositivos semiconductores. La aparición de los materiales semiconductores fue la gran revolución para el desarrollo de los inversores, dándonos los que se usan actualmente. Su origen no se dio gracias a la aparición de la física cuántica que permitió en 1926 a F. Bloch formular el teorema de Bloch el cual describe la función de onda de un electrón en función a la estructura cristalina del sólido. En 1931 H. Wilson introdujo el concepto de huecos, describiendo a los materiales semiconductores como aislantes con huecos, y el 1934 C.Zener demostró que este efecto se producía por el tunelamiento a través de huecos de energía. Los inversores estáticos pueden clasificarse según el tipo de señal que generan. El inversor de onda cuadrada, la genera porque trabaja principalmente en dos modos, modo corte y modo saturación. Si se cambia entre estos dos modos de trabajo con mayor frecuencia, modulando el ancho de los pulsos, se puede llegar a obtener una onda semejante a la sinusoidal. Si además se aplica un filtro que nos elimine los armónicos se obtiene una onda sinusoidal prácticamente perfecta

Figura8:Inversorestáticomonofásico(superior)ytrifásico(inferior)(Fuente:Yubasolar)



1.1.2. Estado del arte.

1.1.2.1. Energía solar. Desde que se produjo la revolución industrial en la segunda mitad del siglo XVIII, la demanda de energía ha aumentado de forma exponencial hasta que actualmente la la oferta es incluso superada por la demanda. A mediados del siglo XVIII era el carbón la fuente de energía existente. Cabe pensar que a lo largo de estos años la forma de producir energía ha evolucionado al mismo ritmo que lo ha hecho la demanda de esta, pero no ha sido así.

Figura9:Consumoenergéticoanivelmundialytipodeenergía.(Fuente:SPIEGELONLINE)

Las bases de la producción energética han sido y siguen siendo energías no renovables como el carbón, el petróleo, el gas natural y el uranio. Estos recursos, a parte de los escasos que son y de la baja velocidad de regeneración que poseen, que hace que su precio aumente, son altamente contaminantes. Por ejemplo, los gases contaminantes que generan el carbón, el gas natural y el petróleo son gases de efecto invernadero claves en el cambio climático, además de favorecer fenómenos como la lluvia ácida. La creciente preocupación por el medioambiente y la contaminación ha generado una mentalidad que aboga por un desarrollo medio-ambiental sostenible, forzando la investigación y la mejora de las energías renovables. Es por ello que a partir de 1950 se puede ver cierto crecimiento en la producción de electricidad a partir de fuentes de energía renovable. Dentro de este modo de producción de energía se tienen diferentes fuentes como la eólica, la hidroeléctrica, la biomasa y la fotovoltaica. Aunque en los inicios fuera la energía eólica la que fuera la energía reina en este sector en los últimos años se ha visto desbanca por la solar, la cual se considera la madre de las energías renovables ya que su fuente de alimentación es el Sol del que derivan los recursos necesarios para el resto de fuentes de energía.



Sin Sol, no se tendrían zonas de aire caliente que producen el viento, zonas de agua caliente que genera las corrientes marinas o las plantas no serías capaces de alimentarse, incluso de existir, impidiendo la existencia de la energía basada en la biomasa. Cada vez más países apuestan por este modelo de generación energética. Curiosamente, justo los países que no firmaron el tratado de Kyoto son los que mayor desarrollo solar han experimentado entre el año 2000 y 2010, estos son Australia y Estados Unidos. Por otro lado, España siendo uno de los países desarrollados con mayor potencial para la generación de energía solar no está desarrollando esta tecnología en favor de las tecnologías tradicionales y contaminantes. Aun así, actualmente la energía solar que se produce en España es en un 14% solar. Por otro lado, también ha aumentado el autoconsumo fotovoltaico como alternativa para la reducción de 𝐶𝑂F. Sin embargo, este aumento se ha visto reducido ya que no existe ningún tipo de ayuda económica, por lo que las instalaciones fotovoltaicas se realizan únicamente por iniciativa privada. Hasta ahora, la eficiencia de los paneles de silicio se encontraba en un tercio, pero en el último año se ha descubierto un nuevo material que podría reemplazar al silicio y duplicar la eficiencia sin aumentar significativamente el coste. Este material se llama “perovskita híbrida” y nos permitiría alcanzar una eficiencia de dos tercios. Por otro lado, estudios del Centro de Energías de la Universidad Católica (UC) han demostrados que los paneles con dos caras producen un 25% más de energía que los paneles que son sólo utilizados por una de las caras.

Figura10:Evoluciónmundialdelospreciosen€/Wpportecnología.(FuenteUNED)

A nivel mundial el mercado fotovoltaico ha aumentado en los últimos tiempos una media de un 20-25% anual, llegando en 2015 a una capacidad instala de 230GW. Este aumento se debe a que se ha convertido en un mercado competitivo debido a la reducción de costes que se ha conseguido gracias a la investigación.



Figura11:Evolucióndelasinstalacionesfotovoltaicasmundialesanuales.(Fuente:UNEF)

Como se aprecia en la gráfica, se puede considerar a Europa la pionera en este sector, pero se puede ver que en los últimos años se ha producido un gran desarrollo de este mercado en países en desarrollo como China y Japon con 43,5GW y 34,4GW instalados respectivamente. A nivel europeo este mercado se ha visto estancado e incluso disminuido en los últimos años. La instalación fotovoltaica en 2013 fue el doble que en 2014 y en 2015 ha seguido disminuyendo. Los países europeos que más instalaciones realizaron en este último año son Reino Unido con 3,5GW, Alemania con 1,5GW y Francia con 0,9GW. Esto ha hecho que la importancia de Europa en el mercado fotovoltaico haya disminuido considerablemente siendo en 2014 de un 16% cuando en 2013 era de un 29%. Aun así, existen países europeos que están empezando a apostar fuertemente por la energía solar como fuente de generación eléctrica. Países como Turquía y Dinamarca han variado la potencia instalada entre 2014 y 2015 en un 419,19% y 285,4% respectivamente. Actualmente la energía solar supone el 4% de la energía generada en toda Europa.

Figura12:IncidenciadelaradiaciónsolarenEuropa.(Fuente:UNEF)



En cuanto a España, es el país con mayor potencial para la energía fotovoltaica de Europa, pero las políticas existentes no favorecen el desarrollo del mercado por lo que en el año 2015 la potencia instalada era solamente de 4.667MW. Incluso, como se puede apreciar en la gráfica inferior, la disminución del mercado fotovoltaico en España ha supuesto una notable disminución de los puestos de trabajo generados.

Figura13:PuestosdetrabajodirectosdelaenergíasolarenEspaña.(Fuente:UNEF)

1.1.2.2. Inversores. Los paneles fotovoltaicos sometidos a estudio son aquellos que están conectados a la red y que por ello necesitan de un inversor de potencia que transforme la corriente continua en alterna. El desarrollo de los inversores de potencia es esencial para la renovación de las redes existentes en redes inteligentes. Además, influye en el mayor o menor aprovechamiento de la energía que captan los paneles, haciéndolos más o menos eficientes.

Figura14:Elementosnecesariosparaladistribucióneléctrica.(Fuente:EnergíasrenovablesyDesarrollosostenible

enBolivia)

Se diferencian entre dos tipos de inversores según el número de conexiones, los monofásicos y los trifásicos. Otra clasificación más general, es la que se realiza en base a como se obtiene la onda deseada. Se diferencia:

• Inversores de onda cuadrada: en estos inversores se controla la tensión de entrada para que se mantenga constante y así controlar la amplitud de la tensión de salida. En este tipo de control la frecuencia de cambio es constante.



• Inversores modulados con PWM: Son similares al anterior ya que se controla que la tensión de entrada sea constante, para conseguir la amplitud de la tensión de salida deseada. Pero en este caso, además, se añade un PWM que nos modula la frecuencia de cambio, haciendo posible que se obtiene una onda sinusoidal a la salida.

• Inversores monofásicos con cancelación de voltaje: en este caso se controla la

tensión y la frecuencia de salida del inversor sin mantener constante la tensión de entrada y sin un PWM.

1.2. Objetivos del proyecto.

Siendo conscientes de la importancia y la presencia con la que va a contar la energía solar en el futuro en la producción y consumo energético, y sabiendo que los inversores de potencia pueden marcar la diferencia entre un buen o un mal aprovechamiento de la energía producida por el panel, el objetivo de el proyecto va a ser el de diseñar un buen control del inversor. Este control se va a realizar en DQ, cuyo fundamento teórico se explicará posteriormente, y va a consistir en el control de la tensión de entrada al inversor para mantenerla constante, lo que nos va a permitir aportar la máxima potencia activa a la red. Otro PI controlará la potencia reactiva que se nos demande, que en este caso será un valor introducido por nosotros. Estos dos lazos nos dan el valor de las corrientes DQ de referencia de salida del inversor que, por último, serán controladas por otro PI.



2. Generalidades sobre el control de inversores. 2.1. Introducción.

El objetivo de este punto es el de explicar las bases del funcionamiento teórico de los inversores, así como las de su control. Además, se va a profundizar en el tipo de inversor y el control que se ha usado para el diseño. Previamente, se ha hablados de los tipos de inversores que existían y se ha descrito brevemente en qué consiste su control. Para este proyecto se ha decidido utilizado un inversor modulado por PWM. En la segunda parte de esta sección se comentará los diferentes tipos de control que se pueden usar, hablando y justificando la elección para el diseño.

2.2. INVERSORES Un inversor trifásico es un circuito con tres ramas en paralelo en cada una de las cuales se encuentra dos transistores.

Figura15:Estructurainternadeuninversor.(Fuente:Automáticaeinstrumentación)

Las tensiones que se pueden dar a la salida del inversor son entonces, HIJ

F, 0, − HIJ

F,. Por

tanto, la forma de la onda de salida depende principalmente de la frecuencia de cierre y de apertura de los diferentes transistores, que se modulará gracias al PWM. La función del PWM es la de modificar el ciclo de trabajo de una señal periódica. La tensión de referencia (𝑈MNO), también llamada tensión moduladora, se muestrea y se compara, en este caso, con dos señales triangulares simétrica, que van sincronizadas con la señal de referencia externa (en 𝜔𝑡). El brazo del convertidor puede tener tres valores:

• m=+1: cuando la tensión de referencia es mayor que la señal triangular positiva.

• m=-1: cuando la tensión de referencia es menor que la señal triangular negativa.

• m=0: en el resto de casos.

2. Generalidades sobre el control de inversores


𝑣RSB = 𝑚×𝑉AB 3

2

Figura16:Señalesqueentran(superior)ysalen(inferior)deunPWM.(Fuente:AyudaMatlab)

La frecuencia entre la señal de salida y las triangulares están relacionadas por la frecuencia de conmutación, así que como la frecuencia de salida nos viene demandada por la red, la frecuencia de conmutación es el parámetro que se va a variar. Por último, en relación al PWM, la simulación del control se va a realizar en un dominio discreto del tiempo, ya que la simulación va más rápida. Es por esto por lo que el PWM necesita además de todo lo anterior un tiempo de muestreo.

2.3. Transformación en a y b. Un sistema trifásico es un sistema bastante complejo que siempre se tiende a simplificar para facilitar su estudio y hacer más viable sus aplicaciones. En el esquema a estudio se cuenta con un circuito trifásico que se conecta a la red. Cada una de las fases cuenta con una intensidad y unas tensiones de fase y de línea. La conexión a la red se realiza en estrella como en la representación que se tiene más abajo, donde se detallas las diferentes tensiones e intensidades. Además, también se tiene un esquema del desfase que existe entre ellas:

Figura17:Tensioneseintensidadesdeunsistematrifásico.(Fuente:Sistemastrifásicos.Proyecto987)



Figura18:Diagramavectorialdetensioneseintensidadesparaunsistemadecargasequilibradasconectadasen

estrella.(Fuente:Sistemastrifásicos.Proyecto987)

Se definen las anteriores variables como: 𝚤R = 𝐼×cos(𝜃) 𝚤S = 𝐼×cos(𝜃 − FY

Z)

𝚤B = 𝐼×cos(𝜃 +2𝜋3)

𝑢R = 𝑈×cos(𝜃) 𝑢S = 𝑈×cos(𝜃 − FY

Z)

𝑢S = 𝑈×cos(𝜃 +2𝜋3)

Estas intensidades y tensiones cumplen:

𝚤R + 𝚤S + 𝚤B = 0

𝑢RS + 𝑢SB = 𝑢BR Por ello, con saber dos de tensiones de fase o dos corrientes se puede obtener el valor de la tercera tensión e intensidad respectivamente. La transformación ab se utiliza para simplificar el análisis de circuitos trifásicos y reducir el número de variables a tener en cuenta. Consiste, básicamente, en proyectar tanto la tensión como la corriente en un plano, denominado plano ab.

Figura19:Vectorestensióneintensidad



𝑖RSB → 𝑖]^_

Figura20:Proyeccióndelvectorintensidadenelplanoayb.(Fuente:AyudaMatlab)

Matemáticamente se realizaría de la siguiente manera:

𝑖]^_ 𝑡 = 𝑇×𝑖RSB 𝑡 =23

1 −12

−12

032

−32

12

12

12

×𝑖R(𝑡)𝑖S(𝑡)𝑖B(𝑡)

→ 𝑖] = 3𝐼𝑐𝑜𝑠𝜃(𝑡)𝑖^ = 3𝐼𝑠𝑖𝑛𝜃(𝑡)

𝑖_ = 0

Y a la inversa:

𝑖RSB 𝑡 = 𝑇`a×𝑖]^_ 𝑡 =

1 0 1

−12

32

1

−12

−32

1

×𝑖](𝑡)𝑖^(𝑡)𝑖_(𝑡)

El mismo procedimiento se sigue para las tensiones:

𝑣RSB → 𝑣]^_



Figura21:Proyeccióndelvectortensiónenelplanoayb.(Fuente:AyudaMatlab)

𝑣]^_ 𝑡 = 𝑇×𝑣RSB 𝑡 =23

1 −12

−12

032

−32

12

12

12

×𝑣R(𝑡)𝑣S(𝑡)𝑣B(𝑡)

→ 𝑣] = 3𝑉𝑐𝑜𝑠𝜃(𝑡)𝑣^ = 3𝑉𝑠𝑖𝑛𝜃(𝑡)

𝑣_ = 0

A la inversa:

𝑣RSB 𝑡 = 𝑇`a×𝑣]^_ 𝑡 =

1 0 1

−12

32

1

−12

−32

1

×𝑣](𝑡)𝑣^(𝑡)𝑣_(𝑡)

Los nuevos ejes (ejes ab) son estáticos, lo que va a marcar la principal diferencia con la transformación DQ. Por este motivo el vector tensión y el vector intensidad van a girar alrededor de estos ejes a una velocidad angular w.

Figura22:Vectortensióneintensidadenelsistemaab.(Fuente:AyudadeMatlab)



2.4. Transformación DQ.

La transformación DQ se utiliza para simplificar aún más el análisis de circuitos trifásicos. Al igual que en la transformación ab, se proyectan la tensión y la intensidad sobre un plano, en este caso denominado plano DQ, permitiéndonos reducir el número de variables. Pero en este caso los ejes son móviles y rotan a la misma velocidad angular w que la tensión y la intensidad. Con un PLL se consigue que una de las componentes de la tensión se haga cero, y por lo tanto el valor de la componente d es constante.

Figura23:ProyeccióndelvectorintensidadenelplanoDyQ.(Fuente:AyudaMatlab)

Matemáticamente se puede hacer de dos maneras:

siendo 𝜃 = 𝜔𝑡

• Partiendo de 𝑖RSB:

𝑖Ab_ =23


cos 𝜃 +2𝜋3


−sin 𝜃 +2𝜋3

12

12

12

×𝑖R𝑖S𝑖B

𝑖RSB =

𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑠𝑖𝑛𝜃 1

cos 𝜃 −2𝜋3

−sin 𝜃 −2𝜋3

1

cos 𝜃 +2𝜋3

−sin 𝜃 +2𝜋3

1

×𝑖A𝑖b𝑖_

• Partiendo de 𝑖]^_:



𝑖Ab_ =𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑠𝑖𝑛𝜃 0−𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃 00 0 1

×𝑖]𝑖^𝑖_

𝑖]^c =𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑠𝑖𝑛𝜃 0𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃 00 0 1

×𝑖A𝑖b𝑖_

Otras ecuaciones importantes son:

𝑃 = 𝑉A𝐼A + 𝑉b𝐼A

𝑄 = 𝑉A𝐼b + 𝑉b𝐼b Se realiza lo mismo con las tensiones:

Figura24:ProyeccióndelvectortensiónenelplanoDyQ.(Fuente:AyudaMatlab)

• Partiendo de 𝑖RSB:

𝑣Ab_ =23


cos 𝜃 +2𝜋3


−sin 𝜃 +2𝜋3

12

12

12

×𝑣R𝑣S𝑣B

𝑣RSB =

𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑠𝑖𝑛𝜃 1

cos 𝜃 −2𝜋3

−sin 𝜃 −2𝜋3

1

cos 𝜃 +2𝜋3

−sin 𝜃 +2𝜋3

1

×𝑣A𝑣b𝑣_

• Partiendo de 𝑖]^_:

𝑣Ab_ =𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑠𝑖𝑛𝜃 0−𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃 00 0 1

×𝑣]𝑣^𝑣_



𝑣]^c =𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑠𝑖𝑛𝜃 0𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃 00 0 1

×𝑣A𝑣b𝑣_

Figura25:Figura17:VectortensióneintensidadenelsistemaDQ.(Fuente:AyudadeMatlab)



3. Diseño del control. 3.1. Introducción.

De las dos transformaciones que se ha expuesto anteriormente se considera que la mejor para realizar el control sobre el inversor es la transformación DQ, ya que no se tiene que tener en cuenta la variable de la velocidad angular, pues los ejes de referencia son móviles y giran con la velocidad 𝜔 = 2𝜋×𝑓, siendo 𝑓 la frecuencia de la red, que en este caso es de 60Hz. En este punto se va a explicar las distintas partes del control, justificando los diferentes valores escogidos. Como el principal objetivo de este trabajo es el del diseño del control del inversor y no la simulación de la placa solar, esta parte ha sido obtenida de un ejemplo de Matlab. Esta primera parte se compone de una placa fotovoltaica a la que le llega una irradiación y una temperatura, en la placa se calcula el punto de máximo rendimiento y se genera una tensión y una corriente. A continuación, se encuentra un condensador y, por último, un convertidor cuya función es extraer la máxima potencia de la placa.

Figura26:DiseñoenSIimulinkdeunpanelfotovoltaico.

En cuanto al contenido de esta sección primero se hará una breve introducción sobre el esquema de simulación del inversor y su conexión a la red, así como una descripción general del control explicando el propósito de cada parte y el objetivo de las realimentaciones y transformaciones. Posteriormente se profundizará en él hablando sobre el PLL, y explicando los diferentes bloques. Por último, se justificarán los reguladores escogidos.

3.2. Inversor y conexión

Figura27:DiseñoenSimulinkdeuninversorconectadoalaRed.

3. Diseño del control


Se tienen a la entrada del inversor dos condensadores en paralelo al circuito y en serie entre ellos con una capacitancia de 𝐶 = 12𝑚𝐹 cada uno, lo que nos da una 𝐶hih = 6𝑚𝐹. A la salida del inversor se encuentra un bloque con las pérdidas del cableado (𝑅 =1,885×10`Z𝑦𝐿 = 250×10`p) y un filtro de pase bajo. A continuación, un transformador conectado en triángulo-estrella nos eleva la tensión para adaptarla a la de la red. Este posee unas pérdidas internas (𝑅a 𝑝𝑢 = 𝑅F 𝑝𝑢 = 0,001;𝐿a 𝑝𝑢 = 𝐿F 𝑝𝑢 = 0,03). Como se pude ver en el punto 3.3.1 la entrada del inversor se tiene una tensión 𝑉ABde 500V, que por lo que como se ha explicado previamente esto supone que el inversor pueda aportar unas tensiones línea-línea máxima y mínima de ±250𝑉 y como se ve en la figura en el transformador entran 260V, tensiones fase-neutro. Pasando 𝑉AB a fase neutro se obtendría la tensión máxima que se podría obtener:

𝑣AB,tu = 𝑚×𝑉AB,vv 3

2≈ 306𝑉

Por lo que la eficiencia del inversor es: 𝜀 = HyzJ

HIJ,{|×100 = Fp_

Z_p×100 = 85%

El bloque denominado B1 simplemente nos mide las corrientes y las tensiones de línea.

3.3. Control.

3.3.1. Descripción del control. El control se va a realizar con la magnitud de las distintas variables en pu para que sea uniforme. Por esto primero hay que elegir los valores nominales.

VALORES NOMINALES VARIABLE VALOR UNIDADES

𝑽𝒅𝒄,𝒏𝒐𝒎 500 V 𝑽𝒑𝒓𝒊𝒎,𝒏𝒐𝒎 25×10Z V 𝑽𝒔𝒆𝒄,𝒏𝒐𝒎 260 V 𝑰𝒑𝒓𝒊𝒎,𝒏𝒐𝒎 4 A 𝑰𝒔𝒆𝒄,𝒏𝒐𝒎 200 A 𝒁𝒃𝒂𝒔𝒆 0,676 W 𝑷𝒏𝒐𝒎 100×10Z VA 𝒇𝒏𝒐𝒎 60 Hz

Tabla1:Valoresnominales.

Los valores de las variables en negro se han elegido, mientras que las que están en naranja se han derivado de las siguientes ecuaciones:

𝐼�M�� = ��H��

𝑍SR�N =H��J�

��



Por lo tanto, las transformaciones para pasar a pu son:

VALORES EN PU

𝑽𝒅𝒄 1

𝑉AB,��

𝑽𝒑𝒓𝒊𝒎 3𝑉�M��,��× 2

𝑰𝒑𝒓𝒊𝒎 3

𝐼�M��,��× 2

𝑹𝒕𝒐𝒕 𝑅�MR�� + 𝑅�NMA/𝑍SR�N

𝑳𝒕𝒐𝒕 𝐿�MR�� +𝐿�NMA𝑍SR�N

×2𝜋𝑓��

𝑸 1

𝑃��

Tabla2:Transformacionesapu.

Además, hay que tener en cuenta que como la simulación se realiza en un dominio del tiempo discreto, hay que dar un valor al tiempo de muestreo (sample time) que, en este caso se ha decidido que sea 𝑇� = 10`¢ ya que se considera que, sin llegar a estar en un dominio continuo del tiempo, lo que enlentecía notablemente la simulación, es un tiempo suficientemente pequeño que hace que sea prácticamente continuo. Una vez que se tiene esto, se puede empezar a explicar el esquema del control. Lo primero que se hace es pasar las tensiones y las corrientes primarias a pu, se les realiza la transformación DQ y se conecta la tensión al PLL para sincronizarla y hacer cero la componente 𝑉b.

Figura28:DiseñoenSimulinkdelastransformacionesdelatensiónylaintensidadtrifásicaaDQyconexiónalPLL.

El resto del esquema de control sería el siguiente:

Figura29:DiseñoenSimulinkdelcontroldeuninversor.



Como se ve en el cuadrante superior izquierdo de la figura lo primero que se hace es comparar la tensión 𝑉AB medida con la de referencia (𝑉AB∗ = 500𝑉), así se consigue el error, que se pasa a pu y llega a un PI cuyo objetivo es que este error se haga 0. Esto se consigue controlando la componente 𝐼A de la corriente, por lo que del PI se obtiene una intensidad de referencia (𝐼A∗). El propósito de este regulador es el de mantener constante la tensión de entrada al inversor para poder aportar a la red la máxima potencia activa posible. Por otro lado, en el cuadrante inferior izquierdo lo que se hace es que se compara la potencia reactiva con la de referencia. La 𝑄∗ sería la que nos demandara la red, en este caso el valor va a ser introducido por nosotros a través de un escalón en 𝑡 =0.25𝑠𝑒𝑔, para dar tiempo a que se estabilice la simulación. El error obtenido se pasa a pu antes de llegar al PI cuya función es eliminar este error para que la potencia reactiva que se está produciendo sea la requerida.De la salida del PI se obtiene la componentede referencia q de la corriente (𝐼b∗). Una vez que se tiene 𝐼Ab∗ se llevan a los PI que se encargan el control en corriente que se encargan de ajustar la corriente a la necesaria para mantener constante 𝑉AB y para dar la 𝑄 demandada. Para esto se genera unas tensiones de refencia (𝑉Ab∗ ). Esto se suma al resto de tensiones según las siguientes ecuaciones obteniendo la tensión a la salida del inversor, de acuerdo a las siguientes ecuaciones.

𝑉A,��¦ = 𝑉A,�NA�AR + 𝐼A𝐿�� − 𝐼b𝑅�� + 𝑉A∗

𝑉b,��¦ = 𝑉b,�NA�AR + 𝐼A𝐿�� + 𝐼b𝑅�� + 𝑉b∗ Ahora,se introduce 𝑉Ab,��¦ junto con 𝜔𝑡 en otro bloque que se explicará después que nos da la tensión de referencia (𝑈RSB,MNO) que se quiere que el PWM nos module la tensión que queremos que sea generada por el inversor. Por último, 𝑈RSB,MNO llega al PWM, donde se generan los pulsos que controlan el inversor que cumpla con todas las caracterítica que han sido requeridas.

Figura30:DatosintroducidosenelescalóndeestradaQ*.



3.3.2. PLL. El PLL es un control de lazo cerrado que rastrea la fase y la frecuencia de una señal trifásica. Es un bloque ya definido dentro de Matlab. Y tiene la siguiente composición.

Figura31:EstructurainternadeunPLL.(Fuente:AyudadeMatlab)

Al bloque entra un vector con las tensiones de línea 𝑉R, 𝑉S𝑦𝑉B, a las que se las que se les realiza la transformación DQ utilizando la velocidad angular realimentada. Como el objetivo es que el vector tensión en DQ coincida con el eje d para que la componente q se haga cero, se desecha la primera componente, pues no nos interesa, lo que se quiere es que la segunda sea siempre cero. A continuación, se introduce la componente q junto con la frecuencia en un bloque MEAN. Este bloque calcula el valor medio de 𝑉b utilizando el promedio instantáneo de un ciclo de la frecuencia de la señal. Posteriormente un PDI mantiene la diferencia de fase en cero. La señal de salida del PDI, que corresponde a la velocidad angular, pasa por un filtro de pase bajo y se transforma a frecuencia, que se realimenta al bloque MEAN. De los parámetros que hay que introducir en el bloque PLL, se han dejado los predeterminados, es decir, un generador de 12 pulsos con 𝑓 = 33×60𝐻𝑧, aunque sí que ha variado el tiempo de muestreo. Por último, resulta interesante resaltar que hasta que el PWM no llega a rastrear adecuadamente 𝜔𝑡, se genera una gran inestabilidad en el control, aunque el tiempo que tarda en suceder esto es prácticamente despreciable pues de unos 0,045 segundos.

3.3.3. PWM. Del PWM ya se ha explicado su funcionamiento previamente, por lo que ahora simplemente se va a contar cuál es su función en el diseño, así como los parámetros que se le han introducido. EL PWM es necesario para modular la forma de la onda que genera el inversor, controlando así tanto su amplitud como su frecuencia. De los parámetros introducidos en este bloque únicamente se ha cambiado el tiempo de muestreo, el resto de datos son los que vienen predeterminados.



3.3.4. Generador de 𝑼𝒓𝒆𝒇. En este bloque lo que se pretende es realizar todas las operaciones necesarias para obtener las tensiones sinusoidales que se quiere después de haber atravesado todo el control. Lo que se encuentra dentro del bloque es lo siguiente:

Figura32:DIseñoenSimulinkdelbloquequegeneraUref.

Se realizará la explicación de izquierda a derecha. Primero lo que se hace es calcular la relación que existe entre las tensiones nominales de entrada y de salida del inversor. Se divide el vector 𝑉Ab entre esta relación para hacerlo unitario en relación a la nueva tensión nominal. Se separa la parte real de la imaginaria y se halla el módulo y el argumento. Se limita la salida del módulo de forma que 0 ≤ 𝑢 ≤ 1 para que no pueda pedir una tensión superior a la nominal. Analizando la rama inferior, se tiene el ángulo, al que se le suma los diferentes retrasos. El de la red (𝜔𝑡), el desfase de 120º entre 𝑉R, 𝑉S𝑦𝑉B y el retraso producido por el tiempo de muestreo. Así se halla el ángulo que deseado. Por último, se multiplica el módulo por el seno del ángulo, para obtener la variable compleja, obteniendo finalmente lo que se quería.

3.3.5. PIDs.

3.3.5.1. Control en corriente. Para el control en corriente se ha utilizado un PI con 𝑘� = 0,3 y 𝑘� = 20. Para elegir estos parámetros se ha seguido el método de la prueba y el error a partir de una hipótesis inicial. El control está diseñado para trabajar en por unidad.

𝐿𝑑𝑖A𝑑𝑡

= 𝑉AB → 𝐿𝑠𝑖A = 𝑉AB → 𝑖A =𝑉AB𝐿𝑠

⟹ 𝑖A = 𝑖A,�×200 = 𝑉AB,�×500𝐿𝑠

Para elegir el control se ha tenido en cuenta que la frecuencia del PWM que es 𝑓 =33×60 = 1980𝐻𝑧. Se estima que el ancho de banda tiene que ser al menos un 75% más lento, por lo que no puede superar los 495𝐻𝑍, que sería la primera hipótesis. A partir de este momento se fueron variando los datos hasta conseguir el control más estable.

𝐺 𝑠 =𝑖A,�𝑉AB,�

=500200𝐿𝑠

=250𝐿𝑠

𝑅 𝑠 = 0,3 +20𝑠

→ 𝐿 𝑠 = 𝐺 𝑠 ×𝑅 𝑠 =250𝐿𝑠

0,3 +20𝑠

Como se puede ver en el diagrama de Bode, el ancho de banda que se consigue con este control es de 330𝐻𝑧 aproximadamente, lo que entra dentro de las condiciones.



Figura33:DiagramadeBodedelcontrolencorriente.

3.3.5.2. Control de 𝑽𝒅𝒄.

Para el control de la tensión 𝑉AB se ha utilizado un PI con 𝑘� = 7 y 𝑘� = 800. El método seguido para hallarlo ha sido el mismo que en el anterior PI y al igual está diseñado para trabajar en pu.

𝐶𝑑𝑉AB𝑑𝑡

= 𝑖A → 𝐶𝑠𝑉AB = 𝑖A → 𝑉AB =𝑖A𝐶𝑠⟹ 𝑉AB = 𝑉AB,�×500 = 𝑖A,�×

200𝐿𝑠

Para elegir el control se ha tenido en cuenta que el ancho de banda del PI en corriente es de 330𝐻𝑧 y se quiere que PI en 𝑉AB sea un 75% más lento. Esto supone que el ancho de banda debería rondar los 82,5𝐻𝑧.

𝐺 𝑠 =𝑉AB,�𝑖A,�

=200500𝐶𝑠

=1

250𝐶𝑠

𝑅 𝑠 = 7 +800𝑠

→ 𝐿 𝑠 = 𝐺 𝑠 ×𝑅 𝑠 =1

250𝐶𝑠7 +

800𝑠



Figura34:DiagramadeBodedelcontroldeVdc.

Como se ha ver el ancho de banda resultante es de 76,6𝐻𝑧, lo que entra dentro de las limitaciones.

3.3.5.3. Control de Q. Para el control de la potencia reactiva 𝑄 se ha utilizado un PI con 𝑘� = 1 y 𝑘� = 150. El método seguido para hallarlo ha sido el mismo que en los anteriores PIs y al igual está diseñado para trabajar en pu.

𝐿𝑑𝑑𝑡

1 − 𝑖b ∗ 𝑖b = 𝑄 → −𝐿𝑠𝑖bF + 𝐿𝑠𝑖b = 𝑄 ⟹ 𝑄 = 𝑄�×10° = 𝑖b,�×200𝐿𝑠 Para elegir el control se ha tenido en cuenta que el ancho de banda del PI en corriente es de 330𝐻𝑧 y se quiere que PI de 𝑄 que sea un 75% más lento. Esto supone que el ancho de banda debería rondar los 82,5𝐻𝑧.

𝐺 𝑠 =𝑖b,�𝑄

=10°

200𝐿𝑠=500𝐿𝑠

𝑅 𝑠 = 1 +150𝑠

→ 𝐿 𝑠 = 𝐺 𝑠 ×𝑅 𝑠 =500𝐿𝑠

1 +150𝑠



Figura35:DiagramadeBodedelcontroldeQ.

Como se puede ver el ancho de banda resultante es de 45,7𝐻𝑧, lo que entra dentro de las condiciones.



4. Resultados.

4.1. Introducción. En este apartado se va analizar la calidad de el control en los diferentes requerimientos y objetivos que se establecieron al inicia de este trabajo. Por lo tanto, se comprobará que el funcionamiento de PLL es el adecuado, así como el de los diferentes controles, tanto el de corriente como el de 𝑉AB y 𝑄. El tiempo de simulación se ha puesto en 2,5 segundos.

4.2. Resultados. Como se ha explicado en la introducción, lo primero que se va a comprobar es que el PLL funcione de la manera adecuada. Esto quiere decir que 𝑉b tiene que ser igual a 0 y que toda la tensión estará dada por 𝑉A que, como consecuencia, tiene que valer 1 en pu.

Figura36:Gráficadewt(izquierda)ydeVdyVq(derecha)alasalidadelPLL

Para comprobar el buen funcionamiento de control en corriente, se pone una fuente de tensión continua de 500V a la entrada del inversor para sustituir el control de 𝑉AB se va a establecer unas intensidades que se quiere que el regulador mantenga constante. Se escoge 𝐼A = 0.5𝑝𝑢 e 𝐼b = 0𝑝𝑢.

Figura37:GráficacontroldeIdeIq.

4. Resultados


Para estudiar el funcionamiento de 𝑉AB se va a conectar el control de esta tensión, pero se sigue teniendo desconectado el control de la potencia reactiva, donde se pondrá una corriente constante de 𝐼b = 0𝑝𝑢. El valor resultante en la gráfica debería ser 500V.

Figura38:GráficacontroldeVdc.

Por último, se incorpora el control de la potencia alterna, poniendo como entrada un escalón 5000 VAr, que demandará esta cantidad en 0,25 segundos, como ya se explicó en la sección anterior. Para este ensayo se elimina el control de 𝑉Ab y se pone una fuente de tensión continua en su lugar.

Figura39:GráficacontroldeQ

Ahora que se ha comprobado que todos los controles funcionen correctamente se va a sacar los resultados de los objetivos que se enumeraron al inicio del trabajo. Algunos de ellos han sido ya demostrados al obtener las gráficas de los controladores. Haciendo repaso de los objetivos, se ha cubierto el control de la tensión 𝑉AB, el aporte de la potencia reactiva que nos solicite la red y el control en corriente. Únicamente nos falta comprobar que se está dando la máxima potencia activa que se pueda. Para esto se necesita ver cuál es la irradiación que le llega al panel, pues es en función de este parámetro que la potencia que se aporta será mayor o menor. A mayor irradiación mayor potencia y viceversa. Para esta simulación se pone la potencia reactiva en 0.



Figura40:RepresentaciónconjuntadelairradiaciónyVdc.

Figura41:GráficadeP.

Ahora que se ha comprobado el buen funcionamiento haciendo las simulaciones por separado, se van a realizar los dos ensayos de manera simultánea, y se verá si se ve afectada alguna de las variables de potencia o por el contrario se mantienen estable.

Figura42:GráficadePyQactuandoconjuntamente.

4. Resultados


Por último, vamos a ver las tensiones que estamos aportando a la red.

Figura43:GráficadetensiónaportadaalaRed.



5. Análisis de resultados y conclusiones. Se va comentar las diferentes conclusiones que se sacan de las simulaciones y se las gráficas que se han obtenido a partir de estas. Como rasgo general se puede ver que al inicio de todas las gráficas se encuentra una cierta inestabilidad que viene dada por el arranque de la simulación, hasta que el PLL sigue adecuadamente la frecuencia de la onda. La estabilidad y por tanto el estudio de las gráficas se hará a partir de 𝑡 = 0,1𝑠𝑒𝑔. Como se puede comprobar el funcionamiento del PLL es bastante bueno, sigue un ciclo constante con un ciclo de 0,24 segundos. Además, sincroniza bien la variable 𝑉b para que sea 0, haciendo a su vez que 𝑉A sea siempre igual a 1. Seguimos con el funcionamiento de los PIDs. Primero, el control en corriente se ve que es bueno, se tiene un error en el control de 𝑖A del 6%, y el de 𝑖b es algo superior en torno al 7%. También hay que resaltar que este error es relativamente grande porque las magnitudes son muy pequeñas. En cuando al control de 𝑉AB, aunque simple vista parece que empeore realmente el error disminuye, por lo que este control se podría considerar como bastante bueno. El error es de un 0,6%. Del PI que controla 𝑄 hablaremos más adelante, en el ensayo de potencia reactiva. Para evaluar la potencia activa que se aporta se tiene que tener muy en cuenta la irradiación. Cuando mayor sea la irradiación que llega al panel mayor debe ser la potencia que se aporta a la red. Su relación se establece a través de una constante 𝑘.

𝑃 = 𝑘×𝐼𝑟 → 𝑘 ≈ 100 Como se puede comprobar en las gráficas comparativas de la irradiación y de la potencia el control es bastante bueno, ya que ambas siguen la misma secuencia en casi todo momento. El seguimiento es muy estable y apenas presenta picos de variaciones. Además, también se comprueba que la tensión 𝑉AB se mantiene constante, aunque se varíe la irradiación, el cual, era el objetivo que se buscaba. En cuanto al control de la potencia reactiva se podría decir que es bastante bueno, y aunque presenta unos picos de variación mayores que los del control de potencia activa, siguen siento prácticamente nulos, son despreciables. Este error que estamos comentando es de un 2,5% aproximadamente. Cuando se realizan los dos ensayos de forma simultánea vemos que no existe ningún tipo de variación, lo que demuestra la calidad del control que se ha realizado. Por último, el buen funcionamiento de el control también está marcado por las formas de onda de las tensiones que aportamos a la red que como vemos son totalmente sinusoidales, desfasadas perfectamente 120º y libres de armónicos.

5. Análisis de resultados y conclusiones




6. Líneas futuras. En este trabajo se ha desarrollado la simulación y el control de un inversor de potencia conectado a red. Esto es meramente un diseño y faltan muchos pasos para poder ser utilizado de forma real. Se proponen a continuación una serie de mejoras sobre el diseño del control del inversor:

• Control de la potencia activa: se refiere a aportar a la red la potencia activa que esta demande y no sólo la máxima que podamos. Hay veces en que la Red está saturada y no admite más potencia, por lo que sería una mejora interesante poder regular la potencia aportada.

• Ensayo en vacío y cortocircuito: se quiere comprobar cómo se comporta el

inversor ante un pico de corriente o de tensión.

• Estudio térmico del inversor: se requiere el estudio sobre el calentamiento del inversor al trabajar a mayores y menores corriente. Es decir, el comportamiento al trabajar en corrientes superiores a la nominal.

• Estudio sobre el dimensionamiento del inversor: para traspasar este diseño a la

realidad necesitamos dimensionar el inversor en base a las variables y los requerimientos impuestos.

Más allá de estas mejoras y estudios del diseño, se podría realizar un prototipo del inversor y del control y comprobar su aplicación práctica. Ver si los resultados son los esperados y son acordes a los de la simulación.

7. Bibliografía




7. Bibliografía.

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deenergía.LaTercera.

7. Bibliografía




8. Planificación temporal. La realización de este trabajo se ha producido de acorde a la planificación que se muestra en el diagrama Gantt. El proyecto se inició en septiembre de 2017, con un estudio teórico sobre lo que iba a ser el Trabajo de Fin de Grado. Primero se realizó un curso sobre electrónica de potencia para introducirnos en el funcionamiento de estos aparatos. En segundo lugar, se realizó la lectura de del libro “Grid converters for photovoltaic and wind power systems”, dónde se estudiaron las bases sobre el control de los inversores. Después se comenzó a desarrollar la simulación en el programa Simulink de Matlab. Esta ha sido la etapa que más tiempo ha llevado y consistía en realizar todo el diseño de la conexión de la placa a la Red a través de un inversor y el control de este. Por último, se obtuvieron los resultados queridos, que se analizaron y procedió a la redacción de la memoria.

8. Planificación temporal


Figura44:Gantt.



9. Presupuesto. El presupuesto que se ha utilizado para este proyecto se puede dividir en dos partes:

• Coste de los equipos físicos y del software: no se ha adquirido ningún equipo ni se ha comprado ningún software por lo que el coste es de 0€.

• Coste de trabajadores: hay que considerar las horas dedicadas por el alumno y

por el tutor

Númerodehoras Costeporhora CostetotalAlumno 350 15 5250€Tutor 15 43 645€

5895€Tabla3:Presupuesto.

Por lo tanto, el coste total del proyecto ha sido de 5890€.

9. Presupuesto




10. Índice de figuras. Figura1:DiseñoenSimulinkdeuninversordepotenciatrifásico..................................6Figura2:Gráficadelatensióndeentradaalinversor.....................................................7Figura3:RepresentaciónconjuntadelairradiaciónyVdc..............................................8Figura4:Gráficadelapotenciaactiva.............................................................................8Figura5:GráficacontroldeQ..........................................................................................9Figura6:PrimersatélitegeoestacionarioSyncom3(Fuente:Aeroflap).......................11Figura7:Inversorrotativotrifásico(Fuente:Readtiger)................................................12Figura8:Inversorestáticomonofásico(superior)ytrifásico(inferior)(Fuente:Yubasolar)......................................................................................................................12Figura9:Consumoenergéticoanivelmundialytipodeenergía.(Fuente:SPIEGELONLINE)..........................................................................................................................13Figura10:Evoluciónmundialdelospreciosen€/Wpportecnología.(FuenteUNED).14Figura11:Evolucióndelasinstalacionesfotovoltaicasmundialesanuales.(Fuente:UNEF).............................................................................................................................15Figura12:IncidenciadelaradiaciónsolarenEuropa.(Fuente:UNEF).........................15Figura13:PuestosdetrabajodirectosdelaenergíasolarenEspaña.(Fuente:UNEF).16Figura14:Elementosnecesariosparaladistribucióneléctrica.(Fuente:EnergíasrenovablesyDesarrollosostenibleenBolivia)...............................................................16Figura15:Estructurainternadeuninversor.(Fuente:Automáticaeinstrumentación)........................................................................................................................................19Figura16:Señalesqueentran(superior)ysalen(inferior)deunPWM.(Fuente:AyudaMatlab)...........................................................................................................................20Figura17:Tensioneseintensidadesdeunsistematrifásico.(Fuente:Sistemastrifásicos.Proyecto987).................................................................................................20Figura18:Diagramavectorialdetensioneseintensidadesparaunsistemadecargasequilibradasconectadasenestrella.(Fuente:Sistemastrifásicos.Proyecto987).........21

10. Índice de figuras


Figura14:Vectorestensióneintensidad.......................................................................21Figura20:Proyeccióndelvectorintensidadenelplanoayb.(Fuente:AyudaMatlab)........................................................................................................................................22Figura21:Proyeccióndelvectortensiónenelplanoayb.(Fuente:AyudaMatlab)...23Figura22:Vectortensióneintensidadenelsistemaab.(Fuente:AyudadeMatlab)..23Figura23:ProyeccióndelvectorintensidadenelplanoDyQ.(Fuente:AyudaMatlab)........................................................................................................................................24Figura24:ProyeccióndelvectortensiónenelplanoDyQ.(Fuente:AyudaMatlab)...25Figura25:Figura17:VectortensióneintensidadenelsistemaDQ.(Fuente:AyudadeMatlab)...........................................................................................................................26Figura26:DiseñoenSIimulinkdeunpanelfotovoltaico...............................................27Figura27:DiseñoenSimulinkdeuninversorconectadoalaRed.................................27Figura28:DiseñoenSimulinkdelastransformacionesdelatensiónylaintensidadtrifásicaaDQyconexiónalPLL......................................................................................29Figura29:DiseñoenSimulinkdelcontroldeuninversor..............................................29Figura25:DatosintroducidosenelescalóndeestradaQ*...........................................30Figura31:EstructurainternadeunPLL.(Fuente:AyudadeMatlab)............................31Figura32:DIseñoenSimulinkdelbloquequegeneraUref...........................................32Figura33:DiagramadeBodedelcontrolencorriente..................................................33Figura34:DiagramadeBodedelcontroldeVdc...........................................................34Figura35:DiagramadeBodedelcontroldeQ..............................................................35Figura36:Gráficadewt(izquierda)ydeVdyVq(derecha)alasalidadelPLL.............37Figura37:GráficacontroldeIdeIq...............................................................................37Figura38:GráficacontroldeVdc...................................................................................38Figura41:GráficadeP...................................................................................................39



Figura42:GráficadePyQactuandoconjuntamente...................................................39Figura43:GráficadetensiónaportadaalaRed............................................................40Figura44:Gantt..............................................................................................................48

10. Índice de figuras




11. Índice de tablas. Tabla1:Valoresnominales............................................................................................28Tabla2:Transformacionesapu.....................................................................................29Tabla3:Presupuesto......................................................................................................49

12. Índice de tablas




12. Abreviaturas y símbolos C:capacitancia(F)CA:corrientealternaCos:cosenoCC:corrientecontinuaFC:frecuenciadeconmutación𝑖RSB:vectorintensidadencoordenadasabc(A)𝑖]^_:vectorintensidadencoordenadasab(A)𝐼A:primeracomponentedelvector𝐼Ab (A)𝐼��:intensidadnominal(A)𝐼b:segundacomponentedelvector𝐼Ab (A)𝐼Ab:vectorintensidadencoordenadasDQ(A)𝑖Ab∗ :vectorintensidaddereferenciaencoordenadasDQ(A)𝐼�M��:intensidadenelprimario(A)L:inductancia(H)𝑃:potenciaactiva(W)𝑃��:potenciaactivanominal(W)PI:controladorproporcionalintegralPDI:controladorproporcionalintegradorderivativoPLL:lazodeseguimientodefasePu:porunidadPWM:modulacióndelanchodepulso𝑄:potenciareactiva(VAr)

13. Abreviaturas y símbolos


𝑄��:potenciaradiactivanominal(VAr)R:resistencia(ohm)Sin:seno𝑇�:tiempodemuestreo(s)𝑈MNO:tensióndereferencia(V)𝑣RSB:vectortensiónencoordenadasabc(V)𝑣]^_:vectortensiónencoordenadasab(V)𝑉A:primeracomponentedelvector𝑉Ab (V)𝑉AB:tensiónalaentradadelinversor(V)𝑉��:tensiónnominal(V)𝑉b:segundacomponentedelvector𝑉Ab (V)𝑉Ab:vectortensiónencoordenadasDQ(V)𝑉Ab∗ :vectortensióndereferenciaencoordenadasDQ(V)𝜔:velocidadangular(rad/s)𝑉�M��:tensiónenelprimario(V)

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