TRADUCCIONDiseo y anlisis de un / DC / AC trifsico Solar DCConverter con minimizada DC Enlace capacitancia

AbstractoConvertidores solares para alimentar de energa el mdulo solar en la red de CA consiste de un DC / DC y un convertidor trifsico DC/AC desacoplado por un condensador en el circuito intermedio para ser minimizado. Una corriente alimenta en lugar de un voltaje para el puente completo del conversor dc/dc para una mayor eficiencia.Adems picos de tensin no deseados se pueden evitar mediante el uso de esta topologa. Este artculo presenta un concepto de control sin sensores adicionales para reducir la capacidad del enlace DC en los convertidores solares y su anlisis. Se explican dos mtodos analticos diferentes para determinar un mnimo de capacidad de enlace DC. El mtodo de control propuesto para reducir la desviacin de tensin en el enlace DC puede ser implementado sin sensores adicionales en la mayora de aplicaciones de convertidor solar. Tambin puede ser adaptado otro convertidor DC/AC aplicaciones como sistemas de conversin de celdas de combustible. Las mediciones de laboratorio confirman la simulacin resultados.

IntroduccinLa energa solar captada por las celdas solares es una de las energas que se imputan como uno de los ms importantes energas renovables en el futuro . Adems del desarrollo de celdas solares y modulos solares de gran alcance, el desarrollo de convertidores solares altamente eficientes y pequeos con un largo tiempo de vida se convierte en el ms y ms importante. Adems, es necesario utilizar la energa solar irradiada eficientemente tanto como sea posible.En muchas aplicaciones el convertidor solar se separa en dos componentes generales. El primer componente es el convertidor DC / DC que tiene la tarea principal de asegurar la tensin de entrada mnima requerida del segundo componente, el convertidor DC / AC. Este ltimo tiene que alimentar la corriente en la red que es un sistema trifsico tal como se utiliza en aplicaciones de potencia media por encima de 1 a 5 kW . Estos dos componentes estn conectados por un condensador de enlace DC, para suavizar la tensin del enlace DC y para garantizar un desacoplamiento de la red desde el lado de la carga . La estructura, en principio, de este tipo de convertidor se muestra en la Fig. 1.El uso comun y bajo precio de condensador de enlace DC utiliza un condensador de aluminio electroltico (al-e-condensador).La desventaja es el tiempo de vida limitado de este tipo condensador. El tiempo de vida de diseo tiene que ser hecho cuidadosamente para asegurar un rendimiento garantizado [4].Condensadores de pelcula ofrecen ms altas indices de corriente y una menor disipacin de energa que Al-e-condensadores con capacitancia similar mientras que su densidad de energa es inferior . Por lo tanto, es preferible usar condensadores de pelcula con pequea capacidad en el enlace DC en lugar de Al-e-condensadores.En comparacin con los al-e-condensadores las desventajas son las bajas capacidades disponibles en cuanto al volumen en el mercado y los costos ms altos de capacitancias altas.Muchos mtodos de control diferentes que hacen posible la reduccin de capacidad del enlace DC en convertidores AC a AC han sido publicados y muy buenos resultados se han logrado. Todo los metodos de control han sido adoptadas en los convertidores AC / DC / AC para alimentar un motor de induccin trifsico, pero ninguno de ellos han considerado un enlace DC de un convertidor solar para las celdas solares alimentados a travs de un convertidor DC / DC hasta la autores saben.En este trabajo se implementa un simple y facil esquema de control presentado donde es posible minimizar la capacitancia en el enlace DC de convertidores solares con un convertidor DC / DC y un convertidor DC / AC. En primer lugar se presenta la topologa del convertidor solar propuesto y se mide para la verificacin de la teora explicada.Con un paso de carga dada, la constante de tiempo depende de la aplicacin y se calcula un mximo voltaje de desviacin para una capacitancia mnima. Posteriormente, el esquema de control propuesto se explica de donde se derivan frmulas para la determinacin de los parmetros de control. Finalmente se presentan una simulacin y resultados prcticos para confirmar el rendimiento del mtodo de control propuesto que muestran el potencial de este mtodo de minimizacin. Los resultados son transferibles a otras aplicaciones de convertidor DC / AC como convertidor sistemas de cldas de combustible.Topologa del Convertidor solar y diseo del Enlace DCConvertidor TopolgyEl diagrama del circuito del convertidor solar analizado se muestra en la Fig. 2. El primer componente del convertidor solar es una corriente que alimenta el puente completo del convertidor DC/DC con una retroalimentacin de energa interna de sujecin. En comparacin con el tipo de voltaje que alimenta esta topologa de convertidor tiene la principal ventaja para una mayor eficiencia.Adems, durante la operacin la tensin que alimenta el puente completo del convertidor puede aparecer oscilaciones indeseables de la tensin inversa de los rectificadores de salida provocada por la inductancia parsita del transformador [9], lo que puede resultar en varios kilovoltios de sobretensin. En la corriente que alimenta el convertidor DC/DC stos oscilaciones se evitan por el condensador de sujecin Ccl y el transistor de sujecin Tcl. El encendido las seales del transistor de sujecin pueden ser fcilmente generados por una compuerta logica NAND sencilla.Una parte muy importante del diseo de la red de fijacin activa es la eleccin del transistor de sujecin Tcl debido a sus propiedades anti-paralelo cuerpo-diodo. La eleccin de un transistor con una alta carga de recuperacin inversa Qrr puede dar lugar a picos de alta tensin en su activacion y desactivar por momentos los transistores T1-T4 . El uso de una IGBT en lugar de un MOSFET podra resultar mucho mejor en rendimiento. El convertidor DC / AC, que est conectado al enlace DC en el lado de entrada y a la red trifsica en el lado de salida es un voltaje trifsico convencional alimentado por un inversor DC / AC. Esta topologa comunmente usada combina una alta eficiencia con estructuras simples de control. Este circuito especial de potencia no afecta el analisis general en relacin a la capacitancia del enlace DC.Diseo Enlace DCEs fcil utilizar el mtodo para apreciar una capacidad mnima del banco de condensadores dado . Este mtodo de clculo de capacidad mnima del condensador de enlace DC depende de la esperada entrada de potencia y la definicin de un lmite de desviacin de tensin permitida. Un lmite ampliamente usado es un desviacin del diez por ciento de la tensin en el enlace DC en cualquier respuesta con carga y sin carga. La entrada de potencia maxima esperada es igual a la energa del panel solar en el punto de mxima potencia (MPP). La constante de tiempo Tr representa el retardo de control del convertidor de DC / DC y, por ejemplo una buena opcion es tomar un valor de alrededor de cinco a diez perodos de modulacin .Este mtodo comienza con la energia DW que se estima como:

La energa almacenada del condensador se puede escribir como sigue:

La variacin de la energa almacenada en el condensador tambin depende de la tensin Vd del enlace DC, el voltaje de desviacion del enlace Vd desviacin de tensin y la capacidad Cd pueden estimarse como:

La combinacin de las ecuaciones (1) y (3) conduce a la expresin de la minima capacidad Cdmin:

Otro mtodo para apreciar la mnima capacidad de enlace DC se da en [11], donde la energa intercambiada DW por el banco de condensadores se calcula de la siguiente manera:

La voltaje de desviacin viene dada por:

Finalmente esto nos lleva a otra ecuacin de la capacidad minima Cdmin:

Comparando las ecuaciones (4) y (7) y asumiendo una desviacin de tensin Vd del enlace DC de uso comunmente el diez por ciento, se puede observar, que la apreciacin de [10] proporciona casi el doble de los valores de mnima capacidad que la apreciacin de [11]. Convertidor de Control DC / ACControl de Voltaje convencional Orientada al convertidor DC / AC Un control convencional orientado de tensin en el marco de referencia dq-se elige para controlar el convertidor DC / AC.De esta manera las corrientes de lnea regulados son cantidades DC en el estado de equilibrio. Esta estrategia de control ofrece una respuesta rapida transitoria y la eliminacin del error en estado estacionario [12]. La figura 3 muestra el circuito equivalente de la red conectada al convertidor DC / AC.Las ecuaciones de la red y del enlace DC se pueden expresar en la red de voltaje orientada d, q-marco de la siguiente manera:

Suponiendo que el vd tensin del enlace DC se mantiene constante (vd = Vd; 0), las ecuaciones continuas disociadas de la tensin del enlace DC y la corriente de lnea se puede escribir como:

Esto conduce al simple desacople y linealizado del sistema convertidor de lado de la lnea como se muestra en la Fig. 4.

Fig. 5 ilustra el diagrama de bloques de la estructura de control propuesto. El controlador de corriente consiste de un controlador PI con un anti-oscilacin, que est diseado para el modo continuo por el 'mdulo ptimo' para obtener una buena referencia de reaccin de la corriente del lazo de control [13]. El q-componente de referencia de la seal de corriente se ajusta a cero.El controlador de tensin del circuito superpuesto DC, que tambin consta de un controlador PI con anti-rebote, genera la seal de referencia del d-componente de la corriente de lnea. Esta tensin de modo continuo del controlador esta diseado por el 'ptimo simtrico' para obtener una buena reaccin en la perturbacin [13].

Controlador prealimentado Adicional del convertidor DC / ACEl voltaje convencional orientado para el control se ampla ahora con un simple control prealimentado para reducir la desviacin de tensin del circuito DC. En primer lugar la derivacin del factor de control de retroalimenatcion Kf comienza con la potencia de salida Pl del convertidor solar, que puede ser escrita como:

La potencia de salida Pl tambin se puede expresar como una funcin del convertidor DC / AC en la entrada de potencia Pd y el factor de eficiencia n1 del convertidor DC / AC:

Con el supuesto de que Id1 equivale Id2, la lnea actual IL depende de la salida de correinte Id2 del convertidor DC / DC:

Con el conocimiento del factor de eficiencia n2 del convertidor DC / DC la potencia de salida Pd del convertidor DC / DCPd se puede expresar como:

Finalmente una relacin lineal simple por el factor de prealimentadoKf entre la corriente de lnea Il y la entrada de potencia del PSC del convertidor solar se da en la ecuacin (15).

La ventaja de este tipo de control de prealimentadodirecta es la disponibilidad de las seales de deteccin de Isc y la USC en la mayora de las aplicaciones del convertidor solar en el caso de seguimiento MPP. No hay sensor adicional necesario y la accesibilidad del circuito DC no es mas ningn problema. Este mtodo de control es tambin transferibles a sistemas de convertidores para las celdas de combustible.Una ventaja adicional del control de prealimentado para la entrada de corriente Isc en lugar de la corriente Id2 del circuito DC , como se describe en [11], es el hecho, de que Isc es una cantidad DC sin perturbaciones de alta corriente alterna, que en contrario a la corriente Id2 del circuito DC consta de una parte DC y una parte AC en orden de unas pocas magnitudes de frecuencia del lado de la red del convertidor DC / AC de conmutacin. Por lo tanto la aplicacin de un control de prealimentado l a corriente del circuito DC es necesario un filtro de corriente y por lo tanto un retraso control.

SIMULACIN Y RESULTADOS EXPERIMENTALESEl mtodo de control propuesto se simula y se prueba en el laboratorio. Los parmetros elctricos de el sistema simulado y la configuracin del laboratorio se enumeran en la Tabla I. Para el anlisis terico del sistema se usa MATLAB de Mathworks y el sistema elctrico se model con Plecs de Plexim GmbH.

Para la determinacin la capacidad mnima del circuito DC se utiliza la ecuacion (4) para su clculo. Con Una desviacin de tensin Vd del diez por ciento de la tensin Vd del circuito DC, un paso a la alimentacin de entrada, paso en y respuesta de DPSC = 1.4 kW y una constante de tiempo Tr = 8? 1 = fs; 1 = 400s, la minima capacidad del circuito DCCd; min es 33F. En la Fig. 7 y la fig. 8 se muestra la simulacin y los resultados experimentales de la respuesta a la paso a paso y de despegue Psc potencia de entrada.

En lugar de un mdulo solar (PV en la Fig. 2) una fuente de tensin V0 y una resistencia Ri se utilizan en la entrada del convertidor solar como se muestra en la Fig. 6. Un paso de potencia para el anlisis dinmico es realizado por un rpido cambio en relacin de trabajo del convertidor DC / DC. De esta manera la diferencia de tensin entre V0 y Vsc atravs de la entrada en la resistencia Ri conduce una corriente isc ajustable.El paso en la respuesta de potencia de entrada conduce a un aumento rpido de la entrada de la corriente isc. La relacin alta de trabajo del Convertidor de DC / DC afecta simultaneamente un ciclo de trabajo de los T1-T4 y por lo tanto conduce a una cada de tensin en la entrada del convertidor solar Vsc. Debido a la etapa de potencia la tensin Vd del circuito DC comienza a aumentar.Dado que el ciclo de trabajo del convertidor DC / DC se fija y la tensin del circuito DC a subir, el condensador de sujecin de tensin de VCL y la tensin de entrada Vsc del convertidor solar tambin se ven obligados a elevarse. Esto conduce a una diferencia temporal de voltaje decreciente entre V0 y Vsc y por lo tanto a una disminucin de la corriente de entrada temporal isc, que se puede ver en la Fig. 8 en los canales 2, 3 y 4.

En la respuesta al escalnde bajada la potencia de entrada de la corriente de entrada se ve afectada de manera similar. Este efecto tambin es disminuido en la reduccin de la desviacin de tensin del circuito DC.En la Fig. 7 y 8 es claramente reconocible, que la desviacin de tensin es mucho menor en el caso del control de prealimentacion.En cuanto a la entrada de corriente isc del convertidor solar, se puede ver, que el control por prealimentado mejora la accin de comando del lazo de control de manera significativa.En la Tabla II se muestran las variaciones de tensin en la simulacin y experimento que compruebe un mayor rendimiento del sistema con control por prealimentacion. Una buena aproximacin relativa entre la simulacin los resultados experimentales se puede lograr en el caso del control de tension orientado de alimentacion positiva. Aplicando el control por prealimentacion propuesto los resultados en la configuracin de laboratorio difieren un poco de los resultados de la simulacin.El dimensionamiento de la capacidad mnima por la ecuacin (4) se demuestra ser la mas adecuada y junto con el control por prealimentacion conduce a una reduccin aceptable de la desviacin de tensin del circuito DC inferior a diez por ciento de la tensin del circuito DC.

ConclusinUn convertidor solar trifsico DC / DC / AC con un mtodo de control para reducir la capacidad del circuito DC ha sido presentado y analizado. En primer lugar la topologa del convertidor solar se ha introducido y las ventajas de la eleccin de la corriente que alimenta el convertidor DC / DC con energa interior de sujecin retroalimentada ha sido explicada. La determinacin de la capacidad mnima del circuito DC se ha descrito y una capacitancia minima ha sido elegida. As, un condensador de pelcula puede se utilizado favorablemnete. Un control de la DC / DC y un control de tension del convertidor CC / CA estn diseados. Adems, el control del convertidor DC / AC se expande por un simple control de alimentacin positiva. Esta estructura de control ampliado ha sido implementada y verificada por simulacin y por resultados experimentales. Los resultados han mostrado un rendimiento aceptable cuando se esta aplicando el metodo de control para el sistema con reduccion de capacitancia.