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Bogotá, marzo de 2018

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELÉCTRICA

Proyecto de Grado

SIMULACIÓN DE SISTEMAS HÍBRIDOS DE

ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA APLICADOS

EN MICRORREDES ELÉCTRICAS

Autores:

Luis Carlos Hernández Tocora

Juan Sebastián Rojas Martínez

Dirigido por:

PhD. Cesar Leonardo Trujillo

Rodríguez

Codirigido por:

MSc. Eider Alexander Narváez

Cubillos

SIMULACIÓN DE SISTEMAS HÍBRIDOS DE

ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA APLICADOS EN

MICRORREDES ELÉCTRICAS

Documento presentado como requisito para optar por el título de:

Ingeniero Eléctrico

Luis Carlos Hernández Tocora

Cód. 20111007032

Juan Sebastián Rojas Martínez

Cód. 20102007022

Director:

PhD. César Leonardo Trujillo Rodríguez

Profesor Titular, Facultad de Ingeniería

Codirector: MSc. Eider Alexander Narváez Cubillos

Profesor Asociado, Facultad de Ingeniería

Laboratorio de Investigación en Fuentes Alternativas de Energía

Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Facultad de Ingeniería

Ingeniería Eléctrica

Bogotá

2018

Resumen

El uso de elementos almacenadores de energía ha venido tomando fuerza en la

parte de generación de energía, debido a que las fuentes no convencionales que se

tienen actualmente tienen el problema de ser fuentes intermitentes; es ahí donde

los dispositivos de almacenamiento de energía entran a desempeñar un papel

fundamental ya que estos tienen la capacidad de almacenar energía con un nivel

relativamente bajo en pérdidas para posterior a esto entregar energía de manera

constante cuando se requiera. Este tipo de dispositivos tienen ciertas características

que hacen que se puedan utilizar según la necesidad que se tenga, debido a que

algunos tienen la cualidad de tener gran densidad de potencia y otros gran densidad

de energía, estos términos se vuelven importantes a la hora de suministrar energía,

puesto que al tener una carga que varíe drásticamente lo que se requiere es un

elemento almacenador que tenga buena densidad de energía, de modo contrario,

cuando se tiene una carga constante lo que se necesita es un elemento

almacenador con gran densidad de potencia. De acuerdo a las características que

tienen los elementos almacenadores de energía se vuelve necesario buscar

sistemas que contemplen el uso de más de un dispositivo de almacenamiento para

aprovechar mejor sus características y de esta forma obtener un mejor rendimiento

al momento de suministrar energía.

El desarrollo de este trabajo busca mostrar a través de simulaciones el

comportamiento de las diferentes topologías de los Sistemas Híbridos de

Almacenamiento de Energía y de los elementos que las componen, por lo cual se

utilizó un programa especializado en simulaciones de sistemas electrónicos de

potencia, con el fin de observar las diferentes respuestas deseadas para

posteriormente realizar un análisis acorde con los objetivos planteados.

El documento está compuesto por un número de capítulos en los cuales se tratan

los diferentes temas del proyecto de investigación; en el primer capítulo se explica

de manera general el tema a desarrollar y se describen los objetivos que se buscan

con el desarrollo del proyecto, en el capítulo dos se realiza una recopilación de

información acerca de los componentes de los sistemas híbridos de

almacenamiento de energía, el capítulo tres hace referencia a los modelos

seleccionados de los dispositivos de almacenamiento de energía (Batería-

Ultracapacitor), el capítulo cuatro se centra en el convertidor DC/DC seleccionado

para desarrollar las respectivas simulaciones, en el capítulo cinco se destacan las

principales características de las topologías seleccionadas de los SHAE’s, en el

capítulo seis se realizan las respectivas simulaciones de los dispositivos de

almacenamiento y de las topologías seleccionas, en las cuales se realiza su

respectivo análisis. Por último, en el séptimo capítulo se presentan las conclusiones

generales del proyecto.

Abstract

The use of energy storage elements has been gaining strength in the generation of

energy, because the unconventional sources that are currently have the problem of

being intermittent sources; this is where the energy storage devices play a

fundamental role since they have the capacity to store energy with a relatively low

level of losses, in order to deliver energy constantly when required. This type of

devices has certain characteristics that make it possible to use them according to

the need one has, because some have the quality of having a high power density

and other high energy density, these terms become important when it comes to

supplying energy, since to have a load that drastically varies what is required is a

storage element that has good energy density, contrarily, when you have a constant

load what is needed is a storage element with high power density. According to the

characteristics of the energy storage elements it is necessary to look for systems

that contemplate the use of more than one storage device in order to take better

advantage of their characteristics and thus obtain a better performance when

supplying energy.

The development of this work seeks to show through simulations the behavior of the

different topologies of the Hybrid Energy Storage Systems and the elements that

compose them, for which a specialized program in simulations of electronic power

systems was used, with in order to observe the different answers desired, in order

to subsequently carry out an analysis in accordance with the objectives set.

The document is composed number chapters in which the different topics of the

research project are discussed; In the first chapter the subject to be developed is

explained in a general way and the objectives that are sought with the development

of the project are described, in chapter two a compilation of information about the

components of the hybrid systems of energy storage is made, chapter three refers

to the selected models of energy storage devices (Battery-Ultracapacitor), chapter

four focuses on the selected DC/DC converter to develop the respective simulations,

chapter five highlights the main characteristics of the selected topologies of the

SHAE's, in chapter six, the respective simulations of the storage devices and the

selected topologies are carried out, in which the respective analysis is carried out.

Finally, the seven chapter presents the general conclusions of the project.

Mención

Este proyecto de grado está vinculado al proyecto de investigación "Cargador de

baterías de mediana y baja capacidad con baja distorsión armónica en corriente,

elevado factor de potencia y alta eficiencia para vehículos eléctricos" financiado por

el Fondo Nacional para la financiación de la ciencia, la tecnología y la innovación

"Fondo Francisco José de Caldas" del Departamento Administrativo de Ciencia,

Tecnología e innovación - COLCIENCIAS (Contrato: FP44842 - 031 2016)."

Agradecimientos

A el Ingeniero Cesar Leonardo Trujillo, nuestro director, por todo su esfuerzo,

dedicación, apoyo, por brindarnos el mayor conocimiento posible y por su

paciencia durante este tiempo.

A el Ingeniero Eider Alexander Narváez, nuestro Codirector, quien fue el

impulsor de este proyecto, a quien agradecemos el apoyo, la dedicación y el

conocimiento brindado.

A nuestros padres que durante todos estos meses nos apoyaron, nos

brindaron una mano en cada momento y que siempre creyeron en nosotros

a pesar de las adversidades que se pudieran presentar.

Abreviaturas

Abreviatura Término

A AC ACC

Amplitud de la zona exponencial Corriente Alterna (Average Current Control) Control de Corriente Media

B BSHS β

Constante de tiempo inverso - Zona exponencial (Battery Supercapacitor Hybrid Storage) Almacenamiento híbrido entre batería y ultracapacitor Ganancia del sensor de tensión

DC (Direct Current) Corriente Directa

E0 Tensión constante de la batería

I I*

Corriente de la batería Corriente filtrada

K Ki Kp

Constante de polarización o Resistencia de polarización Constante Integral Regulador PI Constante Proporcional Regulador PI

LIFAE Li-Ion

Laboratorio de Investigación de Fuentes Alternativas de Energía Ion de Litio

MCC MCD

Modo de Conducción Continua Modo de Conducción Discontinua

PM PWM Plo-Aci

Margen de Fase (Pulse With Modulator) Modulador de Ancho de Pulso Plomo Acido

Q Capacidad de la batería

R Req

Rpa

Resistencia Interna Resistencia Equivalente Resistencia en Paralelo

SAE SHAE SOC

Sistema de Almacenamiento de Energía Sistema Hibrido de Almacenamiento de Energía (State Of Charge) Estado de Carga de Baterías

UC Ultracapacitor

Vbatt VE

Tensión de la batería Vehículo Eléctrico

Contenido

Lista de Figuras ..................................................................................................... X

Lista de Tablas ..................................................................................................... XII

1. Problema de Investigación y Objetivos ....................................................... 1

1.1. Problema de Investigación ........................................................................ 1

1.1.1. Planteamiento del Problema .................................................................. 1

1.2. Objetivos ................................................................................................... 2

1.2.1. Objetivo General .................................................................................... 2

1.2.2. Objetivos Específicos ............................................................................. 2

2. Estado de la Técnica ..................................................................................... 3

2.1. Sistemas Híbridos de Almacenamiento de Energía................................... 3

2.1.1. Convertidores DC-DC ............................................................................ 5

2.1.1.1. Modelado de Convertidores Conmutados ............................................ 10

Modelado en Pequeña Señal .................................................................. 11

2.1.1.2. Programa de Simulación PSIM ............................................................ 12

2.1.1.3. Control de Convertidores Conmutados ................................................ 13

2.1.2. Elementos Almacenadores de Energía ................................................ 15

2.1.2.1. Batería ................................................................................................. 16

2.1.2.2. Ultracapacitor ....................................................................................... 16

2.2. Microrredes Eléctricas ............................................................................. 17

3. Baterías y Ultracapacitores......................................................................... 19

3.1. Batería .................................................................................................... 19

3.1.1. Modelo de Batería................................................................................ 19

3.2. Ultracapacitor .......................................................................................... 23

3.2.1. Modelo del UC ..................................................................................... 24

3.3. Conclusiones del Capitulo ....................................................................... 27

4. Convertidor DC/DC Half_Bridge ................................................................. 28

4.1. Modelo eléctrico del convertidor half-bridge ............................................ 28

4.1.1. Modo Reductor .................................................................................... 29

4.1.2. Modo Elevador ..................................................................................... 30


5. Topologías de Sistemas Híbridos de Almacenamiento de Energía (SHAE)

33

5.1. Topología Pasiva ....................................................................................... 33

5.2. Topología Semi-Activa ............................................................................ 34

5.2.1. Topología semi-activa en paralelo ....................................................... 34

5.2.2. Topología semi-activa serie de la batería ............................................. 35

5.2.3. Topología semi-activa serie del ultracapacitor ..................................... 35

5.3. Topología Activa ..................................................................................... 36

5.3.1. Topología activa en paralelo ................................................................ 36

5.3.2. Topología activa serie de la batería ..................................................... 37

5.3.3. Topología activa en serie del ultracapacitor ......................................... 38


6. Simulaciones de los SHAE´s ...................................................................... 39

6.1. Variables de las topologías ..................................................................... 40

6.1.1. Modelo de la batería de plomo acido implementado en PSIM .............. 40

6.1.2. Modelo del ultracapacitor implementado en PSIM ............................... 41

6.1.3. Convertidor DC-DC .............................................................................. 42

6.1.4. Modelo de la carga pulsante ................................................................ 44

6.2. Simulación de las topologías Sistemas Híbridos de Almacenamiento de

Energía ............................................................................................................. 45

6.2.1. Topología Pasiva ................................................................................. 45

6.2.2. Topología Semi-Activa ......................................................................... 52

6.2.3. Topología Activa en Paralelo ............................................................... 56

6.2.4. Topología Activa serie del UC .............................................................. 60


7. Conclusiones ............................................................................................... 66

Referencias .......................................................................................................... 69

Lista de Figuras Pág.

Figura 1. Modelo Half-Bridge PWM. ..................................................................... 10

Figura 2. Interfaz gráfica Smartctrl de PSIM. ........................................................ 12

Figura 3. Conexión control de corriente media. .................................................... 14

Figura 4. Controlador tipo III. ................................................................................ 15

Figura 5. Comportamiento elementos de almacenamiento................................... 17

Figura 6. Topología de una microrred. ................................................................. 18

Figura 7. Modelo eléctrico de batería Plomo – Acido. .......................................... 20

Figura 8. Curva típica de descarga batería [41].................................................... 21

Figura 9. Modelo eléctrico ultracapacitor. ............................................................. 25

Figura 10. Ultracapacitor Model Tool. .................................................................. 25

Figura 11. Circuito de prueba UC. ........................................................................ 26

Figura 12. Respuesta circuito de prueba UC. ...................................................... 27

Figura 13. Convertidor half-bridge. ....................................................................... 28

Figura 14. Convertidor Half-Bridge – Modo reductor a) Q1-On, Q2-Off y b) Q1-Off,

Q2-Off. ................................................................................................................. 29

Figura 15. Convertidor Half-Bridge – Modo elevador a) Q1-On, Q2-Off y b) Q1-Off,

Q2-Off. ................................................................................................................. 31

Figura 16. Topología pasiva ................................................................................. 34

Figura 17. Topología semi-activa en paralelo. ..................................................... 34

Figura 18. Topología semi-activa serie de la batería. .......................................... 35

Figura 19. Topología semi-activa serie del ultracapacitor. .................................... 36

Figura 20. Topología activa en paralelo. .............................................................. 37

Figura 21. Topología activa serie de la batería..................................................... 37

Figura 22. Topología activa serie del ultracapacitor. ............................................ 38

Figura 23. Esquema prototipo microrred eléctrica Universidad Distrital. ............... 39

Figura 24. Modelo de la batería de plomo acido en PSIM a) Diagrama eléctrico y b)

Circuito de control. ............................................................................................... 40

Figura 25. Modelo de UC implementado a) Diagrama eléctrico y b) Circuito de

control. ................................................................................................................. 42

Figura 26. Modelo de convertidor DC-DC. ........................................................... 43

Figura 27. Circuito de control para los convertidores DC-DC. .............................. 43

Figura 28. Modelo carga pulsante. ....................................................................... 44

Figura 29. Topología pasiva sin ultracapacitor. .................................................... 45

Figura 30. Tensión en la carga y en la batería. .................................................... 46

Figura 31. Corriente en la carga y en la batería. .................................................. 47

Figura 32. Potencia en la carga y en la batería. ................................................... 47

Figura 33. Energía en la carga y en la batería...................................................... 48

Figura 34. Topología pasiva con ultracapacitor. ................................................... 49

Figura 35. Tensión en los elementos de la topología pasiva con UC. .................. 50

Figura 36. Corriente en los elementos de la topología pasiva con UC. ................ 50

X

Figura 37. Potencia en los elementos de la topología pasiva con UC. ................. 51

Figura 38. Energía en los elementos de la topología pasiva con UC. ................... 51

Figura 39. Topología semi-activa paralelo. ........................................................... 52

Figura 40. Tensión en los elementos de la topología semi-activa. ....................... 54

Figura 41. Corriente en los elementos de la topología semi-activa....................... 54

Figura 42. Potencia en los elementos de la topología semi-activa. ...................... 55

Figura 43. Energía en los elementos de la topología semi-activa. ........................ 55

Figura 44. Topología activa paralelo. ................................................................... 56

Figura 45. Tensión en los elementos de la topología activa paralelo.................... 58

Figura 46. Corriente en los elementos de la topología activa paralelo. ................. 59

Figura 47. Potencia en los elementos de la topología activa paralelo. ................. 59

Figura 48. Energía en los elementos de la topología activa en paralelo. .............. 60

Figura 49. Topología activa serie del UC. ............................................................ 60

Figura 50. Tensión en los elementos de la topología activa serie del ultracapacitor.

............................................................................................................................. 63

Figura 51. Corriente en los elementos de la topología activa serie del

ultracapacitor. ...................................................................................................... 63

Figura 52. Potencia en los elementos de la topología activa serie del

ultracapacitor. ...................................................................................................... 64

Figura 53. Energía en los elementos de la topología activa serie del ultracapacitor.

............................................................................................................................. 64

XI

Lista de Tablas Pág.

Tabla 1. Convertidores DC/DC clásicos. ................................................................ 6

Tabla 2. Características batería plomo – ácido. ................................................... 22

Tabla 3. Características ultracapacitor ................................................................. 24

Tabla 4. Resultados iteraciones cálculo UC. ........................................................ 26

Tabla 5. Parámetros de la batería empleados en el modelo de simulación .......... 41

Tabla 6. Parámetros del ultracapacitor. ................................................................ 42

Tabla 7. Parámetros de la carga pulsante. ........................................................... 44

Tabla 8. Parámetros Topología pasiva sin UC. .................................................... 46

Tabla 9. Parámetros Topología pasiva. ................................................................ 49

Tabla 10. Parámetros topología Semi-Activa. ...................................................... 53

Tabla 11. Parámetros del Convertidor DC-DC. .................................................... 53

Tabla 12. Parámetros Topología Activa Paralelo ................................................. 56

Tabla 13. Parámetros del Convertidor DC-DC serie de la batería. ....................... 57

Tabla 14. Parámetros del Convertidor DC-DC serie del UC. ................................ 57

Tabla 15. Parámetros filtro separación de componentes. ..................................... 57

Tabla 16. Parámetros Topología Activa Serie del UC. ......................................... 61

Tabla 17. Parámetros de diseño del convertidor DC-DC serie del UC. ................ 61

Tabla 18. Parámetros de diseño del convertidor DC-DC carga. ........................... 62

Tabla 19. Parámetros filtro separador de componentes. ...................................... 62

XII

1

1. Problema de Investigación y Objetivos

1.1. Problema de Investigación

1.1.1. Planteamiento del Problema

Los sistemas híbridos de almacenamiento de energía son aquellos que se apoyan

en dos o más elementos almacenadores de energía, entre los cuales se encuentran

baterías, ultracapacitores, volantes de inercia, entre otros, esto permite obtener el

mayor provecho de cada uno de los elementos almacenadores en el momento que

se requiera. Incorporar baterías y ultracapacitores en un sistema híbrido de

almacenamiento de energía resulta una combinación que ofrece un mejor

rendimiento de potencia y energía, debido a que estos elementos almacenadores

de energía tienen propiedades complementarias; donde las baterías permiten

almacenar cantidades considerables de energía con bajos niveles de potencia,

mientras que los ultracapacitores soportan grandes picos de potencia por poco

tiempo [1]. Dentro de las topologías de conexión que manejan los sistemas híbridos

de almacenamiento de energía se encuentran las topologías pasivas, semi-activas

y activas [2] las cuales están conformadas en su mayoría por baterías y

ultracapacitores con convertidores DC-DC. La disposición de estos elementos en

cada topología se realiza pensando en rendimiento, economía y dimensionamiento

del sistema de aplicación.

Los sistemas híbridos de almacenamiento de energía están teniendo gran

importancia dentro de las aplicaciones de vehículos eléctricos y microrredes

integradas al sistema eléctrico de potencia; en vehículos eléctricos estos sistemas

híbridos resultan ser de gran beneficio [3], debido a que el dimensionamiento de la

batería y el esfuerzo de corriente sobre ella se reduce considerablemente gracias a

la alta densidad de potencia que poseen los ultracapacitores. Lo anterior resulta

conveniente en momentos que hay que absorber o suplir de manera instantánea los

picos de potencia, además esta hibridación conlleva a una reducción de costos en

baterías, prolongación de la vida útil de la batería, menor uso de espacio y obtención

de un grado máximo de eficiencia del sistema [4] [5] [6].

La aplicación de los sistemas híbridos de almacenamiento de energía en

microrredes eléctricas se da como una necesidad para suplir los problemas de

estabilidad y calidad de energía que se crean por la intermitencia que presentan las

fuentes de energía renovable [7], además al combinar las propiedades de

funcionamiento de baterías y ultracapacitores en la microrred genera que la

demanda de energía ante las fluctuaciones del sistema se supla de manera continua

siempre y cuando se disponga de la energía, esto se traduce en una mejor eficiencia

global del sistema [8]. También en esta aplicación las ventajas de reducir costo en

2

baterías, aumento del ciclo útil de vida y el incremento de la eficiencia del sistema

híbrido son consideradas [9].

De acuerdo con el problema planteado, se hace necesario conocer la respuesta que

tienen las diferentes topologías de almacenamiento híbrido de energía frente a

variaciones de carga, es por esto; que a partir de herramientas de simulación como

lo es PSIM se realizarán las simulaciones de los sistemas híbridos con variaciones

de carga, con el fin de analizar la repuesta dinámica y el consumo de energía que

presenta cada caso de estudio.

1.2. Objetivos

1.2.1. Objetivo General

Determinar a partir de simulación, las características operativas de diferentes

topologías de sistemas híbridos de almacenamiento de energía conformados por

baterías y ultracapacitores, a partir de su conexión a una microrred eléctrica.

1.2.2. Objetivos Específicos

Realizar la selección de las topologías pasivas, semi-activas y activas que se

utilizan con mayor frecuencia dentro de los sistemas híbridos de

almacenamiento de energía para aplicaciones en microrredes eléctricas

integradas al SEP.

Analizar la respuesta dinámica y consumo de energía que presenta cada

topología para los diferentes casos de estudio propuestos (variaciones de

carga).

Comparar las diferentes respuestas obtenidas a partir de la simulación para

las distintas topologías de los sistemas de almacenamiento híbrido, abordadas

en el presente estudio, con el fin de identificar ventajas y desventajas.

3

2. Estado de la Técnica

El uso de fuentes de energía eléctrica no convencionales se ha instaurado como

una necesidad, y es que el uso de estas permite disminuir la generación de energía

a partir de recursos que tienen mayor impacto ambiental. Una de las desventajas

por las que se caracterizan las fuentes renovables de energía es por ser fuentes

intermitentes, es decir, que no logran generar energía en todo momento como es el

caso de la energía solar o la eólica, las cuales se presentan durante ciertos

intervalos de tiempo y de forma variante. A partir de ello se buscan diversas formas

de aprovechar de una forma adecuada la energía eléctrica que generan estas

fuentes, ya sea inyectándola directamente a la red o buscando dispositivos que la

puedan almacenar, para su uso posterior. Es por eso que, al no tener este tipo de

fuentes de manera constante, se plantean soluciones como el uso de elementos

almacenadores de energía, con el fin de que sean usados en los momentos en los

que no se cuenta con la disponibilidad del recurso renovable. Además, los sistemas

de generación mediante energías renovables que incorporan almacenamiento

permiten gestionar la energía generada por la fuente renovable de una forma

adecuada, aumentando la disponibilidad de estas, todo esto con el fin de que se

pueda lograr una gestión adecuada del recurso en el caso de que se incorpore a

una microrred [10].

2.1. Sistemas Híbridos de Almacenamiento de Energía

De acuerdo a lo expuesto anteriormente y a lo consultado en la literatura actual; es

posible encontrar diferentes documentos donde se han estudiado los Sistemas

Híbridos de Almacenamiento de Energía (SHAE´s) que incorporan baterías y

ultracapacitores, y en donde se destaca la clasificación de las topologías de

conexión entre los elementos almacenadores que conforman el sistema híbrido y

cómo estas configuraciones han sido analizadas en condiciones particulares de

carga, de tal forma que varios autores proponen casos de estudio entre topologías

con el fin de observar el comportamiento que tienen los componentes de cada una

de ellas.

Existen tres tipos de topologías de conexión de los SHAE´s, las cuales cada una se

establece como una mejora de la otra teniendo en cuenta el número de elementos

que lo componen [7] [9] [11]. La primera topología puesta en estudio es la topología

pasiva, la cual cuenta con el menor número de elementos, la siguiente es la

topología semi-activa, considerada una mejora de la topología pasiva al contar con

un elemento que permite controlar los niveles de tensión y de corriente; y por último

está la topología activa, la cual es considerada una mejora de las dos topologías

anteriores y contiene dos elementos que permiten controlar los niveles de tensión y

de corriente en cada uno de los elementos de almacenamiento [12] [13].

4

En el caso de los SHAE´s que utilizan baterías y ultracapacitores, en [2] se plantea

una metodología de diseño y caracterización dentro del sistema híbrido de

almacenamiento de energía, el cual se encuentra conectado a una carga de

corriente pulsante. En las topologías pasivas, semi-activa y activa en las cuales se

detallan una serie de sub-topologías de manera que para cada una de ellas se

muestra la respuesta que puede tener el sistema frente a la carga y como esta se

puede mejorar pasando de una topología a otra; por lo cual se comprende de

manera teórica la clasificación y caracterización de las topologías de conexión entre

baterías y ultracapacitores en un sistema híbrido frente a un escenario de carga

particular.

Un aspecto a tener en cuenta dentro de la aplicación de las topologías híbridas de

almacenamiento; es la eficiencia que pueden tener estas respecto a un sólo sistema

de baterías, por lo cual en [14] se analiza la eficiencia para dos tipos de

configuraciones, en la primera se tiene una batería como un único sistema, y en la

segunda una topología híbrida semi-activa de la batería. Este estudio logra

demostrar que, al variar la carga de corriente pulsante, la batería como un sólo

sistema, tiene una mayor eficiencia para valores iniciales de la carga. A su vez

cuando se incrementa la carga, la eficiencia para este sistema comienza a disminuir

considerablemente. Por otro lado, la topología híbrida semi-activa presenta una

eficiencia prácticamente constante frente a la variación de la carga pulsante y por

tanto un mejor rendimiento ante el aumento de carga respecto a la configuración

donde se encuentra exclusivamente la batería. El ultracapacitor ayuda a que las

variaciones de tensión y corriente en la batería no se efectúen de manera

instantánea, lo cual se traduce en la prolongación de la vida útil de la misma.

Dentro del estudio de las topologías de los SHAE´s en [15] se presenta la

comparación entre varias de ellas, haciendo énfasis en la respuesta que tiene cada

elemento del sistema frente a casos particulares de carga. Teniendo el análisis de

cada elemento y del sistema, allí se concluye que la topología semi-activa tiene un

mejor rendimiento respecto a la topología pasiva, y por último la batería en la

topología semi-activa no presenta magnitudes excesivas de corriente, lo cual

contribuye a la prolongación de la vida útil de este elemento lo que en definitiva se

convierte en un objetivo principal.

Respecto al estudio de las topologías híbridas en aplicaciones de vehículos

eléctricos, en [11] se realiza la comparación de tres configuraciones: 1) Sistema de

baterías enlazado a un DC-link mediante un convertidor DC-DC bidireccional, 2)

Topología hibrida semi-activa en paralelo; la cual conecta los elementos

almacenadores (batería, ultracapacitor) al DC-link por medio de un convertidor DC-

DC bidireccional, y la 3) Topología hibrida activa en paralelo; en ella se realiza la

conexión de la batería y ultracapacitor de manera independiente a un DC-link por

medio de convertidores DC-DC bidireccionales. En cuanto al análisis que se realiza

5

en el artículo para las tres configuraciones, se toma un intervalo de tiempo de 410

segundos en los cuales se observa la respuesta de tensión, corriente y potencia que

presenta la batería, ultracapacitor y DC-link en cada situación de estudio, por lo cual

se determina que la topología híbrida en paralelo podría ofrecer un mejor

rendimiento y además permitir aprovechar de una manera eficaz las características

de operación de la batería.

2.1.1. Convertidores DC-DC

Desde los comienzos del uso de la energía eléctrica se ha hecho necesario realizar

transformaciones a los niveles de tensión con el fin de que esta pueda ser

transportada o utilizada sobre elementos puntuales. En el caso de los sistemas

híbridos de almacenamiento de energía, específicamente en las topologías semi-

activa y activa se cuenta con uno (1) o más de los convertidores DC-DC, los cuales

se convierten en un valor agregado para conformar los sistemas de

almacenamiento, permitiendo incrementar y/o reducir los niveles de tensión.

En la actualidad, existen diferentes configuraciones de los convertidores DC-DC, los

cuales cumplen una misma función general y es la de modificar los niveles de

tensión, pero estas configuraciones se diferencian, ya que algunas cuentan con

mayor o menor número de elementos, lo cual sucede a partir del ámbito de

aplicación. En la Tabla 1 se muestra la clasificación de los convertidores

denominados clásicos incluidas sus derivaciones.

Los convertidores DC-DC son ampliamente utilizados en fuentes de alimentación

continúas conmutadas (generalmente con un transformador de aislamiento) y en

aplicaciones de accionamiento de motores [16]. El aislamiento implica el uso de un

transformador, el cual se ubica entre las dos etapas (aumento y/o reducción) con

las que cuenta el convertidor. Su funcionamiento se evidencia con mayor presencia

en el momento en el que el convertidor es conectado de manera directa a la red

eléctrica.

6

Tabla 1. Convertidores DC/DC clásicos.

Nombre Esquema Nivel

utilización Funcionamiento Características

Buck (

Reducto

r)

Baja

S1-ON: D1 se polariza en inversa. L1 recibe energía de la fuente. S1-OFF: D1 se polariza directo.

L1 Entrega energía a la carga.

Función de transferencia estática: 𝑉𝑜 = 𝑉1 ∗ 𝐷

Se utiliza con el fin de reducir la tensión de salida respecto a la tensión de entrada, conservando la misma polaridad entre la entrada y la salida. El ciclo de trabajo (D) normalmente comprende valores aprox. entre 0.1 y 0.9. La presencia de la inductancia hace que la corriente no pueda ser pulsante.

Boost

(Ele

vador)

Baja

S1-ON: L1 recibe energía de la fuente de

entrada. Tensión de salida Vo Mayor a la

tensión de entrada V1. D1 estará inversamente

polarizado. Tensión en el condensador Vc

suministrará corriente a la carga. S1-OFF: D1 conduce. L1 Entrega energía a la carga.

Función de transferencia estática:

𝑉𝑜 =𝑉1

1 − 𝐷

El propósito de este convertidor es tener un aumento en la tensión de salida respecto a la tensión de entrada. Debido a los pulsos de corriente suministrados al condensador, se tiende a tener un ruido alto en la salida. Al tener la inductancia L1 conectada directamente a la fuente V1, se genera un nivel bajo de ruido en la entrada, ya que la inductancia mantiene la variación de corriente de entrada sin pulsos.

7



Buck-B

oost

(Reducto

r-E

levador)

Baja

S1-ON: D1 polarizado en inversa. L1 recibe energía. Carga alimentada por el

condensador. S1-OFF: D1 polarizado directo.

L1 entrega energía. Función de transferencia estática:

𝑉𝑜 = −𝑉1 (𝐷

1 − 𝐷)

Este tipo de convertidor puede suministrar una tensión de salida que puede ser mayor o menor a la tensión de entrada en función del ciclo de trabajo D: -Si D > 0.5 la salida será mayor que la entrada. -Si D < 0.5 la salida será menor que la entrada. La polaridad de la tensión de salida tiene una particularidad, y es que es opuesta a la de la tensión de entrada.

Cük

Media

S1-ON: La corriente se eleva a través de

L1. Simultáneamente el voltaje del

capacitor C1, polariza de manera inversa D1.

El capacitor C1 descarga su energía en el circuito formado por C1, C2, R1 y L2.

S1-OFF: Se carga el capacitor C1 a partir

del suministro de entrada.

Energía almacenada en L2 se transfiere a la carga.

Función de transferencia estática:

𝑉𝑜 = −𝑉1 (𝐷

1 − 𝐷)

En este convertidor la magnitud de la tensión de salida puede ser mayor o menor a la de entrada y se tiene a la salida la polaridad invertida respecto a la entrada. El circuito tiene bajas perdidas de conmutación, y alta eficiencia. Se tiene que la corriente de la componente ondulatoria de C1 es alta, ya que C1 proporciona la transferencia de energía de la fuente a la carga.

8



Fly

back (

Retr

oceso)

Media

S1-ON: La inductancia de

magnetización Lm almacena energía.

No fluye corriente por el devanado secundario.

El diodo D1 queda polarizado en inversa.

S1-OFF: La energía almacenada en Lm

comienza a ser liberada. Fluye corriente en el secundario. Se polariza D1. Función de transferencia estática:

𝑉𝑜 = 𝑉𝑖 (𝐷

1 − 𝐷) (

𝑁1

𝑁2)

El convertidor flyback es un derivado de la topología buck-boost y comparten el mismo inconveniente: la energía es solo recogida desde la fuente durante el periodo de tiempo en estado ON del transistor MOSFET. Después, durante el periodo OFF, esta energía del devanado primario es enviada desde el inductor hacia la salida. Esta es una característica única de las topologías flyback y buck-boost. El transformador flyback no funciona como un transformador común, donde la corriente primaria y la secundaria fluyen al mismo tiempo, y solo una pequeña parte de esta energía es almacenada en el transformador (corriente de magnetización). Un transformador flyback se parece más a múltiples inductores en el mismo núcleo.

9



Half-B

ridge (

Med

io P

uente

)

Alta

Q1 – On y Q2 –Off Se considera que queda en

estado Boost, por lo que el convertidor eleva la tensión de entrada a un nivel de tensión superior.

Q1 – Off y Q2 –Off La tensión de entrada se reduce

a un nivel inferior, por lo cual este estado de funcionamiento es similar al del convertidor buck.

En el capítulo 4 se realiza el respectivo análisis matemático de este convertidor.

Es un convertidor bidireccional que presenta facilidades en aplicaciones más complejas de la electrónica de potencia. Se utiliza principalmente en aplicaciones que involucran vehículos eléctricos con el fin de aprovechar el freno regenerativo del mismo.

Fuente: Autores.

10

2.1.1.1. Modelado de Convertidores Conmutados

Existen diferentes técnicas de modelado para los convertidores conmutados más

populares, la idea básica de éstas técnicas es poder obtener una expresión lineal

invariante en el tiempo que describa el comportamiento no lineal de los

convertidores conmutados y de esta manera, desarrollar controladores que actúen

sobre diferentes parámetros del convertidor con el fin de modificar su operación [17].

A continuación, se presenta una descripción de algunas de las técnicas de

modelado de convertidores conmutados más populares.

Modelo del Conmutador Pulse Width Model (PWM)

La técnica del conmutador PWM sustituye los interruptores activo y pasivo de la

etapa de potencia en los convertidores, de esta forma la acción de conmutación de

los dispositivos semiconductores se modela a partir de la conexión de un

transformador con una relación de transformación determinada, una fuente de

corriente y una fuente de tensión [17] [18] [19]. Para el caso de un convertidor half-

bridge en modo elevador, la representación del PWM será de acuerdo a lo mostrado

en la Figura 1. Los términos de tensión (v), corriente (i) y ciclo de trabajo (d)

mostrados a continuación que se caracterizan por tener una simbolo (^ o ~) hacen

referencia a pequeñas variaciones de tensión, corriente o ciclo de trabajo

respectivamente en un determinado punto de operación.

Figura 1. Modelo Half-Bridge PWM.

De acuerdo con la figura, los terminales C, P y A hacen referencia a los puntos de

conexión común, pasivo y activo respectivamente. Para el análisis de gran señal del

modelo de la figura, la perturbación de pequeña señal se hace cero, obteniéndose

entonces que:

𝐼𝑎 = 𝐷𝐼𝑐 (1)

𝑉𝑐𝑝 = 𝐷𝑉𝑎𝑝 (2)

11

Por otra parte, el análisis en pequeña señal del modelo de la figura 1 se expresa:

𝑎 = 𝐷𝑐 + 𝐼𝐶 (3)

𝑣𝑐 = 𝐷𝑣𝑎 + 𝑉𝑎𝑝 (4)

Cuando se hace una sustitución punto a punto del modelo presentado en la Figura

1 por la red de conmutación de la etapa de potencia del convertidor, se obtiene una

red lineal invariante en el tiempo; de la cual pueden obtenerse las funciones de

transferencia relevantes para el diseño de los lazos de control del convertidor [20]

[21].

Modelado en Pequeña Señal

La técnica de modelado en pequeña señal se utiliza ampliamente para describir

fenómenos que son no lineales por medio de modelos matemáticos lineales que son

fáciles de manipular. El comportamiento dinámico de un convertidor conmutado

puede describirse en términos de variaciones de pequeña señal alrededor de un

punto de operación estable [22], las variables de interés como la tensión de salida,

el ciclo de trabajo, la corriente del inductor, pueden escribirse en términos de la

suma de una componente de estado estable y una componente de pequeña señal

de esta forma:

𝑣0 = 𝑣0 + 0 (5)

𝑑 = 𝐷 + (6)

𝑖𝑙 = 𝐼𝑙 + 𝑙𝑙 (7)

𝑣𝑠 = 𝑉𝑠 + 𝑠 (8)

Si para un convertidor conmutado, un ciclo de trabajo estable 𝐷 corresponde a una

tensión de salida 𝑉, se tiene que para pequeñas variaciones 𝑑 en el ciclo de trabajo

alrededor de este punto de equilibro inducirán pequeñas variaciones 𝑣 en la tensión

de salida. Asumiendo que tanto 𝑑 como 𝑣 son mucho más pequeñas que 𝐷 y 𝑉 las

variaciones en estos parámetros pueden calcularse mediante la linealización de la

curva. La pendiente de la curva característica control-tensión de salida linealizada

coincide con la pendiente de la curva en el punto de operación [23].

Las técnicas de promediado son ampliamente utilizadas para representar el

comportamiento en pequeña señal de convertidores conmutados en términos de un

conjunto de ecuaciones lineales invariantes en el tiempo y una función de ciclo de

trabajo [24] [25] [26]. Para que las técnicas de promediado sean válidas, se debe

asumir que las constantes de tiempo del convertidor son mucho más largas que el

periodo de conmutación. Si se cumple que:

12

0 ≪ 𝑉0 ≪ 𝐷 (𝑡) ≪ 𝑈 (𝑡) ≪ 𝑋 (9)

El producto de los términos de pequeña señal puede despreciarse. Adicionalmente,

mediante perturbación y linealización del modelo, los productos de funciones

temporales se eliminan de esta forma. El modelo describe la operación de un

convertidor conmutado en función de su estado mediante un conjunto de

ecuaciones algebraicas lineales.

2.1.1.2. Programa de Simulación PSIM

PSIM es un programa de simulación diseñado especialmente para desarrollar

problemas relacionados con la electrónica de potencia. Cuenta con una gran

variedad de funciones que permiten al usuario interactuar de diferentes maneras y

poder afrontar diferentes problemáticas.

Una de las herramientas con las que cuenta este programa, es conocida como

“Smartcrtl”, la cual permite realizar el diseño de los controladores para los

convertidores de potencia a partir de incluir los parámetros de diseño del

convertidor. En la Figura 2 se muestra la interfaz gráfica del “Smartcrtl”, en donde

se muestran los diagramas de bode de los controladores diseñados y en donde

también se obtienen parámetros de prueba.

Figura 2. Interfaz gráfica Smartctrl de PSIM.

Esta herramienta permite diseñar controladores con base a la medición de

corrientes o con base a la tensión de salida. La salida que muestra el simulador no

siempre es perfecta y es por esto que a veces es necesario realizar ajustes en

algunos de los parámetros. Sin embargo, es una herramienta de gran ayuda que

13

permite ganar tiempo y obtener un análisis más profundo en cuanto al diseño de los

controladores.

2.1.1.3. Control de Convertidores Conmutados

Cuando se diseña un controlador para un convertidor conmutado, principalmente,

lo que se desea es alterar los parámetros del sistema para obtener ciertas

características de rendimiento. Por esta razón es importante conocer la respuesta

de la planta (el convertidor) y la del lazo de realimentación antes de diseñar el

controlador [21] [23] [27].

En el caso de los controladores analógicos, estos se basan en el uso de

componentes discretos como resistencias, condensadores y amplificadores

operacionales, con el fin de compensar la respuesta en tensión o corriente de un

convertidor electrónico frente a cambios en la tensión de entrada o en la carga, se

pueden implementar dos modos de control, el control en modo tensión y el control

en modo corriente [26].

Los compensadores analógicos en modo tensión son conformados por un

amplificador operacional y una red RC, el compensador en adelanto, también

llamado compensador PD es ampliamente usado para mejorar el margen de

ganancia de un sistema con dos polos, el compensador PI o compensador en atraso

es usado para aumentar la ganancia a bajas frecuencias. El compensador PID

combinado o compensador tipo III se usa para obtener un ancho de banda amplio y

una alta ganancia DC para reducir el error en estado estable, cada una de las

configuraciones de este tipo de compensadores puede elegirse y modificarse

dependiendo de los requerimientos del proyecto, generalmente se hacen coincidir

los polos y los ceros de las funciones de transferencia tanto del compensador como

de la función de transferencia de la etapa de potencia, las ganancias de la red de

sensado de tensión y del modulador PWM se ajustan para estabilizar el lazo de

control en modo tensión [28].

Los sistemas de control realimentados para fuentes de alimentación, comparan la

tensión de salida con una tensión de referencia y convierten el error en un

determinado valor del ciclo de trabajo. Los convertidores DC/DC en este tipo de

aplicaciones permiten entregar la energía derivada de la fuente de tensión. Además

de esto, los convertidores admiten técnicas de control lineal con previa linealización

en torno a un punto de equilibrio estable [27] [29]. Teniendo en cuenta esto, a

continuación, se muestran los tipos de control mayormente comúnmente

implementados, el control en modo tensión, el control en modo corriente de pico y

el control modo corriente media.

14

Control modo tensión: Este tipo de control presenta entre otras las características

de realimentación a partir de la tensión de salida del convertidor, y menor

sensitividad al ruido de conmutación

Control modo corriente pico: Realimenta la tensión de salida y la corriente en la

bobina o en los interruptores, con lo cual este tipo de controladores necesita de

dos lazos de realimentación.

Dentro de las ventajas que tiene este tipo de controlador está la mejora de audio

susceptibilidad en lazo cerrado, genera protección frente a sobre corrientes

inherentes al control y permite colocar convertidores en paralelo, con lo cual se

adaptaría a varias de las topologías de los sistemas híbridos de almacenamiento

de energía.

Control modo corriente media (ACC): Al igual que el anterior tipo de control, el

control por corriente media también posee dos lazos de realimentación, uno a

partir de la tensión de salida y el otro a partir de la corriente sensada, ya sea en

la bobina o en el elemento semiconductor. En la Figura 3 se muestra un ejemplo

de conexión de un controlador ACC.

Figura 3. Conexión control de corriente media.

En general, sus características son muy similares al control de corriente pico, sin

embargo, el control ACC es menos sensitivo al ruido de conmutación en el sensado

de corriente, y por sus características de diseño y por el comportamiento de los

elementos del convertidor, este se ajusta como una fuente de corriente regulada.

15

Con respecto al control en modo tensión este presenta una mejora de audio

susceptibilidad en lazo cerrado [29].

Dentro del diseño de controladores por corriente media, se destacan diseños de

controladores tipo III [24] [30], los cuales se reflejan en la Figura 4 respectivamente.

Este tipo de controladores pueden ser diseñados a partir de ciertos parámetros o

pueden ser diseñados a través de programas de simulación, como es el caso de

este documento.

Figura 4. Controlador tipo III.

2.1.2. Elementos Almacenadores de Energía

Entre todas las tecnologías viables de almacenamiento de energía, las baterías son

las más desarrolladas y aplicadas, ya que otras están en fase de desarrollo o en

fase de demostración y tienen un largo camino antes de la producción en masa. Las

baterías recargables actualmente disponibles incluyen baterías de plomo-ácido,

baterías de níquel-cadmio, baterías de hidruro de níquel-metal, baterías de litio,

baterías redox de vanadio y baterías de sodio-sulfuro. Las baterías de plomo-ácido

son comúnmente usadas ya que su bajo costo y propiedades estables hacen que

se consideren las más adecuadas para aplicaciones de microrredes eléctricas [31].

Debido a las fluctuaciones significativas en la generación de energía y el consumo,

el funcionamiento de las baterías en microrredes eléctricas es bastante complicado.

El mantenimiento de la balanza de potencia provoca grandes fluctuaciones en las

corrientes de carga y descarga de la batería. Las altas fluctuaciones en las

corrientes de carga y descarga deterioran la batería y acortan su vida útil [31].

El almacenamiento híbrido entre baterías y ultracapacitores que en ingles se

denomina Battery supercapacitor hybrid storage (BSHS) combina la alta densidad

de potencia del ultracapacitor y la alta densidad de energía de baterías que se

pueden utilizar extensamente en muchas aplicaciones tales como vehículos

eléctricos y sistemas de energía renovable [32]. La investigación sobre BSHS [11]

[33] demuestra que el híbrido de ultracapacitor y baterías alcanza un tiempo de

16

funcionamiento más largo y una capacidad de potencia más alta en comparación

con una batería sola bajo condiciones de carga pulsada [31].

2.1.2.1. Batería

Es un dispositivo almacenador de energía eléctrica, el cual realiza este proceso

mediante el uso de elementos electroquímicos. Las baterías permiten almacenar

cantidades considerables de energía con bajos niveles de potencia. Las baterías y

sus prestaciones han vivido un importante desarrollo en los últimos tiempos,

motivado en gran medida, por el desarrollo de la telefonía móvil, así como la

investigación para hacer viables a los vehículos híbridos y eléctricos, cuya principal

limitación aún a día de hoy es el sistema de almacenamiento energético [34] [35]

[36]. Durante el almacenamiento de energía electroquímica en una batería, las inter-

conversiones químicas de los materiales de los electrodos se producen por lo

general con los cambios de fase simultáneos. Aunque los cambios globales de

energía pueden llevarse a cabo en una ruta termodinámica relativamente reversible,

los procesos de carga y descarga en una batería de almacenamiento a menudo

implican la reversibilidad en inter-conversiones de los elementos químicos de

electrodos-reactivos. En consecuencia, el ciclo de vida de las baterías suele ser

limitado, y varía con el tipo de batería [37].

La principal virtud de las baterías es la mayor densidad de energía que poseen

frente a muchos otros almacenadores, pero tienen ciertas desventajas o

restricciones. Una de ellas es la baja velocidad de carga y descarga permitida. Una

batería tiene restricciones de tiempos y corrientes de carga y descarga. Por su

naturaleza, no son dispositivos capaces de absorber grandes puntas de potencia en

las cargas ni proporcionarlas en las descargas sin que ello no repercuta

negativamente en su vida útil.

2.1.2.2. Ultracapacitor

Dispositivo de almacenamiento de energía que a partir de su diseño permite mejorar

la eficiencia, fiabilidad y la respuesta dinámica de los sistemas de almacenamiento

basados en baterías. Este dispositivo almacenador de energía tiene como principal

ventaja soportar grandes picos de potencia durante cortos periodos de tiempo. En

los ultracapacitores, se utilizan cargas separadas entre el electrodo y los iones del

electrolito, con lo cual se obtiene alta durabilidad, alta capacidad y un alto

rendimiento, presentándose así una diferencia entre este dispositivo de

almacenamiento y las baterías [2] [36]. Cuando se compara un ultracapacitor con

una batería, este tiene una densidad de potencia mayor que una batería, pero tiene

una densidad de energía significativamente baja en relación a una batería [37]; esto

se observa en la Figura 5.

17

Figura 5. Comportamiento elementos de almacenamiento.

Los materiales estudiados como electrodos para ultracapacitores son

principalmente de tres tipos: óxidos de metales de transición, polímetros

conductores y materiales de carbono activados [34].

2.2. Microrredes Eléctricas

Debido a los niveles de eficiencia presentados y al control sobre los flujos de

potencia activa y potencia reactiva en los sistemas eléctricos de potencia, las

microrredes se han convertido en una alternativa interesante para integrar

diferentes fuentes de generación de energía renovable [38]. El funcionamiento y

control de varias de las fuentes que la integran están basados en electrónica de

potencia, con lo que poseen la flexibilidad necesaria para garantizar la operación de

todo el sistema como un único. Este control flexible permite se conecte al sistema

eléctrico como una unidad controlable que puede abastecer las necesidades

aplicando criterios de fiabilidad y seguridad [39]. A partir de esto se presenta la

conexión de los sistemas híbridos de almacenamiento con las microrredes

eléctricas, y es que como se mencionó en numerales anteriores a este, los SHAE´s

tienen componentes electrónicos de potencia. Dentro de sus características la

microrred eléctrica puede tener tres estados de operación: en modo conexión a la

red, en modo isla y en modo transferencia. Este último hace referencia a que puede

pasar de un estado al otro sin ningún problema de acuerdo al sistema de gestión de

energía con el que cuente la microrred [31]. En la Figura 6 se muestra la topología

de una microrred en la cual están conectadas fuentes de energía renovable, el

SHAE y la red eléctrica. Las microrredes eléctricas pueden abarcar parte de un

sistema de distribución de energía eléctrica en media y/o baja tensión, monofásico

o trifásico [40].

18

Figura 6. Topología general de una microrred.

Con el fin de poder mantener niveles de potencia adecuados, el almacenamiento de

energía se hace necesario como un complemento a la microrred. En el caso de los

SHAE´s que implican el uso de ultracapacitores y baterías, se convierten en los más

comunes usados con microrredes eléctricas. Puntualmente en el caso de las

baterías, la de mayor uso como almacenamiento es la batería de plomo-ácido

debido a su bajo costo, sin embargo, pueden existir inconvenientes con la duración

de la vida útil de la batería debido a las grandes fluctuaciones de corrientes, por lo

que es allí donde debe cumplir su función el ultracapacitor, sirviendo como apoyo a

la batería y asumiendo esas fluctuaciones [31].

Se espera que, con el paso del tiempo, la evolución de los sistemas de

almacenamiento y el mayor control sobre las fuentes renovables de energía, la

implementación de microrredes a gran escala se lleve a cabo y de esta manera

pueda ser un soporte para los grandes sistemas eléctricos y a su vez esto genere

mayores posibilidades en el aumento de la distribución de energía.

19

3. Baterías y Ultracapacitores

Los dos elementos de almacenamiento de energía con mayor uso dentro de las

aplicaciones de los SHAE´s son las baterías y los ultracapacitores. En el caso de

las baterías estas poseen una resistencia interna mucho mayor que otros elementos

almacenadores, mientras que el ultracapacitor resulta siendo una especie de

complemento de las baterías al ampliar la vida útil de las mismas, permitiendo

generar ciertos beneficios eléctricos [3] [28].

Las diferentes topologías de sistemas híbridos de almacenamiento se diferencian

entre sí por la forma en que se realiza la conexión de los diferentes elementos que

lo componen; es por esto que el comportamiento de los elementos de

almacenamiento de energía puede variar, aumentando o reduciendo sus niveles de

eficiencia.

A continuación, se muestra la descripción de los modelos de los elementos

almacenadores de energía.

3.1. Batería

En la literatura se puede encontrar diferentes conceptos para modelar una batería;

dentro de los cuales se destacan aquellos modelos que se basan en lo experimental,

en la composición electroquímica y los circuitos eléctricos, de acuerdo a esto, se

tiene que el modelado experimental y electroquímico son dos opciones los cuales

tienen una particularidad y es que no tienen en cuenta el estado de carga del

conjunto de celdas que pueden llegar a conformar una batería [41], por tanto el

modelo basado en circuitos eléctricos es adecuado para representar las

características eléctricas que posee una batería, por tanto; se tienen modelos

sencillos que van desde una fuente de tensión ideal con una resistencia en serie

[42] a modelos más complejos que contemplan parámetros de tensión, corriente,

resistencia interna y estado de carga [43]. Debido a esto, se elige el modelo de

batería descrito en [41] el cual se explica en el siguiente numeral.

3.1.1. Modelo de Batería

En primera instancia cabe aclarar que el modelo descrito en [41] cuenta con una

serie de limitaciones y supuestos, dentro de las limitaciones se tiene:

El voltaje mínimo de la batería sin carga es 0 V y el voltaje máximo de la

batería no está limitada.

La capacidad mínima de la batería es 0 Ah y la máxima capacidad no está

limitada.

20

A continuación, se describen los supuestos del que parte este modelo de batería:

La resistencia interna de la batería es constante durante los procesos de

carga y descarga, y no cambia con la cantidad de corriente que circula desde

o hacia la batería.

El modelo no incluye efectos de degeneración.

Los parámetros del modelo se determinan a partir de la información obtenida

de las curvas de descarga del fabricante o de pruebas de descarga a

corriente constante y se asume que son los mismos para los procesos de

carga.

El efecto de autodescarga no se modela.

Teniendo en cuenta las consideraciones mencionadas al inicio de este numeral en

la Figura 7 se muestra el esquema eléctrico que resume el modelo de la batería.

Allí se observa una fuente controlada de tensión en serie con una resistencia la cual

representa la resistencia interna de la batería, además se tiene un sensor de

corriente el cual es el valor inicial para desencadenar una serie de operaciones con

el fin de obtener una tensión de salida. Este modelo viene configurado para entrar

en operación para cuatro (4) diferentes tipos de baterías, Plomo-Ácido, Níquel-

Metal, Níquel-Cadmio e Ion-Litio. Para efectos del desarrollo de este proyecto se

trabajará con el modelo de Plomo-Ácido, debido a que es la referencia que se tiene

en el laboratorio del grupo de investigación LIFAE.

Figura 7. Modelo eléctrico de batería Plomo – Acido.

La gran ventaja de este modelo está en que todos los parámetros pueden obtenerse

y ajustarse a partir de las curvas de descarga del fabricante de la batería o de la

información obtenida a partir de resultados experimentales de pruebas realizadas a

la batería [17]. Por tanto, es importante entender cómo se obtienen los valores de

las constantes (A, B, K, E0) que se deben ingresar al modelo de la batería para de

esta forma dar paso a la caracterización matemática.

21

En primera medida se tiene la constate A, la cual expresa la caída de tensión en la

zona exponencial, para entender mejor este fenómeno, en la Figura 8 se muestra

una curva típica de descarga en la cual se puede observar de mejor manera como

obtener el valor de A debido a que la expresión se denota en (10):

𝐴 = 𝐸𝐹𝑢𝑙𝑙 − 𝐸𝐸𝑥𝑝 (10)

Figura 8. Curva típica de descarga batería [41].

La constante B, describe la carga en el final de la zona exponencial y esta se obtiene

de acuerdo a (11):

𝐵 =3

𝑄𝐸𝑥𝑝 (11)

La constante K, tiene que ver con la tensión de polarización la cual se expresa en

(12):

𝐾 =(𝐸𝐹𝑢𝑙𝑙−𝐸𝑁𝑜𝑚+𝐴(𝑒𝑥𝑝(−𝐵∗𝑄𝑁𝑜𝑚)−1))∗(𝑄−𝑄𝑁𝑜𝑚)

𝑄𝑁𝑜𝑚 (12)

Por último, se tiene la constante de tensión E0, la cual se obtiene a partir de los

datos previamente hallados como se muestra en la expresión (13):

𝐸0 = 𝐸𝐹𝑢𝑙𝑙 + 𝐾 + 𝑅 ∗ 𝑖 − 𝐴 (13)

Teniendo las constantes calculadas, la caracterización matemática para el modelo

de batería de Plomo-Ácido se muestra a continuación:

La tensión de la batería en el instante de proceso de carga se representa a partir de

la ecuación (14), mientras que el proceso de descarga se establece a partir de la

ecuación (15).

22

𝑉𝑏𝑎𝑡𝑡 = 𝐸0 − 𝑅 ∗ 𝑖 − 𝐾 ∗𝑄

𝑖𝑡−0.1∗𝑄∗ 𝑖∗ − 𝐾 ∗

𝑄

𝑄−𝑖𝑡∗ 𝑖𝑡 + 𝐸(𝑡) (14)

𝑉𝑏𝑎𝑡𝑡 = 𝐸0 − 𝑅 ∗ 𝑖 − 𝐾 ∗𝑄

𝑄−𝑖𝑡∗ (𝑖𝑡 + 𝑖∗) + 𝐸(𝑡) (15)

En donde,

𝑉𝑏𝑎𝑡𝑡: Tensión de la batería [V]

𝐸0: Tensión constante de la batería [V]

𝐾: Polarización constante [V/(Ah)] o Resistencia de polarización [Ω]

𝑄: Capacidad de batería [Ah]

𝑖𝑡 = ∫ 𝑖 𝑑𝑡: Carga actual de la batería [Ah]

𝐴: Zona de amplitud exponencial [V]

𝐵: Constante de tiempo inverso - Zona exponencial [Ah]-1

𝑅: Resistencia interna [Ω]

𝑖: Corriente de la batería [A]

𝑖∗: Corriente filtrada [A]

𝐸(𝑡): Función no lineal que depende de su estado anterior. Se representa en

la ecuación (16).

𝐸(𝑡) = 𝐵 ∗ |𝑖(𝑡)| ∗ (−𝐸𝑥𝑝(𝑡) + 𝐴 ∗ 𝑢(𝑡)) (16)

En donde,

𝐸𝑥𝑝(𝑡): Zona de tensión exponencial [V]

𝑖(𝑡): Corriente de la bateria [A]

𝑢(𝑡): Modo de carga o descarga

Para el desarrollo de esta investigación se tomaron los parámetros eléctricos de la

batería cuya referencia es FL12650-M y que pertenece al Laboratorio de

Investigación de Fuentes Alternativas de Energía de la Universidad Distrital FJDC.

Los parámetros se presentan en la Tabla 2.

Tabla 2. Características batería plomo – ácido.

Modelo de Batería FL12650-M

Capacidad (25°c)

10hR(6.5A, 10.8V) 5hR(10.7A, 10.5V) 1hR(40.7A, 9.60V)

65Ah 53.5Ah 40.7Ah

Resistencia Interna

Carga Total a 25°C: Aprox. 7.5mOhms

Voltaje de Carga (25°C)

Float Use Ciclo de Uso

13.6-13.8(-20mV/°C)

14.4-14.7(-30mV/°C) Max. Corriente: 16.25 A

Fuente: Fulibattery – Autores.

23

3.2. Ultracapacitor

La estructura de los ultracapacitores (UC) consiste en dos electrodos separados por

una membrana porosa impregnada con un electrolito orgánico que actúa como

aislante y conductor iónico; esta estructura almacena carga eléctrica de forma

electroestática y electroquímica. Por otro lado, la relación entre el valor instantáneo

de la carga almacenada y el valor instantáneo de la tensión en los terminales de los

UC no es lineal debido a la pseudocapacidad1 derivada de los materiales y métodos

utilizados para su construcción [44] [45] [46].

Los fundamentos de un UC no son diferentes de los encontrados en un condensador

convencional. Un campo eléctrico se desarrolla entre dos electrodo-placas cargadas

eléctricamente. Una placa está cargada positivamente, la otra está cargada

negativamente. La diferencia de potencial V es directamente proporcional a la

distancia entre las placas d y la fuerza del campo eléctrico E, a través de la relación:

V = E * d. La relación entre la carga Q y la diferencia de potencial es la capacidad

del condensador:

𝐶 =𝑄

𝑉 (17)

En caso de ser necesario aumentar el nivel de tensión para el funcionamiento del

capacitor, es posible conectar capacitores en serie. Sin embargo, esto reduciría el

valor de la capacitancia equivalente (Cequ) en comparación con la capacitancia de

n capacitores individuales. Todo esto está dado por la expresión (18).

1

𝐶𝑒𝑞𝑢=

1

𝐶1+

1

𝐶2+

1

𝐶3+ ⋯ +

1

𝐶𝑛 (18)

Por otro lado, la cantidad de energía almacenada en este dispositivo está dada por

la expresión (19), la cual está dada en Julios.

∆𝐸 =1

2𝐶(𝑣12 − 𝑉2) (19)

Las principales dificultades que surgen a la hora de definir el modelo de circuito

equivalente de un UC son:

El número de ramas RC a considerar: se da una situación de compromiso entre

la complejidad del modelo y su grado de aproximación a la realidad.

Decidir si se consideran las capacidades de cada rama constantes o

dependientes de la tensión.

1 Pseudocapacidad: Los condensadores electroquímicos que combinan la formación de la doble capa

electroquímica y fenómenos pseudocapacitivos como mecanismos de almacenamiento de energía, se conocen generalmente como ultracapacitores rédox o pseudocondensadores.

24

Cómo estimar las constantes de tiempo de cada rama: se debe decidir la

velocidad de respuesta de cada una.

Cómo estimar los valores de cada condensador y resistencia de las ramas: en

principio la constante de tiempo de cada rama no tiene por qué estar únicamente

definida con la capacidad y resistencia de la misma. Una rama puede ser más

rápida porque su resistencia equivalente es menor o porque lo es su capacidad.

3.2.1. Modelo del UC

Los ultracapacitores se han utilizado dentro de diferentes aplicaciones, es por eso

que a partir de ello se han planteado diferentes modelos, algunos estudiados a partir

del dominio del tiempo y/o algunos estudiados en el dominio de la frecuencia. El

valor de la capacitancia de un UC depende del nivel de tensión, de la frecuencia y

de la temperatura, siendo este último un factor de gran importancia teniendo en

cuenta que no en todos los lugares del mundo se encuentra la misma variación

climatológica [47] [48]. Para el desarrollo de esta investigación se tomaron las

características eléctricas del modelo de UC BMOD0006 E160 B02, el cual pertenece

al grupo de investigación LIFAE. En la Tabla 3 se muestra las características del

ultracapacitor mencionado.

Tabla 3. Características ultracapacitor.

Capacitancia nominal 5.8 F Tensión nominal 160 V

ESR(DC) 220mΩ Corriente de cortocircuito (max) 670 A

Corriente de prueba 35 A Tensión Máxima 170 V

Corriente de fuga 25 mA Corriente Máxima 170 A

Número de celdas 60 Capacitancia por Celda 350 F

Fuente: Maxwell – Autores.

Teniendo en cuenta las características eléctricas mostradas y de acuerdo con la

investigación realizada, el modelo eléctrico del UC seleccionado se muestra en la

Figura 9. Este modelo es conocido como el modelo de circuito equivalente de

Zubieta y la aplicación que tiene dentro de la electrónica de potencia se explica en

[20] y [21]. Este modelo está compuesto eléctricamente por tres ramas RC

(resistencia en serie con capacitor) y una resistencia en paralelo a estas tres ramas.

25

Figura 9. Modelo eléctrico ultracapacitor.

De acuerdo a la Figura 9, la primera rama RC, la cual está compuesta por una

resistencia R en serie con dos capacitores en paralelo (Vi*kV) y (C0), modela la

respuesta temporal más rápida del ultracapacitor. Las siguientes dos ramas RC

representan el comportamiento a mediano plazo del elemento almacenador de

energía, mientras que la resistencia (R4) que se ubica más hacia la derecha del

modelo del elemento representa el modelo de perdidas debido a la auto-descarga

del ultracapacitor [49].

Teniendo en cuenta lo descrito dentro de este numeral y a partir de herramientas de

simulación contenidas dentro del paquete de PSIM, se realizaron pruebas con el fin

de determinar los parámetros del modelo mostrado en la Figura 9. La herramienta

“Ultracapacitor Model Tool” es la que permite obtener dichos parámetros a partir de

la inclusión de datos de entrada como la corriente de prueba, la tensión nominal y

la corriente de fuga. En la Figura 10 se muestra la prueba realizada de acuerdo con

los parámetros establecidos en la Tabla 3.

Figura 10. Ultracapacitor Model Tool.

La prueba realizada a través de la herramienta de PSIM se lleva a cabo por medio

de una serie de iteraciones, las cuales permiten obtener con el menor margen de

error posible los parámetros de las diferentes ramas del ultracapacitor. La

herramienta genera el gráfico de tensión con respecto al tiempo, a partir de una

26

serie de puntos determinados para la carga y descarga. Con la inclusión de los datos

de la corriente de prueba, la tensión nominal y la corriente de fuga tomados de la

hoja de especificaciones del UC, se da inicio al cálculo y este comienza con las

iteraciones. Los resultados obtenidos de dichas pruebas se muestran en la Tabla 4.

Tabla 4. Resultados iteraciones cálculo UC.

Parámetro

Número de Iteraciones

1 2 3 4 5 6

R1 (Ω) 0,21157 0,211557 0,211557 0,211557 0,211557 0,211557

C1 (F) 4,78102 5,04332 4,69277 4,75454 4,84537 4,83248

Kv (F/V) 0,014479

3 0,010477

7 0,017208

0,0166012

0,0142805

0,0143339

R2 (Ω) 1024 1654,55 317,485 3010,78 3070,43 583,424

C2 (F) 0,382482 0,467642 0,084660

3 0,320617 0,731855 0,268941

R3 (Ω) 1024 2612,35 2344,2 3061,22 867,514 2734,3

C3 (F) 0,382482 0,385867 1,10287 0,560223 0,269655 0,729117

R4 (Ω) 6400 6400 6400 6400 6400 6400

Error (%) - 1,62108 1,20064 0,967734 0,308086 0,270853

Iteración (s)

- 1 1 2 5 100

Fuente: Autores

A partir de la información mostrada en la Tabla 4, se toman los datos de la última

iteración hecha por el programa, la cual presenta el menor porcentaje de error y se

procede a validar la información obtenida a través de un circuito de prueba que se

muestra en la Figura 11.

Figura 11. Circuito de prueba UC.

27

El circuito de prueba fue tomado con base a [50], y al cual se le adecuaron los

parámetros del ultracapacitor seleccionado para este proyecto. La respuesta

obtenida a partir de dicho circuito de prueba se muestra en la Figura 12. Realizando

la comparación con la respuesta de la herramienta de PSIM mostrada en la Figura

10, se ve que el resultado se ajusta con los parámetros implementados dentro del

modelo eléctrico utilizado.

A partir de lo expuesto anteriormente, se decide implementar el modelo de la Figura

9 dentro de los sistemas híbridos de almacenamiento.

Figura 12. Respuesta circuito de prueba UC.

3.3. Conclusiones del Capítulo

A partir de la revisión en la literatura de los elementos de almacenamiento

utilizados en los SHAE´s se determinó que las baterías y los ultracapacitores

son los elementos de mayor implementación, por lo cual fueron los

seleccionados para el desarrollo del proyecto de investigación.

En cuanto al UC, se implementó el modelo de Zubieta teniendo en cuenta que

a diferencia de otros modelos el nivel del margen de error y de la

implementación del circuito es bajo, mientras que la estimación de los

parámetros tiene un nivel de desarrollo medio.

La gran ventaja del modelo de la batería implementada se centra en la facilidad

para la obtención de los parámetros a partir de las curvas de descarga del

fabricante de la batería. A su vez el modelo implementado permite que a partir

de una pequeña modificación en la expresión matemática de descarga se pueda

trabajar con baterías de diferentes compuestos químicos.

28

4. Convertidor DC/DC Half_Bridge

Los convertidores half-bridge o también conocidos como medio puente permiten

tener la característica de bidireccionalidad al contar con dos interruptores, esto

permite que dentro de un sistema se pueda reducir y/o elevar los niveles de tensión,

lo cual es muy importante para efectos de este proyecto en el cual se trabaja con

baterías y ultracapacitores, a diferentes niveles de tensión, para los cuales en algún

momento se estará gestionando el almacenamiento o entrega de energía. A su vez

este convertidor es uno de los que cuenta con menor número de elementos y su

valor de corriente eficaz es el mínimo de las diferentes topologías bidireccionales

con un mismo nivel de tensión de entrada [51].Por lo anterior, y por lo visto en la

literatura, en relación al uso que se le da a este convertidor en aplicaciones en

microrredes eléctricas se decide trabajar con dicho convertidor.

4.1. Modelo eléctrico del convertidor half-bridge

En la Figura 13 se muestra el modelo eléctrico del convertidor half-bridge no

aislado. En comparación con los convertidores aislados, los bidireccionales no

aislados emplean menos componentes y una estructura relativamente sencilla, y

debido a que no se tiene una aplicación de gran potencia se puede emplear su

modelo sin la característica del aislamiento. A continuación, se presentarán los

modos de operación del convertidor.

Figura 13. Convertidor half-bridge.

29

4.1.1. Modo Reductor

a)

b)

Figura 14. Convertidor Half-Bridge – Modo reductor a) Q1-On, Q2-Off y b) Q1-Off, Q2-Off.

De acuerdo a lo mostrado en la Figura 14 a), el interruptor Q1 esta encendido y el

interruptor Q2 se encuentra apagado, a partir de ello se empieza a desarrollar el

circuito partiendo de la ecuación (20). El procedimiento matemático continúa

buscando encontrar la variación de la corriente en el inductor a través del tiempo,

por lo cual se realiza el procedimiento matemático mostrado en las ecuaciones (21),

(22) y (23), hasta que se llega al resultado mostrado en la ecuación (24), el cual

surge a partir del despeje de las ecuaciones nombradas.

−𝑉1 + 𝑉𝐿 = 0 (20)

−𝐿𝑑𝑖𝐿

𝑑𝑡+ 𝑉𝐿 = 0 (21)

𝑉𝐿 = 𝐿𝑑𝑖𝐿

𝑑𝑡 (22)

𝑉𝐿

𝐿=

𝑑𝑖𝐿

𝑑𝑡 (23)

30

𝛥𝑖𝐿

𝛥𝑡=

𝑉1∗𝐷𝑇

𝐿 (24)

De acuerdo a lo mostrado en la Figura 14 b), el interruptor Q1 está apagado y el

interruptor Q2 también se encuentra apagado, a partir de ello se empieza a

desarrollar el circuito partiendo de la ecuación (25). El procedimiento matemático

continúa buscando encontrar la variación de la corriente en el inductor a través del

tiempo.

−𝑉1 + 𝑉𝐿 + 𝑉2 = 0 (25)

Teniendo en cuenta la ecuación anterior, se realiza el respectivo despeje hasta

llegar a la ecuación (29), la cual es la respuesta deseada.

𝑉𝐿 = 𝑉1 − 𝑉2 (26)


𝑑𝑡 (27)

𝑑𝑖𝐿

𝑑𝑡=

𝑉1−𝑉2

𝐿 (28)

𝛥𝑖𝐿

𝛥𝑡=

(𝑉1−𝑉2)(1−𝐷)∗𝑇

𝐿 (29)

4.1.2. Modo Elevador

a)

31

b)

Figura 15. Convertidor Half-Bridge – Modo elevador a) Q1-On, Q2-Off y b) Q1-Off, Q2-Off.

En la Figura 15 se muestra el modelo del convertidor Half-Bridge en estado

elevador. En la parte a) de la figura, el interruptor Q1 esta encendido y el interruptor

Q2 se encuentra apagado, a partir de ello se empieza a desarrollar el circuito

partiendo de la ecuación (30). El procedimiento matemático continúa buscando

encontrar la variación de la corriente en el inductor a través del tiempo, por lo cual

se realiza el procedimiento matemático mostrado en las ecuaciones (31), (32) y (33),

−𝑉1 + 𝑉𝐿 = 0 (30)

−𝐿𝑑𝑖𝐿

𝑑𝑡+ 𝑉𝐿 = 0 (31)


𝑑𝑡 (32)

𝑉𝐿

𝐿=

𝑑𝑖𝐿

𝑑𝑡 (33)

Finalmente, al haber realizado este procedimiento matemático, la respuesta

obtenida es la que se muestra en la ecuación (34), la cual se observa que la

variación de la corriente del inductor en el tiempo depende de la tensión de entrada,

el ciclo de trabajo y el valor de la inductancia.

𝛥𝑖𝐿

𝛥𝑡=

𝑉1∗𝐷𝑇

𝐿 (34)

Por otro lado, en la parte b) de la Figura 15, en donde los dos interruptores están

apagados, se realiza el respectivo análisis del circuito hasta obtener la respuesta

mostrada en la ecuación (35).

32

𝛥𝑖𝐿

𝛥𝑡=

(𝑉1−𝑉2)(1−𝐷)∗𝑇

𝐿 (35)


La bidireccionalidad del convertidor Half-Bridge permite tener mayores ventajas

en cuanto a la implementación de los SHAE´s, teniendo en cuenta que en

determinados momentos las aplicaciones pueden requerir no solo entregar

energía, sino también de recibirla.

Al realizar el procedimiento matemático para encontrar las respectivas

ecuaciones características del convertidor se determinó que los interruptores en

ningún momento se van a encontrar encendidos al mismo tiempo.

33

5. Topologías de Sistemas Híbridos de Almacenamiento

de Energía (SHAE)

Los sistemas de generación mediante energías renovables que incorporan

almacenamiento, permiten gestionar la energía generada por la fuente renovable de

una forma adecuada, aumentando la disponibilidad de estas, todo esto con el fin de

que se pueda lograr una gestión adecuada del recurso en el caso de que se

incorpore una microrred [34]. Es por esto que en la mayoría de las investigaciones

que involucran fuentes renovables se piensa en el uso de los sistemas híbridos de

almacenamiento de energía.

Debido a que no se tiene un sistema de almacenamiento que cuente

simultáneamente con altas densidades de energía y altas densidades de potencia,

se combinan dos de estos sistemas, creando así los Sistemas Híbridos de

Almacenamiento de Energía (SHAE), [52] [30]. Los SHAE´s son una combinación

de dos o más tecnologías de almacenamiento con características de funcionamiento

que se complementan entre sí para lograr un mejor rendimiento del sistema. A partir

de esta combinación se tiene gran almacenamiento de energía y grandes flujos de

potencia, con lo cual, en el caso de un dispositivo de almacenamiento como la

batería, su vida útil se prolonga de manera significativa [53]. Las diferentes

tecnologías de almacenamiento se conectan a un punto común conocido como DC-

link permitiendo la combinación de energía de cada uno de ellos, para el posterior

suministro de carga optimizado basándose en decisiones de control. Estas

decisiones implican algoritmos de gestión de la energía y el control del flujo de

potencia, que pueden ser más o menos complejos de acuerdo al SHAE y de acuerdo

a la topología del convertidor de potencia utilizado. Una de las aplicaciones sobre

las cuales tienen influencia los SHAE son las microrredes eléctricas, en especial si

existe un gran número de fuentes de energía renovable [10] [11] [54].

5.1. Topología Pasiva

La conexión de la Figura 16 muestra la topología híbrida pasiva, la cual de acuerdo

a su número de elementos se convierte en la de mayor implementación. Las

ventajas de este sistema híbrido es la reducción en costo, peso y volumen,

acompañada de una gran confiabilidad por el número reducido de componentes.

Mientras que sus desventajas pasan por el flujo de corriente no controlado y el bajo

uso del ultracapacitor. En la topología híbrida pasiva, el banco de baterías y el

ultracapacitor están conectados en paralelo directamente a la conexión del DC-link,

con lo cual están obligados a tener el mismo nivel de tensión. La contribución de

energía de cada fuente de energía para la demanda de la carga se define por la

resistencia interna de los dispositivos de almacenamiento [1] [11] [55].

34

Figura 16. Topología pasiva

5.2. Topología Semi-Activa

Una de las conexiones que se establece como mejora de la topología pasiva es la

topología semi-activa. La gran ventaja de esta configuración es que se puede

mantener en la carga a su tensión nominal gracias al convertidor DC-DC, el cual es

el elemento establecido como valor agregado con respecto a la topología pasiva.

No obstante, no se cambia el hecho que la batería suple parte de la componente

dinámica de la corriente de la carga y la carga almacenada por el condensador es

aún limitada. Hay tres posibles configuraciones de la topología semi-activa y son la

topología en paralelo, la topología serie de la batería y la topología serie del

ultracapacitor.

5.2.1. Topología semi-activa en paralelo

En la Figura 17 se muestra el esquema de conexión de la topología semi-activa en

paralelo, en la cual se coloca un convertidor DC-DC entre la rama paralela de la

batería y ultracapacitor. Esta configuración mejora la topología híbrida pasiva,

debido a que puede mantener la carga a su tensión nominal gracias al convertidor

DC-DC. No obstante, no cambia el hecho que la batería suple parte de la

componente dinámica de la corriente de la carga y la carga almacenada por el

condensador es aún limitada. Además, se permite una mínima variación entre la

tensión de la batería y la carga [55].

Figura 17. Topología semi-activa en paralelo.

35

5.2.2. Topología semi-activa serie de la batería

En la topología semi-activa serie de la batería (ver Figura 18) el convertidor DC-DC

se conecta entre la batería y el punto de conexión común (DC-link). Esto permite

mantener el valor de la corriente en la batería casi constante, con lo cual mejora el

rendimiento de la batería en términos de su vida útil y en términos de su eficiencia

[55].

Figura 18. Topología semi-activa serie de la batería.

Para este tipo de configuración el valor del condensador debe ser elegido de tal

manera que cuando se produce una descarga de este dispositivo de

almacenamiento, su tensión se mantenga dentro de los valores permisibles del

rango de tensión de carga [2] [35].

5.2.3. Topología semi-activa serie del ultracapacitor

Esta topología es útil en vehículos con gran cantidad de energía de frenado

regenerativo. El rango de funcionamiento típico de tensión del ultracapacitor es del

50% al 100% de su tensión nominal, lo que permite la utilización del 75% de la

energía total disponible. La tensión del capacitor se controla normalmente a un valor

de consigna, dividiendo la energía disponible en dos, por lo general a partes iguales.

Esta topología se muestra en la Figura 19, en la cual se observa que la posición del

elemento electrónico de potencia está entre el ultracapacitor y el punto común de

tensión [35] [55].

36

Figura 19. Topología semi-activa serie del ultracapacitor.

5.3. Topología Activa

Es considerada una mejora de las anteriores configuraciones; esta topología

soluciona el problema de las variaciones de tensión sobre la carga y el acoplamiento

de las tecnologías de almacenamiento. Su principal desventaja radica en un

aumento de la complejidad de la topología, por la adición de un convertidor

dimensionado para la potencia máxima de la carga y con la consecuente reducción

de la eficiencia, acompañada por un aumento del precio del sistema. Hay tres

posibles configuraciones para la topología híbrida activa: activa serie del

condensador, activa serie de la batería y activa en paralelo [2].

5.3.1. Topología activa en paralelo

La topología híbrida activa en paralelo (ver Figura 20) establece la adición de un

convertidor DC-DC en paralelo para cada uno de los dispositivos de

almacenamiento. En la mayoría de los casos, dichos convertidores son

bidireccionales, con lo cual tanto la batería, como el ultracapacitor se gestionan de

forma independiente. Esta configuración permite una mayor flexibilidad, estabilidad,

mayor eficiencia y un alto rendimiento en general [54]. La principal desventaja de la

topología es la utilización de dos convertidores DC-DC, uno con la potencia a media

carga y el otro de acuerdo al pico de potencia dinámica, además de la complejidad,

el esfuerzo en el desarrollo del control, y las pérdidas adicionales en el sistema [55].

37

Figura 20. Topología activa en paralelo.

5.3.2. Topología activa serie de la batería

Figura 21. Topología activa serie de la batería.

La topología activa serie de la batería es una mejora de la topología semi-activa, ya

que a partir de su implementación se pueden solucionar inconvenientes en las

variaciones de tensión en el UC, a partir de colocar un convertidor DC-DC entre este

dispositivo de almacenamiento y la carga. Sin embargo, la inclusión de un

convertidor más, hace que inicialmente esta topología se considere más costosa [7]

[2].

38

5.3.3. Topología activa en serie del ultracapacitor

Al igual que en la topología activa serie de la batería, la topología serie del

condensador se establece como una mejora de las topologías semi-activas, en este

caso de la topología semi-activa serie del capacitor, en donde se resuelven las

desventajas de la reducción de tensión de la batería a partir de la inclusión de un

convertidor DC-DC [2] [6], el cual se encuentra ubicado entre la batería y la carga,

como se observa en la Figura 22.

Figura 22. Topología activa serie del ultracapacitor.


No todas las topologías son aplicables para todos los casos, cada una

cumple un objetivo específico ya sea para beneficio de los elementos que la

componen o para los elementos que se encuentran conectados posterior a

ella.

Las topologías activas son una mejora de la pasiva y de la semi-activa, sin

embargo, esto genera un mayor costo en la inversión, para lo cual sería

necesario realizar un análisis de costos teniendo en cuenta los elementos

almacenadores implementados y que tanto se pueden ver afectados estos

ante el uso de cada topología.

El uso de la topología pasiva queda muy relegado a partir de la aparición de

la semi-activa y de la activa, teniendo en cuenta que los convertidores DC-

DC generan un cierto grado de confiabilidad mayor, y a su vez pueden llegar

a mejorar el funcionamiento de los elementos almacenadores de energía.

39

6. Simulaciones de los SHAE´s

Para realizar los respectivos análisis planteados en los objetivos de este proyecto,

se toma como referencia el modelo de microrred con el que se han venido

desarrollando diferentes temas de investigación en el grupo de investigación LIFAE

de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, por tanto, se pretende

incorporar a este modelo de microrred el tema de los SHAE´s, en donde las

simulaciones tienen su alcance en lo que concierne a corriente continua. De esta

forma se tiene la siguiente información de la microrred:

La potencia de la microrred estará cercana a 2 kW, al seleccionar el

transformador se debe tener en cuenta una posible expansión, por lo tanto,

sería recomendable adquirirlo de 5 kVA. (Para efectos de esta investigación

se tomará una carga máxima de 5kW)

La tensión que alimenta el DC-link antes del acondicionamiento de señal

alterna debe ser 340 V.

La tensión de salida monofásica es de 120 V.

La tensión de salida trifásica es de 208V.

El modelo de la microrred descrita anteriormente se muestra en la Figura 23.

Bus AC

Red Eléctrica

DC

DC

AC

DC

DC

AC

AC

DC

DC

DC

AC

DC

Carga

1ᵠ

Carga

3ᵠ

AC

DC

Carga

DC

Carga

AC

- Filtro Activo

- Corrector de

F.P.

Figura 23. Esquema prototipo microrred eléctrica Universidad Distrital.

40

6.1. Variables de las topologías

6.1.1. Modelo de la batería de plomo acido implementado en PSIM

En la Figura 24 se muestra el modelo de la batería de plomo acido implementada

en PSIM. En la parte a) se hace referencia al diagrama eléctrico y en la parte b) se

detalla una serie de bloques que a partir de la corriente sensada generan el nivel de

tensión de salida de la batería. Este modelo se implementó en todas las topologías

seleccionadas y se ajusta de acuerdo a los niveles de tensión manejados.

a)

b)

Figura 24. Modelo de la batería de plomo acido en PSIM a) Diagrama eléctrico y b) Circuito de control.

41

Con la información contenida en la hoja de especificaciones de la batería y teniendo

como referencia las constantes para una batería de plomo acido en [41], en la Tabla

5 se muestran los parámetros seleccionados para el modelo de batería utilizado a

160 V y 240 V.

Tabla 5. Parámetros de la batería empleados en el modelo de simulación

Parámetros Batería

Tensión [V] E0 [V] K [V] A [V] B [Ah]-1 Q [Ah]

160 160.15 0.008 5.83 1.25 65

240 240.1 0.008 5.83 1.25 65

6.1.2. Modelo del ultracapacitor implementado en PSIM

El modelo implementado de ultracapacitor es el que se muestra en la Figura 25.

Como ya se mencionó en la sección 3.1.1. el modelo está compuesto por (3) ramas

RC en paralelo, en donde en una de ellas se presenta el control de tensión de salida

del UC a partir de la corriente de entrada. En la parte a) de la Figura 25 se muestra

el diagrama eléctrico del modelo de UC, mientras que en la parte b) se indica el

diagrama que controla el nivel de tensión.

a)

42

b)

Figura 25. Modelo de UC implementado a) Diagrama eléctrico y b) Circuito de control.

En la Tabla 6 se muestran los valores de cada uno de los elementos que componen

el modelo de ultracapacitor seleccionado.

Tabla 6. Parámetros del ultracapacitor.

Diagrama Eléctrico

R1 C1 Kv R2 C2 R3 C3 R4

0.21 Ω 4.83 F 0.01 583.42 Ω 0.26 F 2.73 kΩ 0.72 F 6.4 kΩ

Circuito de Control

FCNM1 K1 K2 K3

C1+(Kv*x) 1 1 1

6.1.3. Convertidor DC-DC

De acuerdo a lo expuesto en capítulos anteriores de este documento, se seleccionó

el convertidor DC-DC half-bridge para realizar las respectivas simulaciones en los

diferentes casos de estudio; en la Figura 26 se detalla cómo es la configuración de

este convertidor y los elementos que lo componen.

Para cada una de las topologías en las que fue necesario utilizar un convertidor se

realizó un análisis de diseño con el fin de ajustar los parámetros de acuerdo con la

tensión de entrada y el dimensionamiento de la carga.

43

Figura 26. Modelo de convertidor DC-DC.

Figura 27. Circuito de control para los convertidores DC-DC.

El controlador implementado para los convertidores DC-DC es el que se muestra en

la Figura 27. Como se mencionó en secciones anteriores del documento, este es

un control modo corriente media (ACC), el cual está compuesto de dos lazos, uno

interno y uno externo; el interno toma la corriente sensada de la rama RL del

convertidor, mientras que el externo toma la tensión sensada a la salida del

convertidor. Posteriormente en cada simulación en donde se requirió el uso de

convertidores se relacionan los datos de cada uno de los elementos del controlador.

Para el caso de las topologías activas y con base en [56] y [57], se implementó un

filtro sobre la tensión de referencia del controlador. Este filtro podía ser pasa bajos

o pasa altos dependiendo de si el convertidor estaba en serie con la batería o con

el UC.

Para el convertidor que se encontraba en serie con la batería se implementó el filtro

pasa bajos de acuerdo a como se muestra en la ecuación (36); este filtro deja pasar

las componentes en baja frecuencia.

𝐼𝑝𝑏 =1

𝑠𝑅𝐶+1∗ 𝐼_𝑏𝑎𝑡𝑡 (36)

44

Por otro lado, en el convertidor que se encontraba en serie con el UC se implementó

un filtro pasa altos de acuerdo a como se observa en la ecuación (37); este filtro se

implementó con el fin de dejar pasar la componente de alta frecuencia.

𝐼𝑝𝑏 =𝑠𝑅𝐶

𝑠𝑅𝐶+1∗ 𝐼_𝑈𝐶 (37)

6.1.4. Modelo de la carga pulsante

En la Figura 28 se muestra el esquema eléctrico de la carga pulsante, los

parámetros de esta carga se establecieron con el fin de tener una variación de carga

entre los 1000 y 5000 vatios, esto teniendo en cuenta los datos iniciales de la

microrred; además se tomó una frecuencia de 1 Hertz, con el objetivo de observar

de manera detallada la respuesta de tensión y corriente en los diferentes elementos

que conforman cada topología.

Figura 28. Modelo carga pulsante.

En la Tabla 7 se observa los valores de resistencias calculados para variar la carga

de 1000 a 5000 vatios, según el nivel de tensión al que debe estar la carga.

Tabla 7. Parámetros de la carga pulsante.

Vo Rx Rz

160 V 5.12 Ω 25.6 Ω

340 V 23.12 Ω 115.6 Ω

45

6.2. Simulación de las topologías Sistemas Híbridos de

Almacenamiento de Energía

De acuerdo a los elementos descritos en la sección 6.1, se tiene que para cada una

de las topologías según sea el caso estará conformada de elementos

almacenadores energía (batería y/o UC) convertidor (Si lo requiere) y una carga

pulsante, cabe aclarar que los parámetros para cada uno de los elementos se

ajustan de acuerdo a la necesidad que se tenga. Por tanto, para cada topología se

realiza un análisis de respuesta en tensión y corriente de los elementos que

conforman cada topología frente al caso de carga propuesta, y por tanto observar

el comportamiento que toman estos elementos frente a la dinámica de la carga.

6.2.1. Topología Pasiva

La primera topología implementada dentro del programa de simulación es la pasiva.

Como primera medida y con el fin de identificar el comportamiento de la carga se

realizó la simulación de la topología sin contar con el UC, con lo cual, se tiene una

conexión directa entre batería y carga. En la Figura 29 se observa el diagrama

esquemático de la topología implementada en PSIM inhabilitando el UC, en esta

configuración se tiene que el nivel de tensión está dado por la batería, y este puede

tener variaciones de acuerdo a las pulsaciones de la carga, y otra particularidad en

esta topología es que la batería suple la potencia demandada por la carga pulsante.

Figura 29. Topología pasiva sin ultracapacitor.

En la Tabla 8 se muestran los parámetros que se han tenido en cuenta para

desarrollar la simulación de la topología pasiva sin incluir el ultracapacitor.

46

Tabla 8. Parámetros Topología pasiva sin UC.

Parámetros Generales del Sistema

Variables Descripción Valor

Vo Tensión en la carga 160 V

Vbatt Tensión nominal batería 160 V

Vuc Tensión nominal UC -

Pc_nom Potencia nominal en la carga 5000 W

Pc_min Potencia mínima en la carga 1000 W

R_nom Carga nominal 5,1 Ω

R_min Carga mínima 25,6 Ω

Ic_nom Corriente nominal en la carga 31,2 A

Ic_min Corriente mínima en la carga 6,2 A

En la Figura 30 se observa el comportamiento que tiene la tensión en la batería y en la carga, en ella se evidencia que la tensión sobre estos dos elementos es la misma, esto se debe a que ambos elementos se encuentran conectados directamente. Las variaciones de tensión que se producen, se debe a la particularidad de la carga pulsante y la caída de tensión está relacionada con la curva característica de descarga de la batería.

Figura 30. Tensión en la carga y en la batería.

En la Figura 31 se muestra la variación de corriente característica de la carga

pulsante, la cual está siendo suplida en su totalidad por la batería, estas

componentes dinámicas generadas por la carga son las que se buscan minimizar

con la inclusión de un ultracapacitor como se observará en otras topologías.

47

Figura 31. Corriente en la carga y en la batería.

En la Figura 32 se detalla la variación de potencia tanto en la carga como la batería,

la cual está comprendida entre 1000 y 5000 vatios, de acuerdo a la característica

de la carga pulsante, como ya es conocido en esta topología, la batería se encuentra

suministrando toda la potencia que requiere la carga, esto se debe a que no se tiene

ningún otro elemento almacenador de energía en esta configuración.

Figura 32. Potencia en la carga y en la batería.

En la Figura 33 se observa la energía que demanda la carga pulsante al cabo de 3

segundos, y cómo la batería suministra la totalidad de esta energía demandada,

esto se debe a que en esta topología solo se encuentra la batería como elemento

almacenador capaz de suministrar la energía que requiere la carga.

48

Figura 33. Energía en la carga y en la batería.

Continuando con el desarrollo de la simulación de la topología pasiva, se habilita el

ultracapacitor y de esta manera se prosigue a analizar de la misma forma que se

hizo con el UC inhabilitado. Debido a que la tensión de salida del modelo de

ultracapacitor implementado es de 160 V, y teniendo en cuenta la configuración de

la topología, se hace necesario que la tensión máxima para la batería deba ser de

160 V. Al existir una conexión directa en paralelo de los dos elementos

almacenadores de energía no se puede sobrepasar el nivel de tensión del

ultracapacitor, y es por esto que para estos dos casos particulares en la topología

pasiva se ajustan los parámetros de la batería a 160 V y de esta manera evitar

alteraciones en las respuestas de los elementos.

En la Figura 34 se observa el diagrama de la topología pasiva implementada en

PSIM, la cual está compuesta por batería y ultracapacitor en paralelo a la carga. En

esta topología la corriente suministrada por cada uno de los elementos está limitada

por las resistencias internas de los elementos almacenadores de energía, cabe

recordar que la resistencia interna de la batería y ultracapacitor son de 7.5 mΩ y

220 mΩ, respectivamente.

49

Figura 34. Topología pasiva con ultracapacitor.

En la Tabla 9 se describen los valores característicos de la topología pasiva

teniendo en cuenta la conexión del ultracapacitor en paralelo con la batería y con la

carga.

Tabla 9. Parámetros Topología pasiva.





Vuc Tensión nominal UC 160 V







En la Figura 35 se observa la curva de tensión en la carga, batería y ultracapacitor,

en esta figura se determina que la tensión vista desde cada uno de los elementos

está fuertemente relacionada con la tensión de salida de los elementos

almacenadores de energía y cómo esta tiene variaciones producto de la

característica pulsante de la carga.

50

Figura 35. Tensión en los elementos de la topología pasiva con UC.

A continuación en la Figura 36 se observa la gráfica de corriente de la carga,

batería y ultracapacitor respectivamente, allí se interpreta que la batería se

encuentra suministrando casi en su totalidad la corriente que está demandando la

carga, esto se debe a que en esta topología las corrientes demandadas por los

elementos almacenadores de energía están limitadas por la resistencia interna de

cada uno de estos elementos, por tanto, la batería al poseer una resistencia interna

mucho menor a la del ultracapacitor produce que este último elemento no aporte

una corriente considerable a la que requiere la carga.

Figura 36. Corriente en los elementos de la topología pasiva con UC.

Respecto a la potencia demandada por la carga y la potencia que suministra cada

elemento almacenador, en la Figura 37 se muestra que la potencia suministrada

por el ultracapacitor, es mínima en relación al aporte que realiza la batería, esto es

51

producto de la tensión en los elementos y la limitante de corriente que tiene cada

uno debido a su resistencia interna.

Figura 37. Potencia en los elementos de la topología pasiva con UC.

En la Figura 38 se evidencia que la energía requerida por la carga pulsante está

siendo suministrada prácticamente en su totalidad por la batería, quedando el

ultracapacitor con un aporte mínimo, esto se relaciona con otra particularidad que

tiene esta topología y es que no cuenta con elementos fuera de los elementos

almacenadores que puedan gestionar de manera eficiente el suministro de energía.

Figura 38. Energía en los elementos de la topología pasiva con UC.

52

6.2.2. Topología Semi-Activa

De las diferentes variantes que tiene la topología semi-activa se seleccionó la

topología en paralelo, debido a que esta ofrece una continuación directa en relación

con el análisis que se venía haciendo en la topología pasiva. En esta configuración

se adiciona un convertidor DC-DC para elevar la tensión de 160 V al nivel de tensión

requerido por la carga que es de 340 V, esta topología sigue teniendo la limitante

que los elementos almacenadores deben estar a la misma tensión.

En la Figura 39 se muestra el esquema de la topología semi-activa implementada

en el programa de simulación, la característica de esta topología es que el

convertidor gestiona la energía de ambos elementos almacenadores para de esta

manera entregarla a la carga al nivel de tensión deseado sin que se produzcan

mayores variaciones en la carga, además de la limitante de tensión que tiene esta

topología en sus elementos almacenadores, se tiene que al tener un solo

convertidor de potencia la gestión de energía se realiza de manera conjunta y no

independiente de cada elemento.

Figura 39. Topología semi-activa paralelo.

En la Tabla 10 se relacionan los valores característicos de la topología semi-activa

en paralelo y en la Tabla 11 se detallan los valores de cada uno de los elementos

que conforman el convertidor half-bridge y los respectivos datos del controlador.

Los datos de las tablas que tienen los parámetros del convertidor DC-DC de cada

topología (semi-activa y activa) está relacionado con el tipo de controlador utilizado,

el cual como ya se mencionó en la sección 2.1.1.3 es el controlador tipo III y su

función de transferencia está dada en la ecuación (38).

𝐺(𝑠) = 𝐾 ∗ (1+𝑠𝑇𝑧1

𝑠𝑇𝑧1) ∗ (

1+𝑠𝑇𝑧2

(1+𝑠𝑇𝑝1)(1+𝑠𝑇𝑝2)) (38)

53

Tabla 10. Parámetros topología Semi-Activa.












Tabla 11. Parámetros del Convertidor DC-DC.

Parámetros del convertidor DC-DC

Vin (V) Vout (V) L (µH) RL (µΩ) C (µF) RC (µΩ)

160 340 36 1 101 1 Regulador en modo corriente

Frecuencia de conmutación

(kHz)

Margen de fase (°)

Margen de ganancia

(dB) 𝐾 𝑇𝑧1 𝑇𝑧2 𝑇p1 𝑇𝑝2

45 118.75 28.5 dB 0.029 0.056 0.056 0.035 0.035

Regulador en modo tensión


(kHz)

Margen de fase (°)

Margen de ganancia


45 153.83° 20.45 dB 1.33 0.076 0.076 0.041 0.041

En la Figura 40 se observa las curvas de tensión vista desde la carga, batería y UC,

de estas curvas se interpreta que la tensión en los elementos almacenadores de

energía está relacionada debido a que tanto batería como ultracapacitor están

conectados directamente. Con la inclusión del convertidor, el nivel de tensión en la

carga se eleva a los 340 V deseados, pero esta curva de tensión tiene una

particularidad en relación a lo visto en las topologías pasiva y es que la tensión no

varía en todo el periodo del ciclo de trabajo de la carga pulsante, si no por el

contrario permanece constante en 340 V, excepto en donde se producen los

cambios de carga.

54

Figura 40. Tensión en los elementos de la topología semi-activa.

En la Figura 41 se relacionan las curvas de corriente vistas en cada uno de los

elementos que componen la topología semi-activa en paralelo, de estas curvas se

observa que la batería continúa siendo el elemento que mayor aporte de corriente

realiza con respecto a la corriente demanda por la carga, con una característica y

es que ya en esta configuración se empieza a ver el trabajo del UC debido a que la

forma cuadrada de la curva de corriente al inicio de su valor más alto no es tan

pronunciada como lo demanda la carga. Por otro lado, la sumatoria de corrientes de

la batería y ultracapacitor se ve reflejado a la entrada del convertidor, la cual es

equivalente a la corriente de carga por la relación de conversión del convertidor DC-

DC.

Figura 41. Corriente en los elementos de la topología semi-activa.

55

En la Figura 42 se muestra la potencia en la carga y en los elementos

almacenadores de energía, en donde, el ultracapacitor se encuentra variando entre

un nivel inferior y superior a cero debido a su estado de carga y descarga. La batería

realiza un aporte considerable de potencia y respecto a la inclusión del convertidor

DC-DC, en esta configuración se comienza a ver un mejor desempeño en la gestión

de energía de cada elemento almacenador.

Figura 42. Potencia en los elementos de la topología semi-activa.

En la Figura 43 se muestra el comportamiento que tiene la energía en la carga,

batería y ultracapacitor, siendo la batería la que mayor aporte de energía tiene en

relación a la demanda de energía que requiere la carga, cabe aclarar que aunque

se tiene el convertidor DC-DC y mejora la gestión de energía del sistema, la

respuesta que tiene cada elemento almacenador sigue siendo restringida por su

resistencia interna.

Figura 43. Energía en los elementos de la topología semi-activa.

56

6.2.3. Topología Activa en Paralelo

En la Figura 44 se observa la configuración y los elementos que componen la

topología activa en paralelo, esta topología tiene una particularidad y es que cada

elemento almacenador de energía está conectado directamente a un convertidor

DC-DC para mejorar la gestión de energía en cada uno de estos.

En esta topología ya no se tiene la limitante de que la tensión en la batería y en el

ultracapacitor deben ser las mismas, por el contrario, en esta topología se realizan

las simulaciones con los valores reales de los elementos de la microrred, y esto da

cabida a que las curvas de tensión, corriente, potencia y energía en cada elemento

den una interpretación más real del comportamiento del sistema.

Figura 44. Topología activa paralelo.

En la Tabla 12 se relacionan los valores característicos de la topología activa en

paralelo.

Tabla 12. Parámetros Topología Activa Paralelo












57

A continuación, en la Tabla 13 y Tabla 14 se observan los valores de cada uno de

los componentes de los convertidores serie a la batería y serie al ultracapacitor

respectivamente, con los respectivos datos de los controladores.

Tabla 13. Parámetros del Convertidor DC-DC serie de la batería.



240 340 45 1 56 1

Regulador en modo corriente


(kHz)

Margen de fase (°)

Margen de ganancia


45 106.25 29.06 0.394 0.025 0.025 0.019 0.019



(kHz)

Margen de fase (°)

Margen de ganancia


45 137.5 21.32 2.02 0.031 0.031 0.025 0.025

Tabla 14. Parámetros del Convertidor DC-DC serie del UC.



160 340 36 1 101 1



(kHz)

Margen de fase (°)

Margen de ganancia


45 118.75 28.5 dB 0.029 0.056 0.056 0.035 0.035



(kHz)

Margen de fase (°)

Margen de ganancia


45 153.83° 20.45 dB 1.33 0.076 0.076 0.041 0.041

Con el fin de observar la separación de componentes y de acuerdo a lo descrito en

la sección 6.1.3., los valores de frecuencia de corte, resistencia y capacitancia

implementados en la topología activa en paralelo son los que se muestran en la

Tabla 15.

Tabla 15. Parámetros filtro separación de componentes.

Wc (rad/s)

R (Ω)

C (F)

2.5 1 0.4

58

A pesar de que en la topología semi-activa los únicos parámetros que se alteraban

era la tensión de salida en la batería, es un buen ejercicio comparar los resultados

obtenidos en la diferentes graficas de esta topología con la activa en paralelo.

En la Figura 45 se muestra la tensión vista desde la carga, batería y UC

respectivamente, allí se evidencian que las tensiones de cada uno de los elementos

se encuentran dentro de los valores dados inicialmente en la Tabla 12, con una

particularidad y es que estas curvas tienen un cambio de tensión cuando se produce

variación en la carga. Con relación a la topología semi-activa, la tensión en la carga

varia en menor proporción cuando se producen cambios de carga, y la tensión en

el UC permanece estable excepto en los pequeños instantes donde se producen

estas variaciones.

Figura 45. Tensión en los elementos de la topología activa paralelo.

Con respecto a las variaciones de corriente de la carga pulsante se ve que tanto

batería como UC están trabajando en conjunto para suplir esta corriente (ver Figura

46), con un detalle y es que cuando se efectúan cambios instantáneos en la carga,

el UC entra en acción y por tanto la corriente en la batería en esos instantes no es

tan pronunciada, esta singularidad no se podía ver en detalle en la topología semi-

activa, por este motivo en relación a aquella respuesta se tiene que para la topología

activa paralelo se reduce en pequeña medida esos cambios bruscos de corriente

sobre la batería.

59

Figura 46. Corriente en los elementos de la topología activa paralelo.

En la Figura 47 se detalla las variaciones de potencia sobre los elementos

almacenadores de energía y la carga, en estas curvas se puede ver como el

ultracapacitor actúa inmediatamente ante variaciones de carga, aunque es una

respuesta muy leve; contribuye a que ante variaciones instantáneas de carga, la

batería tenga un comportamiento suave que es la parte curva de la gráfica de

potencia de la batería.

Figura 47. Potencia en los elementos de la topología activa paralelo.

El consumo de energía de la carga y el aporte de los elementos almacenadores

energía se muestran en la Figura 48, de los cuales el ultracapacitor tiene un aporte

mínimo debido a la carga y descarga que produce ante la carga pulsante.

60

Figura 48. Energía en los elementos de la topología activa en paralelo.

6.2.4. Topología Activa serie del UC

Continuando con en el análisis de las topologías para los sistemas de

almacenamiento híbrido, se eligió la topología activa serie del ultracapacitor debido

a que se observó que con la incorporación de los convertidores DC-DC, y uno de

estos al encontrarse directamente conectado al ultracapacitor, el UC mostraba una

mejor respuesta respecto al modo de actuar en el instante en que se producen

variaciones de carga como se observó en la topología activa en paralelo, lo cual no

se evidenció en la topología semi-activa, por tanto en la Figura 49 se muestra cómo

está conformada la topología activa serie del UC y como es la conexión de los

elementos que la componen.

Figura 49. Topología activa serie del UC.

61

En la Tabla 16 se muestra los valores de interés de la topología activa serie del

ultracapacitor.

Tabla 16. Parámetros Topología Activa Serie del UC.












En la Tabla 17 y Tabla 18 se detalla la información de los valores de los elementos

tanto del convertidor como del controlador, para el convertidor DC-DC que se

encuentra ubicado serie al ultracapacitor y el que se encuentra conectado

directamente a la carga.

Tabla 17. Parámetros de diseño del convertidor DC-DC serie del UC.



160 240 23 1 128 1 Regulador en modo corriente


(kHz)

Margen de fase (°)

Margen de ganancia


45 112.5 21.5 0.160 0.013 0.013 0.009 0.009



(kHz)

Margen de fase (°)

Margen de ganancia


45 137.5 15.5 1.688 0.021 0.021 0.018 0.018

62

Tabla 18. Parámetros de diseño del convertidor DC-DC carga.



240 340 45 1 56 1



(kHz)

Margen de fase (°)

Margen de ganancia


45 106.25 29.06 0.394 0.025 0.025 0.019 0.019 Regulador en modo tensión


(kHz)

Margen de fase (°)

Margen de ganancia


45 137.5 21.32 2.02 0.031 0.031 0.025 0.025

Al igual que con la topología activa paralelo, en la topología activa serie del UC,

también se realizó la implementación de los filtros buscando generar la separación

de componentes. En la Tabla 19 se muestran los datos relevantes del filtro.

Tabla 19. Parámetros filtro separador de componentes.

Wc (rad/s)

R (Ω)

C (F)

2.5 1 0.4

En la Figura 50 se muestra las diferentes curvas de tensión de la carga, batería y

ultracapacitor, en donde, la variación que tiene la tensión en la carga es un poco

mayor y más pronunciada de acuerdo a lo visto en la topología activa en paralelo,

por otro lado, la tensión en la batería sufre leves alteraciones a diferencia de la

tensión en el ultracapacitor que permanece casi constante en relación a lo visto en

la topología activa en paralelo. Estas alteraciones se atribuyen a que el nivel de

tensión de la batería es comparado con un nivel de tensión que sale de la

transformación de tensión realizada para el UC, por lo cual deja de ser una tensión

generada únicamente por la batería.

63

Figura 50. Tensión en los elementos de la topología activa serie del ultracapacitor.

El comportamiento que tienen las corrientes en los elementos almacenadores de

energía ante variaciones de la carga pulsante se muestran en Figura 51, en relación

a la topología activa en paralelo, la corriente suministrada por el ultracapacitor en

los instantes que varía la carga, no es tan considerable para atenuar la corriente en

la batería cuando se producen estos cambios de carga como se ve en la Figura 46.

Figura 51. Corriente en los elementos de la topología activa serie del ultracapacitor.

Las curvas observadas en la Figura 52 muestran el comportamiento de potencia en

la batería y ultracapacitor ante el consumo de potencia de la carga, allí se muestra

que los picos de potencia entregados por el UC son menores en relación a lo visto

en la Figura 47.

64

Figura 52. Potencia en los elementos de la topología activa serie del ultracapacitor.

La energía consumida por la carga y la energía aportada por cada uno de los

elementos almacenadores de energía se detalla en la Figura 53, en la cual, se

observa que la energía entregada por la batería suple casi la totalidad de la carga,

de esta forma el ultracapacitor actúa de forma leve ante las variaciones de carga.

Figura 53. Energía en los elementos de la topología activa serie del ultracapacitor.


La resistencia interna de cada elemento almacenador de energía juega un

papel importante en el desempeño de estos elementos, puesto que se

observó en las diferentes simulaciones que cuando actuaba el ultracapacitor

ante las variaciones de corriente de la carga pulsante, este conservaba su

65

nivel de tensión, pero su aporte de corriente era mínimo debido a su gran

resistencia interna en relación a la de la batería. Debido a esto no se logró

ver de forma muy evidente la característica del UC que tiene que ver con su

alta densidad de energía.

Al tener conectados batería-Carga o batería-UC-Carga se apreció que estas

topologías al no contar con un elemento que gestione la energía, dichos

almacenadores siempre actuaban de igual forma a la dinámica de la carga

pulsante, cuando se incorporó el convertidor DC-DC, se observa buena

gestión de energía debido a que se percibe de forma leve la respectiva

cualidad de densidad de potencia y densidad de energía en los elementos

almacenadores de energía.

Con la incorporación de un convertidor DC-DC para cada elemento

almacenador de energía, se logra una adecuada gestión energía, con lo cual

se observó el comportamiento que deben tener los elementos

almacenadores de energía de acuerdo a su alta densidad de potencia

(Batería) y alta densidad de energía (Ultracapacitor), a pesar de las limitantes

que se tuvieron por las resistencias internas de cada uno de estos, la

topología activa en paralelo, fue la que mejor obtuvo provecho de las

características del UC.

66

7. Conclusiones

De acuerdo al desarrollo que tuvo este proyecto de investigación se hizo una

recopilación de las diferentes topologías que se utilizan en los sistemas híbridos de

almacenamiento de energía que involucran batería y ultracapacitores. Al realizar la

simulación de estas, se estableció que cada topología poseía características de

funcionamiento bajo condiciones particulares de carga, donde la topología pasiva

que se compone de batería y ultracapacitor tenía la limitante que ambos elementos

almacenadores debían estar al mismo nivel de tensión al igual que la carga, por otro

lado pasando a la topología semi-activa en paralelo se continuaba con el problema

de los niveles de tensión de los dispositivos almacenadores con la ventaja que ya

se podía asegurar en la carga la tensión deseada debido a la adición de un

convertidor DC-DC. Por último, con la simulación de las topologías activas se

estableció que estas tienen la particularidad de que no hay limitante de los niveles

de tensión de cada elemento almacenador, debido a que al contar con dos

convertidores DC-DC se puede elevar o reducir la tensión de acuerdo a los niveles

de operación de batería, ultracapacitor y carga.

En relación a la respuesta que se observó de cada elemento frente a la disposición

que se tenía en cada topología simulada, se logra entender que los elementos

almacenadores de energía en la topología pasiva responden acorde a la dinámica

de la carga pulsante seleccionada, esto quiere decir que tanto las curvas de

corriente como de tensión seguían un comportamiento establecido. Con la inclusión

de un convertidor DC-DC se da paso a la topología semi-activa, en donde la gestión

de energía se realizaba de manera conjunta por los elementos almacenadores de

energía sin que se pudiera ver en detalle la cualidad de densidad de energía del

ultracapacitor, pero si la característica de densidad de potencia de la batería. De

otra forma, en las topologías activas se logra una mejor gestión de energía por parte

de los elementos almacenadores al contar con dos convertidores de corriente

continua, debido a que la operación del ultracapacitor se realizaba en los instantes

de variaciones de carga y contribuía a que la batería en estos instantes no tuviera

cambios tan pronunciados en su respuesta de corriente.

Por otro lado se observó que la resistencia interna de la batería 7.5 mΩ y del

ultracapacitor 220 mΩ, tuvo un gran impacto en la simulación de cada topología,

debido a que al seguir la respuesta de los elementos almacenadores dentro de cada

topología, se hacía evidente que la respuesta de estos, iba teniendo un

comportamiento acorde a sus características de respuesta, pero al llegar a las

topologías activas donde se esperaba que el ultracapacitor gestionara una gran

cantidad de energía en los instantes que variaba la carga, se evidenció que este

elemento realizaba una leve gestión de energía

67

Dependiendo del número, naturaleza y posición de los convertidores y de la

conexión de la batería y el ultracapacitor, se pueden generar posibilidades de diseño

de un sistema de distribución de potencia eléctrica para este tipo de aplicaciones,

aún más si se llegara a considerar el uso de fuentes alternativas de energía. Dentro

de las topologías trabajadas en el desarrollo de la presente investigación, se

observó que en la topología activa en paralelo se tuvo una adecuada gestión de

energía por parte de los elementos almacenadores de energía, debido a que se le

sacó el máximo provecho al ultracapacitor en los instantes que variaba la carga, lo

cual es lo que se busca al tener batería y ultracapacitor dentro de un sistema híbrido

de almacenamiento de energía.

68

Publicaciones Derivadas del Proyecto de Investigación

Ponencias internacionales

L.C. Hernández, J.S. Rojas, C.L. Trujillo, A. Narváez. “Comparación de dos

topologías activas de almacenamiento híbrido en el contexto de las

microrredes eléctricas” 25° Seminario anual de automática, electrónica

industrial e instrumentación, 2018.

69

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