arnold wiesner hernandez - javeriana

SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A LA LÍNEA, CON CONTROL PROGRAMADO DEL

SUMINISTRO DE ENERGÍA

(T.I.MIE-1203)

ARNOLD WIESNER HERNANDEZ

DIRIGIDO POR:

ING. RAFAEL FERNANDO DÍEZ M.

ING. GABRIEL PERILLA GALINDO

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA

FACULTAD DE INGENIERIA

MAESTRIA INGENIERIA ELECTRONICA

BOGOTA D.C.

MAYO 2013

Tabla de contenido I. INTRODUCCIÓN.......................................................................................................................................1

II. ESPECIFICACIONES ...........................................................................................................................2

III. OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................................................................4

IV. DISEÑO E IMPLEMENTACION .........................................................................................................5

A. Convertidor Buck ...................................................................................................................................5

B. Convertidor DC-DC Bidireccional .........................................................................................................6

C. Inversor de puente completo ..................................................................................................................9

V. SIMULACIÓN ..................................................................................................................................... 11

A. Convertidor Buck ................................................................................................................................. 11

B. Convertidor DC-DC ............................................................................................................................. 13

C. Inversor ................................................................................................................................................ 17

D. Interconexion convertidores Buck y DC-DC elevador. ........................................................................ 19

E. Sistema Completo ................................................................................................................................ 21

VI. ANÁLISIS DE RESULTADOS .......................................................................................................... 25

A. Convertidor Buck: ................................................................................................................................ 25

B. Convertidor DC-DC ............................................................................................................................. 27

1) Modo Boost ..................................................................................................................................... 27

2) Modo Buck ...................................................................................................................................... 29

C. Inversor en puente H ............................................................................................................................ 31

D. Convertidor Buck conectado con el convertidor DC-DC ..................................................................... 32

E. Pruebas del sistema completo interconectado ...................................................................................... 33

VII. CONCLUSIONES. .............................................................................................................................. 34

VIII. Bibliografía .......................................................................................................................................... 35

IX. ANEXOS ............................................................................................................................................. 36

A. Anexo I: Cálculos para el diseño del convertidor Buck ....................................................................... 36

1) Diseño de la Bobina ......................................................................................................................... 36

Para hallar el numero mínimo de vuletas se utiliza la siguiente ecuacion [10]: ........................................ 36

2) Dimensionamiento de interruptor .................................................................................................... 37

3) Dimensionamiento Diodos............................................................................................................... 39

4) Drivers y sensores ............................................................................................................................ 40

5) Algoritmo de MPPT: ....................................................................................................................... 41

B. Anexo 2: Cálculos para el diseño del convertidor Bidireccion DC-DC .............................................. 42

1) Diseño de la Bobina ......................................................................................................................... 42

2) Dimensionamiento del tranformador ............................................................................................... 43

3) Dimensionamientode los interruptores ............................................................................................ 45

4) Dimensionamiento de los Condensadores ....................................................................................... 46


C. Anexo3: Cálculos para el diseño del Inversor en puente H .................................................................. 48

1) Diseño del filtro LC ......................................................................................................................... 48

2) Diseño inductancia: .......................................................................................................................... 49

3) Dimensionamiento Condensador ..................................................................................................... 50

4) Dimensionamiento de los interruptores ........................................................................................... 50


D. Control del sistema ............................................................................................................................... 52

E. Circuitos impresos de los tres módulos ................................................................................................ 57

1) Convertidor Buck ............................................................................................................................. 57

2) Convertidor DC-DC bidireccional: .................................................................................................. 57

3) Inversor en puente H ........................................................................................................................ 57

TABLA DE ILUSTRACIONES

Fig. 1: Diagrama de Bloques del sistema de Generación de energía fotovoltaica. ______________________ 2 Fig. 2: Convertidor Buck con MPPT. ___________________________________________________________ 5 Fig. 3: Convertidor DC-DC Bidireccional. _______________________________________________________ 6 Fig 4: Modelo reflejado al primario convertidor DC-DC. Tomado de [6] ______________________________ 6 Fig 5: Boost y medio puente en serie. _________________________________________________________ 7 Fig. 6: Formas de onda de corriente y voltaje ideales del transformador. Tomado de [6] ________________ 8 Fig 7: Conmutación Suave. _________________________________________________________________ 8 Fig. 8: Inversor puente H. ___________________________________________________________________ 9 Fig. 9: Circuito de simulación Convertidor Buck en PSIM. _________________________________________ 11 Fig. 10: Caracterización del panel en PSIM. ___________________________________________________ 11 Fig. 11: Implementación del algoritmo de P&O por Psim [8]. _____________________________________ 12 Fig. 12: Potencia, voltaje y corriente del módulo solar. __________________________________________ 12 Fig. 13: Oscilación en la potencia entregada. __________________________________________________ 13 Fig. 14: Circuito de simulación Convertidor DC-DC en PSIM. ______________________________________ 13 Fig. 15: Voltajes de los condensadores de primario y secundario. __________________________________ 14 Fig. 16: Voltajes de los interruptores de primario y secundario. ___________________________________ 14 Fig. 17: Voltajes de primario y secundario del transformador. ____________________________________ 15 Fig. 18: Voltajes de primario, secundario y corriente sobre el primario. _____________________________ 15 Fig. 19: Corrientes de primario y secundario. __________________________________________________ 16 Fig. 20: Corriente de salida convertidor DC-DC. ________________________________________________ 16 Fig. 21: Voltaje de salida convertidor DC-DC. __________________________________________________ 16 Fig. 22: Circuito de simulación de inversor en PSIM. ____________________________________________ 17 Fig. 23: Corriente de entrada del inversor. ____________________________________________________ 17 Fig. 24: corriente de entrada del inversor y voltaje de la línea. ____________________________________ 18 Fig. 25. Voltaje, corriente de salida inversor y carga de la bateria. _________________________________ 18 Fig. 26: Voltaje sobre los interruptores del inversor. ____________________________________________ 19 Fig. 27: Circuito de simulación de los convertidores Buck y DC-DC unidos en PSIM. ____________________ 19 Fig. 28: Voltaje y corriente sobre la batería. ___________________________________________________ 20 Fig. 29: Corrientes sobre la batería, convertidor Buck y DC-DC. ____________________________________ 20 Fig. 30: Bidireccionalidad del convertidor DC-DC. _______________________________________________ 21 Fig. 31: Circuito de simulación del sistema completo. ___________________________________________ 21 Fig. 32: Funcionamiento sistema completo. ___________________________________________________ 22 Fig 33: Paso entre carga y descarga con el módulo apagado. _____________________________________ 23 Fig 34: Encendido del módulo solar, descarga de la batería ______________________________________ 24 Fig. 35: Implementación convertidor Buck. ____________________________________________________ 25 Fig. 36: Gráfica obtenida experimentalmente a 40 W. ___________________________________________ 26 Fig. 37: Gráfica obtenida experimentalmente a 100 W.__________________________________________ 26 Fig. 38: Gráfica obtenida experimentalmente a 197 W.__________________________________________ 26 Fig. 39: Gráfica experimental de corriente, voltaje y potencia. ____________________________________ 27 Fig. 40: Implementación convertidor bidireccional. _____________________________________________ 27 Fig 41: Convertidor DC-DC modo Boost en conmutación forzada. __________________________________ 28 Fig 42: Convertidor DC-DC modo Boost en conmutación suave. ___________________________________ 29 Fig. 43: Convertidor DC-DC modo Buck en conmutación forzada. __________________________________ 30 Fig. 44: Convertidor DC-DC modo Buck en conmutación suave. ___________________________________ 30 Fig. 45: Implementación del Inversor. ________________________________________________________ 31 Fig. 46: Señales de salida del inversor. _______________________________________________________ 31 Fig. 47: Convertidor Buck y DC-DC. __________________________________________________________ 32 Fig. 48: Señales sistema completo. __________________________________________________________ 33 Fig. 49: Gráfico de B-H para el material 3F3. __________________________________________________ 37 Fig. 50: Corriente instantánea, promedio sobre el corriente MOSFET y voltaje drain to source. __________ 38 Fig. 51: Corriente instantánea y promedio sobre el diodo D1. _____________________________________ 39

Fig. 52: Configuración del driver IR2110 ______________________________________________________ 40 Fig. 53: Sensor de corriente. _______________________________________________________________ 41 Fig. 54: Sensor de voltaje. _________________________________________________________________ 41 Fig. 55: Algoritmo P&O [12]. _______________________________________________________________ 42 Fig. 56: Configuración del driver L6390. ______________________________________________________ 47 Fig. 57: Sensor de corriente Convertidor DC-DC. ________________________________________________ 47 Fig. 58: Sensor de voltaje convertidor DC-DC. __________________________________________________ 48 Fig. 59: Configuración driver L6390 para Inversor. ______________________________________________ 51 Fig. 60: Sensor de corriente del Inversor. _____________________________________________________ 52 Fig. 61: Sensores de voltaje del inversor. _____________________________________________________ 52 Fig. 62: Circuito impreso Convertidor Buck. ___________________________________________________ 57 Fig. 63: Circuito impreso convertidor bidireccional. _____________________________________________ 57 Fig. 64: Circuito impreso del inversor. ________________________________________________________ 58

1

I. INTRODUCCIÓN

El consumo de energía eléctrica de un usuario no es constante durante el día, puede presentar diferentes picos

y valles dependiendo del sector donde se encuentre el usuario. Además de esto, también puede variar el

consumo por diferentes factores como la época del año o el clima, de ahí que las empresas encargadas del

suministro de energía eléctrica deben siempre asegurar que cuentan con la suficiente energía para abastecer a

todo el público, así como varía el consumo de los usuarios, la capacidad de generación de las empresas

proveedoras de energía también cambia, debido a factores como clima, disponibilidad de combustible, nivel

de agua de los embalses, etc. Por este motivo las empresas deben trasportar energía eléctrica desde lugares

más lejanos, lo que ocasiona pérdidas en el transporte de esta y un mayor valor de la energía, por lo tanto el

precio de la energía es variable dependiendo la distancia, disponibilidad y otros factores.

Debido a estos factores es conveniente que los usuarios puedan tener un sistema de generación y

almacenamiento local de energía, de tal manera que puedan reducir o eliminar los picos presentes en el

consumo vistos desde el distribuidor.

Como solución a este problema en este proyecto se plantea el diseño, simulación e implementación de un

sistema que pueda entregar (horas pico) o recibir (horas valle) energía de la línea.

Adicionalmente, teniendo en cuenta que el uso de sistemas fotovoltaicos para generación de electricidad es

una práctica cada vez más común en el ámbito mundial y que durante los últimos 30 años el desarrollo

tecnológico en este campo ha permitido una reducción de 95 % en el costo de los módulos fotovoltaicos

comerciales, a la par de un incremento cercano al 200% en su eficiencia. [1], se plantea incluir generación

local de energía utilizando esta fuente renovable, con el fin de suplir las necesidades mencionadas

anteriormente.

El sistema completo tomará energía de un módulo solar y mediante un convertidor cargará la batería

obteniendo la máxima potencia posible. El sistema será capaz de suministrar energía a la línea de dos fuentes:

la batería, o en el caso de que la batería esté cargada, directamente del módulo solar; además se podrá recibir

energía de la línea si el módulo solar no es capaz de generar la energía suficiente para cargar la batería, para

esto se necesitará la implementación de un convertidor bidireccional aislado elevador y un inversor.

Este sistema supondrá un ahorro para las empresas de generación, transporte y distribución de energía que

podrían dimensionar sus equipos más pequeños y por lo tanto ver este ahorro reflejado en el costo de la

energía eléctrica facturada al usuario. Por otro lado, se tendría una red de suministro eléctrico más sólida

porque estaría compuesta de pequeños generadores, que la harían más tolerante a fallas.

2

II. ESPECIFICACIONES

En el proyecto se pretende diseñar e implementar un sistema de generación de energía fotovoltaica con batería

y conectado a la línea, con mínimo un módulo solar de aproximadamente 200 W pico.

Este sistema tomará energía de un panel solar, cargará la batería y suministrará energía a la línea en dos

formas:

1. Cuando la batería esté cargada y el módulo solar siga generando energía

2. Cuando se haya programado en el control del sistema: en ese momento el sistema tomará energía de

la batería y/o del módulo solar. Esta programación indicará durante cuánto tiempo debe suministrar

energía a la línea y en qué forma debe suministrarla

Podemos dividir nuestro sistema en cuatro grandes módulos, como podemos ver en la Fig. 1: el primer

módulo será el cargador de batería, el segundo será el módulo del convertidor DC-DC elevador, el tercero

será el módulo inversor y el cuarto será el módulo del control.

Fig. 1: Diagrama de Bloques del sistema de Generación de energía fotovoltaica.

El primer módulo será el encargado de obtener la energía del panel solar, para poder cargar la batería o si esta

se encuentra cargada, de suministrar la energía proveniente del panel, directamente al siguiente módulo. Se

implementará inicialmente un convertidor que nos permita obtener el MPPT de la fuente fotovoltaica,

además sus valores de voltaje y corriente permitan cargar la batería de manera adecuada, para evitar daños.

El segundo módulo podrá tomar energía de la batería o del módulo anterior; éste se encargará de subir el

voltaje, para poder entregarlo al inversor en el nivel adecuado. En este módulo se implementará un

convertidor bidireccional que permita el flujo de energía entre la batería y la línea en ambos sentidos, además

este tendrá aislamiento galvánico, que permita separar de la línea de la fuente de generación de energía

fotovoltaica y de su almacenamiento de energía.

El tercer módulo será el inversor, que tomará una señal DC para convertirla en una señal AC de 120 Vrms;

además tendrá la capacidad de tomar potencia de la línea, cuando se desee almacenar energía en la batería y el

panel solar no tenga la capacidad de entregarla. Debido a esto, este convertidor también debe ser

bidireccional.

El cuarto módulo se encargará de manejar los tres módulos anteriores, este tendrá que utilizar un algoritmo de

MPPT(Maximum Power Point Tracking), sobre el primer módulo, para así poder obtener la mayor cantidad

de potencia instantánea del panel solar, además el control tendrá que decirle al sistema en qué momento debe

dejar de suministrar energía a la batería y entregarle a la línea, o en qué momento el sistema debe tomar

energía de la línea, durante cuánto tiempo, en que forma el sistema tomará energía de la batería para

VModSolar

IModSolar

IBAT VBAT

VinInv

IoutInv

VoutInv

PWM PWM PWM

3

entregársela a la línea, también se debe regular el voltaje y la corriente para cargar la batería de manera

correcta y no dañarla.

4

III. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Estudiar las topologías de los convertidores que permitan el flujo de energía bidireccional entre la

línea y la batería.

Diseñar los convertidores que permitan suministrar energía a la línea y cargar un arreglo de baterías.

Diseñar e implementar el control mediante un DSP, que permita programar la carga de la batería, la

cantidad de energía entregada a la línea y el momento en que esta energía se entrega.

Identificar e implementar un sistema MPPT que sea apropiado para el sistema.

Implementar y verificar el funcionamiento del sistema fotovoltaico.

Realizar pruebas del sistema fotovoltaico, en un ambiente de laboratorio donde podamos conocer la

cantidad de energía que el sistema entrega a la línea y en qué momento la entrega a la línea.

5

IV. DISEÑO E IMPLEMENTACION

El sistema fotovoltaico bidireccional conectado a la línea está compuesto por tres convertidores previamente

descritos; para el primer módulo se ha escogido un convertidor tipo Buck, en el segundo módulo se elaboró

un convertidor DC-DC bidireccional, que se basa en una topología de doble medio puente activo y en el tercer

módulo se implementará un inversor monofásico de puente completo. A continuación veremos una breve

explicación del funcionamiento de cada convertidor.

A. Convertidor Buck

El esquemático de la Fig. 2 muestra el convertidor DC/DC Buck, utilizado para reducir el voltaje del panel al

nivel de la batería, al mismo tiempo que implementa el algoritmo de MPPT. Se ha escogido este tipo de

convertidor ya que los niveles de voltaje de la batería oscilan entre 10.5 V y 13.7 V, este último siendo el

voltaje de flotación que la batería alcanza cuando está completamente cargada. Los voltajes de salida del

módulo solar oscilan entre 15 V y 29.12 V; de ahí que la topología escogida deba ser una topología reductora

en voltaje. Por otra parte la corriente máxima que genera el convertidor Buck será de 19 A, la corriente

máxima de carga de la batería es de 16.25 A, por esto se hace necesario que el control del siguiente

convertidor, cuando el módulo solar genere máxima potencia, cargue la batería a su corriente máxima y el

excedente sea entregado a la línea.

A la salida del módulo solar, se utiliza una inductancia Lc para modelar el cableado, que es normalmente

largo. El diodo D2 se utiliza como protección para impedir la inyección accidental de corriente hacia el

módulo. El condensador C1, de donde se toma la muestra de voltaje, es usado en conjunto con el cable, como

un filtro pasa bajo para evitar que el módulo solar entregue una corriente pulsada, teniendo en cuenta que el

convertidor Buck tiene el interruptor en la entrada.

El condensador C2 sirve para suministrar los picos de corriente que la carga pueda solicitar y de esta manera

aumentar la vida útil de la batería. El diseño detallado del convertidor Buck se muestra en el Anexo 1 (IX.A).

Fig. 2: Convertidor Buck con MPPT.

Con el fin de dimensionar los componentes del convertidor, se muestran las especificaciones del sistema:

Siendo fs la frecuencia elegida para la conmutación del convertidor.

6

B. Convertidor DC-DC Bidireccional

En el segundo módulo se implementa un convertidor bidireccional aislado, que se basa en la topología de

medio puente. Este es un convertidor utilizado en aplicaciones de celdas de combustible y baterías [2] [3] [4]

[5] [6]. Este convertidor se encarga de darle aislamiento al sistema, cargar la batería con energía de la línea, si

es necesario y entregar energía de la batería o del módulo solar hacia la línea si el sistema tiene la energía

suficiente, controlando la cantidad de energía entregada o recibida por la batería, para que esta no se averíe en

el proceso de carga o descarga.

Fig. 3: Convertidor DC-DC Bidireccional.

La topología del convertidor se observa en la Fig. 3, este permite tomar un voltaje bajo (10.5 V – 13.7 V) y

llegar hasta un voltaje alto deseado (200 V-300 V). Hay varias topologías que pueden ofrecer esto, sin

embargo hay muchas de estas que son de baja potencia o unidireccionales; una de las topologías más

utilizadas para este tipo de aplicaciones es el doble puente bidireccional, aunque este presenta problemas de

rizados altos de corriente en el lado de bajo voltaje. [7]

El convertidor seleccionado conecta dos buses DC, el lado de bajo voltaje y el de alto voltaje, como se ve en

el modelo simplificado referido al primario que se muestra en la Fig 4.

Fig 4: Modelo reflejado al primario convertidor DC-DC. Tomado de [6]

Una manera de entender el funcionamiento del convertidor, sería mirándolo como dos convertidores en

cascada, el primero sería un convertidor Boost formado por los interruptores Q1, Q2 y la inductancia Ldc

entre los voltajes VA y VM; el segundo convertidor sería un medio puente formado por los interruptores Q1 y

7

Q2, los condensadores C1 y C2 y la inductancia de fugas del transformador en el primario L, como se ve en la

Fig 5.

Fig 5: Boost y medio puente en serie.

El convertidor Boost se encarga de elevar el voltaje de VA hasta VM y el medio puente se encarga de tomar el

voltaje VM y volverlo una señal AC que entraría al transformador; en la Fig 5 se ven 4 interruptores, pero son

solos dos, ya que se ve que los interruptores tienen el mismo voltaje, se simplifica a dos interruptores y se

obtiene el circuito de la Fig 4. Después de esto la señal AC Vp es elevada por el transformador, entra al medio

puente del lado de alto voltaje y este la transforma en la señal DC VB.

Cuando el flujo de energía sea en sentido opuesto, el medio puente del lado de alto voltaje, toma la señal DC

Vb y la vuelve una señal alterna VS, esta señal es reducida en voltaje por el transformador; el medio puente del

lado de bajo voltaje toma la señal AC VS y la convierte en una señal DC VM, esta señal VM es tomada por los

interruptores Q1 y Q2 junto con la inductancia Ldc que ahora trabajan en modo Buck para tomar el voltaje VM

y reducirlo al voltaje VA.

La transferencia de energía en el convertidor se hace mediante el transformador, quien además le da

aislamiento al primario del secundario y eleva o reduce voltaje entre estos. Los interruptores operan con ciclo

útil constante (50 %). A cada lado del transformador son aplicadas señales alternas rectangulares Vp y Vs con

desfase ϕ1. Esto hace que circule energía sobre la inductancia de fugas del transformador, lo que produce que

en un ciclo de conmutación almacene energía de uno de los lados del convertidor y entregue energía al otro

lado, la dirección y cantidad de energía entregada se controla con el desfase ϕ1 trabajando entre -90° y 0° en

modo BUCK y entre 0° y 90° en modo BOOST, alcanzando el valor de máxima potencia en -90° y 90°,

respectivamente. Esto se aprecia mejor en la Fig. 6.

8

Fig. 6: Formas de onda de corriente y voltaje ideales del transformador. Tomado de [6]

El convertidor está diseñado para trabajar en conmutación suave, añadiendo condensadores de snubber en

paralelo a los cuatro interruptores del convertidor. La conmutación suave se logra cuando los interruptores se

encienden con voltaje cero como se ve en la Fig 7. Cuando el interruptor está apagado el condensador de

snubber se carga mientras se apaga el otro interruptor, es decir, el circuito está en el tiempo muerto donde los

dos interruptores están apagados, el diodo del interruptor empieza a conducir y se empieza a descargar el

condensador de snubber hasta llegar a cero, en el momento que esto suceda se debe encender el interruptor,

esto reduce considerablemente las perdidas en conmutación. Cabe anotar que el convertidor sólo funcionará

en conmutación suave en un rango de potencias [6].

Fig 7: Conmutación Suave.

9

Las especificaciones de convertidor DC-DC son:

Relación de vueltas del transformador: 1:10

C. Inversor de puente completo

Para el tercer módulo se ha escogido un inversor en puente H. El inversor en puente H, es una configuración

típica de inversor, que permite obtener una señal alterna ante una entrada DC. Este convertidor se encarga de

determinar cuándo se entrega o se recibe energía de la línea, tomando como referencia el voltaje de la línea y

controlando la corriente de la línea, colocándola en fase o contrafase con el voltaje, dependiendo de la

dirección de la energía; el control se implementa en un DSP.

En la Fig. 8, se ilustra la configuración del inversor en puente H. Se observa un condensador de entrada Cin, que es el mismo condensador de salida del convertidor DC-DC; después se ven los cuatro interruptores que se

encienden de manera cruzada S1 y S4 o S2 y S3; por último el filtro LC encargado de sacar el promedio de la

señal del puente H y filtrar las frecuencias altas, para poder obtener a la salida señales de voltaje y corriente

con frecuencia de 60 Hz. Los cálculos en detalle del inversor se encuentran en el anexo IX.C

Fig. 8: Inversor puente H.

Las especificaciones del inversor son:

Siendo potencia máxima del convertidor, frecuencia de las señales de salida, frecuencia de

conmutación de los interruptores, el rango de voltajes de entrada del convertidor. Estos valores provienen

del valor mínimo y máximo de la batería, es decir, cuando la batería está en 10.5 V, que es el voltaje mínimo

permitido por el sistema; el convertidor DC-DC lo eleva hasta 210 V y lo mismo sucede para el caso de

máximo voltaje de la batería que es de 13.7 V; caso similar para el rango de corriente de entrada del inversor

, ya que el convertidor DC-DC es también de 200 W, el rango de corriente corresponde a los valores de

voltaje previamente dados y la potencia del convertidor. es el voltaje de salida y éste lo impone la línea

10

que es nominalmente de 120 Vrms; es la corriente máxima que el convertidor puede entregar al sistema,

ya que con esta corriente se alcanzan los 200 W. El sistema no siempre podrá entregar este valor, por lo tanto

los valores de corrientes variarán dependiendo de la energía disponible por el sistema.

11

V. SIMULACIÓN

A. Convertidor Buck

Se simula el convertidor Buck propuesto con el algoritmo de MPPT de P&O, con el programa PSIM 9.0.4 de

PowerSim; el convertidor simulado es el siguiente:

Fig. 9: Circuito de simulación Convertidor Buck en PSIM.

Con ayuda del módulo fotovoltaico de PSIM se ha caracterizado el panel solar Moserbaer 210 .

Fig. 10: Caracterización del panel en PSIM.

Además se toma el modelo de simulación del algoritmo de MPPT (P&O), elaborado por PowerSim y

mostrado a continuación:

12

Fig. 11: Implementación del algoritmo de P&O por Psim [8].

Se simula el sistema y se observa la respuesta del convertidor al algoritmo de MPPT.

Fig. 12: Potencia, voltaje y corriente del módulo solar.

13

En la Fig. 12, se observa como el algoritmo de MPPT toma cerca de 2 ms, para estabilizarse cerca del punto

de máxima potencia. En este caso, el tiempo de muestreo de la potencia es el paso del cálculo del simulador y

por lo tanto se estabiliza muy rápido. También se ven el voltaje y la corriente entregados por el panel solar.

En estas gráficas se observa, como después de que el algoritmo alcanza el estado estacionario, la corriente y el

voltaje empiezan a oscilar muy cerca de los puntos de voltaje y corriente de máxima potencia, esto es de

esperar, ya que como se había mencionado anteriormente, este algoritmo nunca alcanza el punto de máxima

potencia, si no que oscila muy cerca a éste.

Fig. 13: Oscilación en la potencia entregada.

Si se acerca más la gráfica de la potencia entregada por el panel, como lo muestra la Fig. 13, se puede ver que

no es exactamente la máxima potencia, si no que el algoritmo hace que la potencia entregada oscile alrededor

de este punto, lo que se apreciaba en la Fig. 12 con el voltaje y la corriente.

B. Convertidor DC-DC

Para simular el convertidor DC-DC, se emplea la topología descrita previamente y el dimensionamiento del

convertidor elaborado en el anexo IX.B, la simulación se ha hecho con la siguiente configuración:

Fig. 14: Circuito de simulación Convertidor DC-DC en PSIM.

14

Lo primero que se observa en la simulación son los voltajes de los condensadores de primario y secundario en

la Fig. 15; se puede ver que los condensadores de primario alcanzan un voltaje en estado estacionario igual a

Vin y los condesares de secundario se cargan a

, siempre y cuando los valores de primario sean iguales y

los valores de secundarios sean iguales, como se definió para esta simulación, esto concuerda con el

funcionamiento y dimensionamiento realizado.

Fig. 15: Voltajes de los condensadores de primario y secundario.

En la Fig. 16 se pueden observar los voltajes de los interruptores de primario y secundario, con esto se puede

ver que los interruptores de primario soportan un valor de 2Vin y los de secundario el voltaje de salida Vout;

esto concuerda con lo diseñado.

Fig. 16: Voltajes de los interruptores de primario y secundario.

En la Fig. 17 se observan los voltajes Vp y Vs de la Fig 4. En esta gráfica se observa el desfase que hay entre

los voltajes para que el convertidor funciones en modo BOOST, además se puede apreciar la relación de

transformación entre primario y secundario.

15

Fig. 17: Voltajes de primario y secundario del transformador.

Para la Fig. 18, se ha reducido el voltaje de secundario diez veces, con esto se puede apreciar mejor la forma

de onda de corriente . Se pueden ver los cambios de pendientes de la corriente dependiendo la diferencia

entre Vp y Vs.

Fig. 18: Voltajes de primario, secundario y corriente sobre el primario.

En la Fig. 19 se pueden ver las formas de onda de corriente en primario y secundario, se ve que la forma de

onda no varía entre primario y secundario lo único diferente entre las gráficas es que la de secundario es diez

veces menor a la de primario, esto concuerda con la relación de transformación y con el comportamiento del

convertidor mencionado anteriormente.

16

Fig. 19: Corrientes de primario y secundario.

En las

Fig. 20 y Fig. 21 se ve el voltaje de salida y la corriente de salida del convertidor DC-DC en modo BOOST,

con una carga de 376 Ω, esto equivale a la máxima potencia que puede entregar 200 W. En las gráficas se

observa un voltaje de salida de 274 V y una corriente 0.73 A aproximadamente, además se observa que las

señales tienen poco rizado y se mantienen estables en el tiempo.

Fig. 20: Corriente de salida convertidor DC-DC.

Fig. 21: Voltaje de salida convertidor DC-DC.

17

C. Inversor

Para simular el inversor se emplea la topología descrita previamente y el dimensionamiento del convertidor

(ver anexo IX.C). La simulación se ha hecho con la siguiente configuración:

Fig. 22: Circuito de simulación de inversor en PSIM.

En la Fig. 23 podemos apreciar la forma de onda de la corriente de entrada del inversor. Se puede ver que la

corriente sigue una forma de onda sinusoidal.

Fig. 23: Corriente de entrada del inversor.

En la Fig. 24 se ha colocado el voltaje de salida, es decir el voltaje de la línea, para que se observe mejor la

señal de corriente de entrada del convertidor además de su forma sinusoidal, tiene una frecuencia igual al

doble de la salida (120 Hz) y un valor pico a pico aproximado de 2.4 A, lo cual coincide con lo diseñado.

18

Fig. 24: corriente de entrada del inversor y voltaje de la línea.

En la Fig. 25 se observa el voltaje de salida, junto con la corriente de salida y el voltaje de la batería, simulado

ente caso por una señal paso que tiene un valor inicial de 14 V, representando la situación cuando la batería

está cargada y un valor mínimo de 10 V, simulando la situación de batería descargada. Se puede ver que

cuando la batería está cargada, es decir el sistema tiene energía almacenada para entregar, la corriente se pone

en fase con el voltaje de la línea y se entrega energía a la línea con una corriente pico de aproximadamente 1.7

A, lo cual indica que el sistema está entregando 200 W, que es la cantidad máxima de energía que puede

entregar el sistema. Después, cuando el valor de la batería desciende y simula la descarga del sistema, se

observa que la corriente cambia de fase para ponerse en contrafase(180º) con el voltaje de salida, es decir, el

sistema deja de entregar energía a la línea para recibir energía de esta y con ella poder cargar la batería.

Podemos ver que el valor pico de corriente se mantiene, lo cual indica que el sistema está recibiendo 200 W;

esta simulación comprueba la bidireccionalidad del inversor, su funcionamiento, correcto dimensionamiento y

su control.

Fig. 25. Voltaje, corriente de salida inversor y carga de la bateria.

En la Fig. 26 se puede ver que el valor de voltaje que soportan los interruptores es igual al voltaje de entrada,

que en la simulación corresponde al caso máximo igual a 274 V.

19

Fig. 26: Voltaje sobre los interruptores del inversor.

D. Interconexion convertidores Buck y DC-DC elevador.

En esta simulación se prueba el funcionamiento del convertidor DC-DC junto al convertidor BUCK, además

se verifica la bidireccionalidad de convertidor DC-DC; esta simulación se hace uniendo los dos circuitos

simulados previamente en los numerales a y b, añadiendo el control de convertidor DC-DC. No se ha añadido

ningún elemento a los simulados previamente y sólo se ha cambiado el valor de la capacitancia de la batería a

uno menor para lograr que la simulación pueda mostrar la carga y descarga de la batería. Esto no afecta el

funcionamiento del circuito, sólo se hace con el fin de apreciar un ciclo completo del sistema; el circuito

simulado es el siguiente:

Fig. 27: Circuito de simulación de los convertidores Buck y DC-DC unidos en PSIM.

En la Fig. 28 se observa el voltaje de la batería y la corriente de la batería, se puede dividir la gráfica en tres

secciones:

1. La primera sección cuando el voltaje de la batería baja hasta 11 V y se empieza a cargar; se

puede ver que el voltaje de la batería sube de manera lineal y la corriente sobre la batería se

mantiene casi constante.

20

2. La segunda sección es cuando el voltaje de la batería llega a 13.7 V y el voltaje tiende a

mantenerse constante en este valor, mientras la corriente de la batería empieza a decrecer de

manera exponencial hasta quedar muy cerca a cero.

3. La tercera sección es cuando la corriente de la batería se acerca a cero y ha alcanzado su voltaje

de flotación que en este caso es de 13.7 V; después de esto la corriente de la batería se vuelve

negativa ya que esta se ha cargado completamente y empieza a entregar energía. Estas tres

secciones componen el proceso apropiado para la carga y descarga de la batería.

Fig. 28: Voltaje y corriente sobre la batería.

En la Fig. 29 se ven las corrientes del nodo que se forma entre la corriente de salida del convertidor BUCK, la

corriente sobre la batería y la corriente de entrada al convertidor DC-DC; en este caso el panel se encuentra

generando energía durante todo el proceso , de ahí que la corriente de salida del convertidor BUCK (verde)

siempre se mantenga positiva. La corriente sobre la batería (Azul) se muestra negativa mientras la batería está

entregando energía y positiva cuando la batería recibe energía para cargarse. Para que el nodo tenga

congruencia, la corriente de entrada del convertidor DC-DC (Rosa), debe ser la resta de las dos anteriores,

esto se confirma en la gráfica ya que cuando la batería entrega energía y el convertidor BUCK también, la

corriente es positiva y su valor es la resta de las dos, cuando la batería entrega toda la energía y empieza a

recibir energía para cargarse la corriente de entrada baja casi hasta cero ya que la mayoría de la corriente del

convertidor BUCK va hacia la batería y sólo llega hasta el convertidor DC-DC la corriente sobrante del

convertidor BUCK, porque la batería sólo puede cargarse con hasta 16.25 A y el convertidor BUCK a

máxima potencia genera casi 19 A de salida; los casi 3 A sobrantes son los que van hacia el convertidor DC-

DC.

Fig. 29: Corrientes sobre la batería, convertidor Buck y DC-DC.

21

En la Fig. 30 se observa la bidireccionalidad del convertidor DC-DC. En esta simulación el módulo

fotovoltaico entrega energía durante un tiempo y después se apaga, simulando el día y la noche. Se ve la

potencia entregada por el módulo fotovoltaico (Verde).

En la primera parte de la simulación la potencia entregada por el módulo es de aproximadamente 0 W

(Noche), pero a pesar de esto se pueden apreciar las tres secciones de carga y descarga de la batería (Roja), se

ve que la batería recibe energía , ya que su corriente es positiva (Azul), pero la corriente no proviene del

convertidor BUCK (Morado), ya que esta se mantiene en cero, por el contrario la corriente del convertidor

DC-DC es negativa (Rosa), lo que no se había podido apreciar en anteriores simulaciones. Esto quiere decir

que el convertidor DC-DC es el que está proporcionando la energía para que la batería se cargue.

Después de que la batería ha alcanzado su voltaje de flotación y su corriente es cercana a cero, esta empieza a

entregar energía; por lo tanto la corriente del convertidor DC-DC se vuelve positiva, porque ha dejado de

entregar energía y ha comenzado a recibirla. Cuando otra vez se encuentra en el proceso de carga de la

batería, el módulo fotovoltaico se enciende, haciendo que la corriente del convertidor Buck sea positiva; la

batería no nota el cambio y sigue recibiendo la misma cantidad de corriente, pero la corriente del convertidor

DC-DC deja de ser negativa y queda muy cercana a cero. Este proceso ya se vio en la simulación anterior:

mientras el módulo fotovoltaico está encendido la pendiente de descarga de la batería es mucho menor ya que

la energía entregada por el módulo, hace que la batería entregue mucha menos energía.

Al final de la gráfica se puede observar cómo cambia la pendiente de descarga ya que el módulo se vuelve a

apagar y la batería es la única fuente de energía para el convertidor DC-DC.

Fig. 30: Bidireccionalidad del convertidor DC-DC.

21

E. Sistema Completo

La simulación del sistema completo se realiza con el esquemático que se muestra en la Fig. 31.

Fig. 31: Circuito de simulación del sistema completo.

22

Fig. 32: Funcionamiento sistema completo.

23

En la Fig. 32. Se puede apreciar el comportamiento completo del sistema; se puede ver la potencia entregada

por el módulo solar (Rojo), que es aproximadamente 100 W; se ve el voltaje sobre la batería (Azul), la

corriente sobre la batería (Verde), la corriente sobre convertidor DC-DC (Amarillo) y la corriente de salida

del convertidor Buck (Morado).

Se observa, que mientras el módulo solar está apagado y la batería se está cargando, la corriente sobre el

convertidor DC-DC es igual a la corriente entregada por la batería; cuando la batería se carga y deja de pedir

energía, la corriente sobre el convertidor DC-DC cambia de signo, es decir deja de pedir energía a la línea y

empieza a entregar energía a la línea.

Cuando todavía no ha terminado de descargarse la batería por completo, se enciende el módulo solar; en este

momento la corriente de la batería disminuye un poco ya que entrega menos energía a la línea porque el

módulo solar se encendió; la batería desciende hasta su voltaje mínimo y empieza a cargarse; la corriente del

convertidor DC-DC disminuye a cero para que toda la energía generada por el módulo solar vaya a la batería.

La batería después de un tiempo alcanza su voltaje de flotación y se aprecia como la corriente empieza a

disminuir hasta un valor cercano a cero, cuando ocurre esto, el convertidor DC-DC empieza a recibir energía

del módulo solar y de la batería. En este ejemplo recibe los 100 W del módulo solar y la batería estaría

aportando los otros 100 W, esto se aprecia en el valor de corriente entregado por la batería: cuando el módulo

estaba apagado entregaba cerca de 20 A, cuando se encendió el módulo solar entrega cerca de 10 A. mientras

la batería se descarga, el módulo solar se apaga, lo que hace que la corriente entregada por la batería se

incremente y por tanto se descargue más rápido, después de un tiempo se descarga por completo y empieza a

cargarse pero con energía de la línea y el ciclo se repite otra vez.

Debido a que los tiempos de carga y descarga de la batería son muy grandes respecto a la frecuencia de

oscilación de la salida (60 Hz), se va a mirar como el control del inversor cambia de fase o se apaga

dependiendo los casos vistos en la Fig. 32.

Fig 33: Paso entre carga y descarga con el módulo apagado.

24

En la Fig 33, se puede ver el cambio de la batería cuando llega a su voltaje de flotación. Cuando se estaba

cargando y el módulo solar no entrega potencia, se puede ver la corriente de salida en contrafase con la línea,

es decir la batería se está cargando con la línea. Después de alcanzar el voltaje de flotación, la corriente

cambia de fase y se pone en fase con la línea es decir entrega energía a la línea.

Fig 34: Encendido del módulo solar, descarga de la batería

En la Fig 34, se aprecia cómo se descarga la batería y en ese proceso se enciende el modulo solar. A pesar del

cambio, la corriente de salida del inversor no cambia su amplitud porque sigue entregando 200 W, así toda la

potencia no provenga de la batería.

25

VI. ANÁLISIS DE RESULTADOS

Para el análisis de resultados se muestran las pruebas realizadas a cada uno de los tres módulos de potencia y

después la integración del sistema.

A. Convertidor Buck:

Para analizar los resultados prácticos del convertidor Buck, se utiliza un emulador fotovoltaico Magna-Power.

Este permite programar el panel solar con diferentes valores de potencia de salida. Se conecta la fuente de

Magna-Power al convertidor Buck y con la ayuda de la interfaz de usuario de la fuente, se observa que el

convertidor se estabiliza alrededor del punto de máxima potencia.

Fig. 35: Implementación convertidor Buck.

En las figuras Fig. 36, Fig. 37, Fig. 38 se observa un conjunto de gráficas de salida del emulador del módulo a

diferentes potencias máximas posibles, las cuales son: la gráfica ubicada en la parte superior izquierda y de

mayor tamaño, correspondiente al voltaje vs corriente; la gráfica en la parte superior derecha, es la potencia vs

voltaje; la gráfica central derecha, es la potencia vs corriente, siendo el punto marcado con un circulo la

posición actual del convertidor y el punto marcado con una X el punto deseado (MPP); las tres gráficas

inferiores son voltaje, corriente y potencia vs tiempo, siendo voltaje la gráfica de la izquierda, corriente la del

centro y potencia la de la derecha.

26

Fig. 36: Gráfica obtenida experimentalmente a 40 W.



27

Fig. 39: Gráfica experimental de corriente, voltaje y potencia.

En las figuras Fig. 36, Fig. 37, Fig. 38, se ve como el algoritmo de P&O, se estabiliza en el tiempo cerca al

punto de máxima potencia, para tres diferentes casos de potencia entregada por el modulo solar. En la Fig. 39

se observan en el osciloscopio las señales de corriente, voltaje y potencia suministradas por el modulo solar al

convertidor, ante variaciones de intensidad lumínica. Se pueden apreciar los tres valores distintos de potencia

entregada por el módulo, el tiempo que le lleva al convertidor estabilizarse y la oscilación que hace el sistema

alrededor del punto de máxima potencia.

B. Convertidor DC-DC

El convertidor DC-DC se debe probar en sus dos modos Buck y Boost.

Fig. 40: Implementación convertidor bidireccional.

1) Modo Boost

Para probar el convertidor en el modo Boost se utiliza como fuente de alimentación la batería y a la

salida se pone una carga resistiva de 300 Ω.

Corriente Panel

Potencia Panel

50 W/

Voltaje Panel

50 W/

28

Fig 41: Convertidor DC-DC modo Boost en conmutación forzada.

En la Fig 41, se ven las señales cuadradas en ambos lados del transformador, siendo azul la del lado de bajo

voltaje y la verde la del lado de alto voltaje, la señal de corriente sobre la inductancia de fugas en el lado

secundario (Amarillo) y la señal de corriente que entrega la batería (roja).

Se ve que el desfase entre las señales de voltaje es de 34.4º, la potencia entregada por la batería es cercana a

los 60 W y la potencia entregada a la carga es cercana a los 50 W, ya que el voltaje de salida es de 120 V, esto

se debe en parte a que el convertidor se encuentra en conmutación forzada, lo que se aprecia en los picos

presentes en la señal de voltaje verde.

29

Fig 42: Convertidor DC-DC modo Boost en conmutación suave.

En la Fig 42, se aprecia que el desfase entre las señales de voltaje se ha incrementado y ha hecho que el

convertidor salga de la conmutación forzada, esto se puede apreciar en la señal de voltaje verde, ya que los

picos han desaparecido. La señal de voltaje bajo ha estado, en los dos casos en conmutación suave a pesar de

presentar un rizado en la señal, que se puede deber a los componentes parásitos del sistema.

La corriente entregada por la batería ha aumentado, por lo tanto la potencia también, ahora esta última es

cercana a los 100 W y el voltaje sobre la carga es cercano a los 170 V. Aunque ha aumentado la eficiencia con

respecto al caso anterior, siguen habiendo pérdidas considerables que se pueden presentar en la inductancia de

entrada, el transformador y las pérdidas en conducción de los MOSFET. La pendiente de la corriente sobre el

secundario cuando los dos voltajes se encuentras bajos o altos se ha hecho menos pronunciada esto se debe a

que la diferencia de potencial sobre la inductancia de fugas se ha hecho menor, lo cual es mejor ya que habrá

menor cantidad de corriente sobre el transformador y picos de corriente más pequeños y esto bajará las

pérdidas en el transformador.

2) Modo Buck

Para probar el convertidor en el modo Buck se utiliza como fuente de alimentación, una fuente

Magna-Power XRii 600-9, esta permite tener voltajes de alimentación de hasta 600 VDC; que se

ajusta en 240 V. Como carga se utiliza una resistencia de 2.6 Ω.

30

Fig. 43: Convertidor DC-DC modo Buck en conmutación forzada.

En la Fig. 43. Se ve que el desfase entre las señales de voltaje es de -18.2º, la potencia entregada por la fuente

es cercana a los 40 W y la potencia entregada a la carga es cercana a los 28 W ya que el voltaje de salida es de

10 V; esto se debe en parte a que el convertidor se encuentra en conmutación forzada, lo que se aprecia en los

picos presentes en la señal de voltaje verde.

Fig. 44: Convertidor DC-DC modo Buck en conmutación suave.

31

En la Fig. 44, se ve que el desfase entre las señales de voltaje se ha incrementado y ha hecho que el

convertidor salga de la conmutación forzada, esto se aprecia en la señal de voltaje verde, ya que los picos han

desaparecido, la señal de voltaje bajo ha estado, en los dos casos expuestos en conmutación suave pero en este

caso se nota un incremento en la oscilación cuando entran en conmutación suave, que se puede deber a los

componentes parásitos del sistema y a la carga resistiva. Esta oscilación hace que las pérdidas del sistema

aumenten, aunque no necesariamente esta energía perdida esté en los interruptores, ya que puede estar en los

otros elementos pasivos del circuito.

Se han realizado pruebas para determinar la cantidad de pérdidas que aportan la inductancia de entrada y el

transformador: se ha podido establecer que las pérdidas sobre la inductancia son pocas y no superan el 1%,

pero en el transformador las pérdidas varían hasta un 20 %, lo cual afecta drásticamente la eficiencia del

transformador. Es posible que disminuyendo la densidad de corriente y aumentando el tamaño del núcleo, se

disminuyan las perdidas.

C. Inversor en puente H

Para las pruebas de laboratorio del inversor se utiliza la fuente de alimentación Magna-Power, ajustada entre

200 – 300 VDC y una carga resistiva.

Fig. 45: Implementación del Inversor.

Para realizar las pruebas del inversor se ha controlado el convertidor en modo voltaje, ya que éste no está

conectado a la línea.

Fig. 46: Señales de salida del inversor.

32

En la Fig. 46 se ven las señales de la salida del inversor, corriente (Amarillo) y voltaje (Verde), se puede

apreciar sobre las señales un ruido en alta frecuencia que corresponde justamente a la frecuencia de

conmutación del sistema.

D. Convertidor Buck conectado con el convertidor DC-DC

Para esta prueba se interconectan los dos primero módulos del sistema. Se alimentará en convertidor Buck

con la fuente Magna-Power emulando un módulo solar y a la salida del convertidor DC-DC se colocará una

carga resistiva y otra fuente que permita tener el voltaje de salida constante, esto se hace para que la prueba se

acerque mucho más a las condiciones reales de funcionamiento del sistema.

Fig. 47: Convertidor Buck y DC-DC.

En la Fig. 47, se puede observar el funcionamiento de los dos primeros módulos trabajando juntos. Se puede

ver la corriente de salida del convertidor Buck (Amarillo), la corriente sobre la batería (Rojo) y los voltajes de

primario y secundario del convertidor DC-DC (Azul y Verde). Se observa que el convertidor DC-DC está

pidiendo cerca de 90 W de potencia, esta potencia la aporta en parte el panel solar, cerca de 56 W y el resto lo

aporta la batería 34 W.

33

E. Pruebas del sistema completo interconectado

Se han interconectado los tres módulos, con una carga resistiva en la salida del inversor y la fuente Magna-

Power emulando el panel solar.

Fig. 48: Señales sistema completo.

En la Fig. 48 se pueden ver las señales del sistema completo funcionando: el voltaje de salida del sistema

(Azul), voltaje de salida del convertidor DC-DC elevador (Verde), Corriente de entrada del convertidor DC-

DC (Roja), corriente de entrada del inversor (Amarilla).

Se puede ver la señal de voltaje de salida del sistema, con forma sinusoidal, frecuencia aproximada de 60 Hz,

se aprecia el ruido de conmutación sobre la señal de salida, como se había visto en la prueba del inversor; se

puede ver la señal de corriente de entrada del inversor, que es una señal con alto contenido armónico y con

frecuencia igual al doble de la señal de salida, como se había visto en la simulación Fig. 24.

34

VII. CONCLUSIONES.

Se han podido probar los tres módulos del sistema por separado y se ha podido integrar en una sola dirección

la totalidad de los convertidores. Desafortunadamente, todavía no se ha alcanzado a probar el sistema

interconectado a la línea. A pesar de esto se ha logrado un sistema que sea capaz de obtener la máxima

energía posible de un módulo solar, almacenarla en una batería, subir el voltaje y entregarlo, como un sistema

aislado de la línea, en el proceso se han podido identificar varios puntos a mejorar o modificar para el sistema

en un futuro.

Se ha podido observar que el almacenamiento de energía en batería de bajo voltaje (12 V) no es tan buena

idea, ya que en el momento de incrementar el voltaje para el inversor se presentan grandes picos de corriente

y por tanto aumentan las pérdidas, de ahí que para un trabajo futuro se debe mejorar el almacenamiento de la

energía, a un sistema de baterías de mayor voltaje, lo que probablemente obligaría a cambiar la topología del

primer módulo, eso depende de la manera en que se conectarán lo paneles solares (serie, paralelo o serie-

paralelo).

Para el algoritmo de MPPT se ha podido alcanzar el punto de máxima potencia, aunque este algoritmo

presenta una oscilación en el punto de máxima potencia y un tiempo de establecimiento considerable, que

probablemente dependa de la dinámica del convertidor. En un futuro sería interesante implementar el

algoritmo de P&O pero en un DSP más potente que permita hacer incrementos en el ciclo útil más pequeños,

para hacer la oscilación más pequeña, o implementar otro algoritmo que no presente esta oscilación y se

estabilice más rápido.

Se ha podido ver que en el convertidor DC-DC las pérdidas son considerables y una de las fuentes principales

de estas pérdidas es el transformador, se recomienda disminuir la densidad de corriente y aumentar el tamaño

del núcleo, para disminuir las pérdidas.

Para mejorar la eficiencia se puede tener un voltaje más alto en el lado de voltaje bajo, pero si se desean

reducir las pérdidas aún más en un trabajo futuro, se pueden unir los convertidores DC-DC y el inversor en un

solo convertidor, esto reduciría el número de interruptores y de componentes pasivos.

Para un trabajo futuro se aconseja manejar el apagado de los interruptores con voltajes negativos ya que esto

los haría más inmunes a ruido y evitaría que se encendieran en momentos no deseados, además se aconseja

trabajar el tiempo muerto entre los interruptores con señales completamente independientes lo que permitiría

darle más flexibilidad al sistema y mejorar su funcionamiento . También para un trabajo futuro se recomienda

cambiar la referencia de DSP a uno que permita mayor robustez para este tipo de sistema y aunque al

principio del proyecto se trató de trabajar con un DSP de mayor capacidad, se tuvo que cambiar por la

disponibilidad de éste en el laboratorio.

Se han podido sacar conclusiones importantes de este trabajo de investigación y dejar una base sólida para la

continuación del proyecto, lo cual era el objetivo principal de este primer acercamiento a un sistema que

pueda almacenar, entregar y recibir energía de la línea.

35

VIII. BIBLIOGRAFÍA

[1] R. Gonzalez, H. Jimenes y J. Lagunas, «Sistemas fotovoltaicos,» 2003.

[2] H. LI y F. Z. PENG, «Modeling of a New ZVS Bi-directional DC-DC Converter,» IEEE

TRANSACTIONS ON AEROSPACE AND ELECTRONIC SYSTEMS, vol. 40, nº 1, pp. 272-283, 2004.

[3] H. Li, F. Z. Peng y J. S. Lawler, «Modeling, Simulation, and Experimental Verification of Soft-switched

Bi-directional dc-dc Converters,» IEEE, 2001.

[4] H. Li, F. Z. Peng y J. S. Lawler, «A Natural ZVS High-power Bi-directional dc - dc Converter with

Minimum Number of Devices,» IEEE.

[5] S. K. BHAJANA y R. REDDY, «A Novel ZVS-ZCS Bidirectional DC-DC Converter For Fuel Cell And

Battery Application,» PEDS, pp. 12-17, 2009.

[6] H. Daneshpajooh, A. Bakhshai y P. Jain, «Optimizing dual half bridge converter for full range soft

switching and high efficiency,» IEEE, pp. 1296-1301, 2011.

[7] F. Z. Peng, H. Li, G.-J. Su y J. S. Lawler, «A New ZVS Bidirectional DC–DC Converter for Fuel Cell

and Battery Application,» IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, vol. 19, nº 1, pp. 54-64,

2004.

[8] PowerSIM, «MPPT - Perturb & Observe,» 2010.

[9] R. W. Erickson, Fundamentals of Power Electronics, Secancus: Kluwer Academic Publishers, 2000.

[10] A. Van den Bossche y V. . C. Valchev, Inductors and Transformers for power electronics, New York:

Taylor & Francis, 2005.

[11] Philips Components, Soft Ferrites and Accessories, 200.

[12] A. Soetedjo, A. Lomi y W. P. Mulayanto, «Modeling of Wind Energy System with MPPT Control,» de

International Conference on Electrical Engineering and Informatics, Bandung, Indonesia, 2011.

[13] U. KAMNARN, S. YOUSAWAT, S. SREETA, W. MUANGJAI y T. SOMSAK, «Design and

Implementation of a Distributed Solar Controller Using Modular Buck Converter with Maximum Power

Point Tracking,» IEEE, 2010.

[14] J. Lopez-Seguel, P. Donoso-Garcia, L. F. Morais, P. Cortizo y M. S. Mendes, «Comparison of MPPT

Approaches in Autonomous Photovoltaic Energy Supply System Using DSP,» IEEE, 2010.

[15] D. Lu, S. Sathiakumar, R. H. Chu y V. G. Agelidis, «A Buck Converter with Simple Maximum Power

Point Tracking for Power Electronics Education on Solar Energy Systems,» IEEE, 2007.

[16] A. Qazalbash, A. Amin, A. Manan y M. Khalid, «Design and Implementation of Microcontroller based

PWM technique for Sine wave Inverter,» IEEE POWERENG 2009, pp. 136-167, 2009.

36

IX. ANEXOS

A. Anexo I: Cálculos para el diseño del convertidor Buck

Teniendo en cuenta las especificaciones del sistema nombradas en el capítulo IV.A, se puede obtener el valor

de L usando la siguiente ecuación, considerando que el convertidor trabaja en modo de conducción continuo

[9]:

Siendo el valor de la inductancia, el voltaje de entrada, el voltaje de salida, la frecuencia de

conmutación y el rizado de corriente sobre la inductancia.

Escogiendo , tenemos una inductancia de valor . El valor del condensador C2, se

calcula dependiendo del tipo de carga y de los picos de corriente que esta solicita. En nuestro caso tenemos un

condensador de 100 µF.

1) Diseño de la Bobina

En el diseño de la bobina se deben tener en cuenta dos aspectos fundamentales, el primero es el núcleo

donde se elabora la bobina, el segundo aspecto es el calibre del cable, con el cual se elabora la

inductancia.

a) Nucleo

En el momento de escoger el núcleo para la bobina se tendrán en cuenta la potencia y la frecuencia

del convertidor. En aplicaciones de alta frecuencia las pérdidas por corrientes de fugas son

usualmente importantes y se incrementan aproximadamente con el cuadrado de la frecuencia, sin

embargo estas pérdidas son inversamente proporcionales a la resistividad, lo que hace que las ferritas

sean la mejor opción en aplicaciones de alta frecuencia [10].

Una vez determinado que un núcleo de ferrita es la mejor opción para la construcción de la bobina,

se utiliza el manual del fabricante Ferroxcube [11], para el dimensionamiento del núcleo y el tipo de

material.

En el manual de fabricante se puede ver los núcleos que se ajustan a la potencia requerida (200 W),

de ahí se ha escogido un núcleo ETD59, este viene construido en dos materiales 3C90 y 3F3; el 3C90

es un material que funciona a frecuencias medias (<200kHz), el 3F3 es un material de altas

frecuencias (<700kHZ), para nuestra aplicación cualquiera de los dos núcleos son útiles, ya que

poseen valores de saturación de densidad de flujo y permeabilidad efectiva muy similares.

b) Numero mínimo de vueltas

Para hallar el numero mínimo de vuletas se utiliza la siguiente ecuacion [10]:

Donde L es el valor de la inductancia, es la corriente máxima sobre la bobina, es el área

efectiva del núcleo dada por la hoja de especificaciones del fabricante ( ) y es la

densidad de flujo máxima del núcleo.

37

Fig. 49: Gráfico de B-H para el material 3F3.

De la Fig. 49 se concluye que , con esto se puede calcular

c) Calibre del cable:

Para calcular el calibre del cable para bobinar se toma una densidad de corriente igual ⁄ ,

esto debido a que se realiza el bobinado con cable de LITZ y esto garantiza que haya una distribución

de corriente uniforme por cada hilo del cable de Litz, esto implica que:

J Densidad de corriente

Si

Sabemos que la corriente máxima es de .

El calibre del cable debe ser AWG 12 o equivalente.

d) Calculo del GAP:

Dado el tamaño del núcleo y el calibre del cable, se han podido dar 46 vueltas al núcleo, con este

número de vueltas se asegura que la bobina nunca entre en saturación, pero para lograr el valor de

inductancia deseado debemos añadirle un gap a la bobina, por tanto debemos calcular el ancho del

gap para lograr el valor de inductancia requerido.

2) Dimensionamiento de interruptor

38

En la Fig. 50, se puede observar la simulación de la corriente y del voltaje correspondiente al interruptor

controlado del convertidor. Considerando estos valores, se selecciona un MOSFET ya que a este nivel de

corriente presenta una caída de potencial menor a la de un IGBT. Esto, en conjunto con la mayor

velocidad de conmutación aumenta la eficiencia del convertidor.

El MOSFET elegido para esta aplicación es el IRF2807 de International Rectifier, este tiene un voltaje de

ruptura Drain-Source de 75 V, una corriente continua en Drain de 82 A y una resistencia Drain-

Source estática de 13mΩ, ya que de acuerdo con la simulación este soporta una corriente máxima

promedio de 10 A y un máximo de 30 V, como podemos ver en la Fig. 50.

Fig. 50: Corriente instantánea, promedio sobre el corriente MOSFET y voltaje drain to source.

Enseguida se calculan las pérdidas de los interruptores para dimensionar los disipadores.

Ahora se calcula de manera aproximada la potencia que se disipa en el encendido y apagado del

MOSFET.

Vale la pena anotar que esta aproximación toma constantes los valores de corriente y voltaje durante la

conmutación, dando un margen en el dimensionamiento del MOSFET.

La potencia total del MOSFET es:

Ahora de la hoja de especificaciones se toman los datos de la temperatura de juntura y la resistencia de la

unión a la carcasa, asumimos una temperatura ambiente de 50°C, con esto se obtiene:

39

Con este valor se toma un manual de fabricante de disipadores y se busca un disipador para el empaque

del MOSFET, que en este caso es TO-220, con el valor más cercano por abajo del valor obtenido

anteriormente, este es el disipador adecuado para el MOSFET.

3) Dimensionamiento Diodos

En el circuito del convertidor Buck se utilizan 2 diodos D1 y D2. D2 es un diodo de protección, que se

utiliza para impedir que el convertidor pueda entregarle energía al panel en algún momento y lo pueda

averiar y D1 es el interruptor no controlado del convertidor.

Para escoger D2, se tiene en cuenta un diodo que sea capaz de soportar la corriente máxima que puede

entregar el panel, la cual es de 7.21 A y que tenga una baja caída de potencial, aproximadamente 0.8 V.

Fig. 51: Corriente instantánea y promedio sobre el diodo D1.

En la selección de D1, se tiene en cuenta la frecuencia de conmutación del convertidor y la corriente

promedio que pasa por el diodo, la cual vemos en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia..

Para ambos diodos se ha escogido el MBR1035 de Fairchild Semiconductor, este diodo es de conmutación

rápida y soporta una corriente promedio de 10 A.

Para el cálculo del disipador del diodo D2 se utiliza:

Ahora para el cálculo del disipador del diodo D1 utilizamos y la corriente promedio, está la hallamos

sabiendo que la corriente máxima en el convertidor se da en el punto de máxima potencia del panel, el

cual es en 29.42 V, asumiendo el peor de los casos en el voltaje de salida en la batería seria de 13.7 V, por

tanto el ciclo útil en el punto de máxima corriente en el circuito es de 0.465:

40

Con estos datos se pueden encontrar los disipadores indicados para los diodos D1 y D2.

4) Drivers y sensores

En el convertidor Buck se utiliza un driver IR2110 que permite conmutar el MOSFET, este es un driver de

medio puente, el cual se usa en la configuración mostrada en la Fig. 52:

Fig. 52: Configuración del driver IR2110

Como se ve en esta figura, se tiene un optoacoplador 6N137, que se alimenta de un diodo Zener, a este

optoacoplador llega la señal de PWM del DSP (sistema de control) y con este se aísla el DSP de la parte

de potencia. La configuración del IR2110 es sencilla, se alimenta con dos fuentes, una para la entrada (5

V) y la otra para la salida (15 V), además de esto, vemos entre los pines 5 y 6 un condensador con un

regulador de 12 V conectado en paralelo, esto genera una fuente flotante, que permite el encendido y

apagado del MOSFET.

Además de la configuración del driver mencionada anteriormente, se utilizan dos tipos de sensores:

El primero es un sensor de corriente LA25-NP que está configurado para medir una corriente máxima de 8

A, como lo muestra la Fig. 53.

IRF2808

Panel

DSPout

0

IR2111

IR2110

LO1HO7

HIN10

SHDN11

LIN12

VSS13

COM2

VB6

VCC3

VDD9

VS5

GND

VO

VCC

VE

NC

NC

6N1

6N137

Vin-

Vout+

Vout-

Vin-

Vout+

Vin+ Vin+

Vout-

U2

NDY1212C

Roptin1

RirG1

0

CoptF1

100n

Coptout1

10p

Roptout1

1N4733

Zener1

DriG1

D1N4148

VCC

Cf uente1

100U

Rzener1

VCC

CirB11n

R2

1k

VCC

41

Fig. 53: Sensor de corriente.

El sensor funciona con +Fuente y –Fuente, va conectado entre el diodo de protección D2 y el condensador

de sensado de voltaje C1; en el pin 11 se conecta una resistencia de sensado a tierra y obtenemos nuestros

valores de medida en el pin 11 como indica la Fig. 53, la resistencia de sensado es calculada de tal manera

que a corriente máxima, el voltaje de sensado en el pin 11 sea cercano 5V (que es la máxima entrada del

ADC del DSP). La relación de transformación escogida es de 3:1000, la corriente máxima es de 8 A por

tanto la corriente máxima sobre la resistencia de sensado es

, deseamos que a esta corriente

el voltaje sea 5V, entonces deberíamos tener

, lo más cercano es 200 , por tanto esta será

la resistencia de sensado.

El segundo sensor, es un OPA2350 de Texas Instruments, este es un operacional rail to rail, en el que se

implementa una configuración que permite hacer un divisor de voltaje, para obtener a la salida una señal

de máximo 5 V referido a la tierra del DSP, como lo muestra la Fig. 54.

Fig. 54: Sensor de voltaje.

Como se ve en la Fig. 54 se toma la muestra de voltaje de un condensador en paralelo al panel llamado

C1, de ahí entra al operacional que permite dividir a la señal de entrada por 6, este valor se debe a que se

toma como valor máximo de voltaje del panel como 30V. Con estos dos sensores se pueden obtener las

señales de corriente y voltaje entregadas por el módulo solar, para la implementación de un algoritmo de

MPPT en el DSP.

5) Algoritmo de MPPT:

El convertidor tipo Buck se encarga de obtener la mayor cantidad de potencia que puede entregar el panel

solar, gracias al algoritmo de MPPT P&O.

Este algoritmo modifica el ciclo útil de la señal de PWM que controla el interruptor del convertidor. El

algoritmo, implementado dentro de un DSP, toma las muestras de voltaje y corriente a la salida del

módulo solar y con ellas calcula periódicamente la potencia entregada por el panel.

LA25-NP2

LA25-NP

In11 In22 In33 In44 In55

In66In77In88In99In1010

Vcc-13

Vcc+12

Out11

VCCVCCn

Rsense

0

Cond_panel

DSPin1

Diodo_Protect

OPA2350+

3

-2

V+

8V

-4

OUT1

6R

R

R

6R VCC

0

0

100u

0

DSPin2

C1

1000u

PANEL

42

Fig. 55: Algoritmo P&O [12].

Como lo muestra la Fig. 55, si la potencia actual es mayor que la potencia de la muestra anterior, se pasa a

verificar el voltaje actual, si este es mayor que el de la anterior muestra, entonces se incrementa el ciclo útil.

De lo contrario, este se reduce.

Si la potencia actual es menor que la anterior, se verifica el voltaje a la salida del módulo solar. Si este es

mayor que el de la muestra precedente, el ciclo útil se disminuye. De lo contrario este se incrementa.

Este procedimiento se repite indefinidamente, llevando a una oscilación de la potencia entregada por el

módulo en régimen permanente, alrededor del punto óptimo [12].

El tiempo de muestreo de la potencia y el tamaño del incremento o reducción del ciclo útil, deben ajustarse

para que el algoritmo encuentre rápidamente el punto de máxima potencia, ante un cambio en la intensidad

lumínica, permitiendo que el funcionamiento del convertidor se haya estabilizado.

B. Anexo 2: Cálculos para el diseño del convertidor Bidireccion DC-DC

Teniendo en cuenta las especificaciones del convertidor Bidireccional DC-DC nombradas en el capítulo IV.B

1) Diseño de la Bobina

Para hallar el valor de la inductancia de entrada L1, se debe tener en cuenta la corriente promedio de

entrada IA como se ve en la Fig 4.

De esta ecuación se puede desprender la siguiente ecuación:

43

Donde es la cantidad de rizado que debe soportar la batería, es el tiempo en un ciclo durante el cual

esta encendido el interruptor 2 [7], de esto se obtiene que:

Por lo tanto con el valor de rizado escogido de se obtiene un valor de inductancia .

Una vez obtenido el valor de inductancia deseado, se empieza con la construcción de esta; se hace el

mismo procedimiento que en la construcción de la inductancia del convertidor Buck; como la cantidad de

corriente máxima es la misma que la que pasa por la inductancia del convertidor Buck (19 A) y la

frecuencia de conmutación es la misma (50 kHz), se escoge el mismo tipo de núcleo, material y calibre del

cable.

a) Número mínimo de vueltas

Para hallar el número mínimo de vueltas se utiliza la siguiente ecuación:

Ya se conocen los valores de y , del procedimiento anterior, con esto se

puede calcular

b) Cálculo del GAP:

Conocido el tamaño del núcleo y el calibre del cable, se deben dar 39 vueltas al núcleo, con este

número de vueltas se asegura que la bobina nunca entre en saturación, pero para lograr el valor de

inductancia deseado debemos añadirle un gap a la bobina, por tanto se debe calcular el ancho del gap

para lograr el valor de inductancia requerido.

2) Dimensionamiento del tranformador

El transformador posee tres funciones importantes en este convertidor DC-DC, es el elemento que provee

el aislamiento entre primario y secundario, es el elemento que se encarga de elevar el voltaje y la

inductancia de fugaz Ls que este posee, es la que se encarga del almacenamiento y transferencia de energía

en el sistema [7].

Dado que el sistema que va conectado a la salida de alto voltaje del convertidor, es un inversor, la relación

de transformación se ha elegido de 1:10 debido a que el voltaje mínimo de la batería es 10.5 V, por lo

tanto con este voltaje y esta relación de transformación tendríamos un voltaje de salida de 210 V,

suficiente para asegurar el correcto funcionamiento del inversor.

Las especificaciones del sistema indican que el sistema es de 200 W de potencia y una frecuencia de

conmutación de 50 kHz, con esta información podemos escoger el núcleo donde se elabora el

transformador, debido a que las condiciones del sistema para el diseño de la inductancia L1 se mantienen.

Se ha escogido el mismo núcleo para elaborar el transformador, ya que anteriormente se ha probado el

funcionamiento idóneo de este bajo las condiciones anteriormente nombradas.

44

a) Número mínimo de vueltas en primario

Para hallar el número mínimo de vueltas en el primario del transformador utilizamos [10]

∫

∫

b) Diámetro del cable:

Para calcular el calibre del cable para bobinar el primario se toma una densidad de corriente igual

⁄ , esto debido a que se realiza el bobinado con cable de LITZ.



Para calcular el calibre del cable para bobinar el secundario se toma una densidad de corriente igual

⁄ , esto implica que:


Si



c) Cálculo inductancia de fugas.

Para hallar el valor de la inductancia de fugaz se asume que en el convertidor DC-DC se tiene un ciclo

útil constante (50%) y una frecuencia de conmutación constante (50 kHz), si se cumple esto se puede

asegurar que:

Siendo la potencia de salida del convertidor, el voltaje de entrada, frecuencia angular de

conmutación del convertidor, inductancia de fugaz y ángulo en radianes donde se alcanza la

máxima potencia, para este caso se desea que la máxima potencia del convertidor sea alcanzado en el

máximo ángulo posible es decir

. Si se desea ver el desarrollo completo de esta ecuación se puede ver en

[7].

Se asume el voltaje de la batería en el peor caso es decir 10.5 V, de esto se obtiene que el valor de la

inductancia de fugaz debe ser:

45

3) Dimensionamientode los interruptores

Para el dimensionamiento de los MOSFET se debe tener en cuenta que se deben usar dos tipos de

MOSFET distintos, unos para el lado de bajo voltaje y otros para el lado de alto voltaje. Para escoger los

MOSFET se deben tener en cuenta tres aspectos: la frecuencia de conmutación, el voltaje pico y la

corriente pico, donde los valores son:

El desarrollo de las ecuaciones en detalle se puede observar en [7] y los valores del secundario se obtienen

de manera similar, pero con el circuito referido al secundario, por lo tanto:

De esta manera para el primario se ha elegido el MOSFET IRF2807 de International Rectifier, este tiene

un de 75 V, una de 82 A y una de 13mΩ, sus tiempos de encendido y apagado son mucho

menores que los tiempos de conmutación del convertidor. Para dimensionar los disipadores de los

MOSFET se tiene que:

Ahora se calcula la potencia que se disipa en el encendido y apagado del MOSFET.


Ahora tomamos de la hoja de especificaciones los datos de la temperatura de juntura y la resistencia de la

junction to case, asumimos una temperatura ambiente de 50°C, con esto obtenemos:

46

Para el secundario se ha elegido el MOSFET SPP21N50C3 de Infineon Technologies, este tiene un de

560 V, una de 21 A y una de 190mΩ, sus tiempos de encendido y apagado son mucho menores

que los tiempos de conmutación del convertidor, para dimensionar los disipadores de los MOSFET se

tiene que:



Ahora tomamos de la hoja de especificaciones os datos de la temperatura de juntura y la resistencia de la


Con estos valores se toma un manual de fabricante de disipadores y se busca un disipador para el empaque

del MOSFET, que en estos casos es TO-220, el valor más cercano por abajo del valor obtenido

anteriormente, este es el disipador adecuado para cada MOSFET.

4) Dimensionamiento de los Condensadores

Para el dimensionamiento de los condensadores se deben tener en cuenta el voltaje pico y la corriente

pico, los valores de corriente pico fueron hallados anteriormente y los valores de voltaje pico son iguales

al Vin en primario y

en el secundario, por tanto los valores son:

a) Primario:

b) Secundario:


En el convertidor DC-DC se utiliza un driver con transformadores de pulsos que permite conmutar los

MOSFET, gracias a que el ciclo útil es constante alrededor del 50%. El driver que se va utilizar es un L6390

de STMicroelectronics y los trasformadores de pulsos son los P0584 de Pulse Electronics, estos se usan en la

configuración de la Fig. 56:

47

Fig. 56: Configuración del driver L6390.

Como vemos en la figura Fig. 56, el driver L6390 tiene dos condensadores de desacople entre los pines 4 y 8,

para las fuentes de alimentación, tiene una señal DSPout1, que es la señal de PWM y va conectada a los pines

1 y 3, además en el pin 5 tiene un circuito RC el cual sirve para ajustar el tiempo muerto entre las señales de

salida, también cuenta con otra señal lógica DSPout2 conectada al pin 2, que sirve para apagar los dos

MOSFET al tiempo con una señal proveniente del DSP, cuando el usuario lo indique, en la salida baja y alta

van conectados dos condensadores de desacople y estos van conectados a la entrada de los transformadores de

pulsos, para evitar que estos se saturen. Los transformadores entregan una señal que varía entre +15 V y -15

V, y que van conectadas al gate y source de cada interruptor.

Además de la configuración del driver mencionada anteriormente, se utilizan dos tipos de sensores. El

primero es un sensor de corriente que nos permitirá medir la corriente de la batería, teniendo en cuenta que

este convertidor es el que regulará la carga y descarga de la misma. Para implementar este sensor utilizamos

un LA 25-NP de LEM, la configuración utilizada se muestra en la Fig. 57:

Fig. 57: Sensor de corriente Convertidor DC-DC.

El sensor funciona con +Fuente y –Fuente, va conectado entre la batería y la salida positiva del

convertidor Buck; en el pin 11 se conecta una resistencia de sensado a tierra y obtenemos nuestros valores

de medida en el pin 11 como indica Fig. 57, la resistencia de sensado es calculada de tal manera que a

corriente máxima, el voltaje de sensado en el pin 11 sea cercano 5V. La relación de transformación

DSPout2

100n

D1N4148

10

VCC

DSPout1

VCC

U3

P0584NL

41

78

3

10

10u

DSPout1

U4

P0584NL

41

78

3

10

100n

100n

100n

R

D1N4148

U10

L6390

LIN1 SD2

OPout7

NC113

HIN3 VCC4 DT5 OP-6

OP+9

GND8

CP+10

LVG11

OUT14

BOOT16HVG15

NC12

10

LA25-NP2

LA25-NP

In11

In22

In33

In44

In55

In66

In77

In88

In99

In1010

Vcc-13Vcc+12Out11

+15V-15V

Rsense

C34

1u

0

12k

12k

VCCD

Corriente bateriaInductancia Entrada

48

escogida es de 1:1000, la corriente máxima es de 20 A por tanto la corriente máxima sobre la resistencia

de sensado es

, deseamos que a esta corriente el voltaje sea 5V, entonces deberíamos tener

, por tanto esta será la resistencia de sensado. Ya que el convertidor es bidireccional la

corriente puede cambiar de sentido, aunque el sensor puede medir corriente en ambos sentidos, los valores

son negativos en uno de los casos, por eso se implementa un senillo divisor de voltaje que coloca el 0 V en

2.5 V y así todos los valores del sensor puedan ser leídos por el DSP.

El segundo sensor, es un OPA2350 de Texas Instruments, este es un operacional rail to rail, alimentado

con 5V y en el implementamos una configuración que nos permite hacer un divisor de voltaje, tener a la

salida una señal del voltaje máximo de 5V referido a la tierra del DSP, la configuración es la siguiente:

Fig. 58: Sensor de voltaje convertidor DC-DC.

Como vemos en la Fig. 58, se toma la muestra de voltaje de la batería, de ahí la señal entra al operacional

que permite dividir la señal de entrada por 3, este valor se debe a que se toma como valor máximo de

voltaje de la batería 13.7V. Con estos dos sensores se pueden obtener las señales de corriente y voltaje

entregadas por la batería, para la implementación del control de carga y descarga de la batería en el DSP.

C. Anexo3: Cálculos para el diseño del Inversor en puente H

Dadas las especificaciones del inversor nombradas en el capítulo IV.C se tiene que:

1) Diseño del filtro LC

El inversor en puente H, utiliza un filtro LC a la salida el cual se calcula de la siguiente manera:

OPA2350+

3

-2

V+

8V

-4

OUT1

30k

10k

10k

30k

0

VCC

0

1u

0

DSPin2

BATERIA

49

Una vez obtenida la resistencia de salida se puede despejar los valores de L y C teniendo en cuenta que:

√ y √

Siendo la frecuencia de corte del filtro y la impedancia de salida del filtro, se desea que el filtro

tenga una frecuencia de corte de dos décadas menor a la frecuencia de conmutación y que el filtro tenga

un comportamiento subamortiguado, es decir su impedancia de salida debe ser menor a dos veces la

resistencia de salida del filtro, ente caso se ha elegido que sea 10 veces menor, para que se cumplan estas

condiciones se debe hacer que:

√ y √

Conocidos los valores de y Rout se tiene un sistema de ecuaciones, de 2 ecuaciones con dos incógnitas,

que al resolverlo se obtiene como resultado que:

y

2) Diseño inductancia:

Una vez obtenido el valor de inductancia se debe definir el núcleo que se utiliza, el calibre del cable y

la longitud del gap necesaria.

a) Nucleo

El núcleo debe resistir la potencia del sistema ( ) y la frecuencia de conmutación del

convertidor ( ). Como ya se ha visto anteriormente el material 3F3 es una muy buen

opción para la potencia y frecuencia del sistema y el tamaño definido para el núcleo es el ETD59.

b) Número mínimo de vueltas

Para hallar el número mínimo de vueltas se utiliza la siguiente ecuación:

Donde L es el valor de la inductancia, es la corriente máxima sobre la bobina, es el área

efectiva del núcleo dada por la hoja de especificaciones del fabricante ( ) y es la

densidad de flujo máxima del núcleo y su valor aproximado como se vio anteriormente es . Para obtener el valor de la corriente pico máxima sobre la bobina:

√ √

c) Calibre del cable:

Para calcular el calibre del cable para bobinar se toma una densidad de corriente igual ⁄ ,

esto implica que:


Si

50



d) Calculo del GAP:

Dado el tamaño del núcleo y el calibre del cable, se debe añadir gap para lograr el valor de

inductancia, por tanto se debe calcular el ancho del gap.

3) Dimensionamiento Condensador

El condensador del filtro de salida, debe ser un condensador que soporte como mínimo 200 Vac y tenga un

valor de 10 µF; por tanto se ha elegido un condensador de marca DISPROEL de 10 µF a 250 Vac y 60 Hz.

4) Dimensionamiento de los interruptores

Para el Inversor se ha elegido el MOSFET SPP21N50C3 de Infineon Technologies, este tiene un de

560 V, una de 21 A y una de 190mΩ, sus tiempos de encendido y apagado son mucho menores

que los tiempos de conmutación del convertidor, para dimensionar los disipadores de los MOSFET se

tiene que la corriente promedio sobre el puente es:

, pero la corriente sobre el puente

no es una corriente constante, sino que es una corriente con forma sinusoidal y del doble de frecuencia de

la salida es decir 120 Hz; por tanto la máxima corriente pico es:

√



Ahora tomamos de la hoja de especificaciones los datos de la temperatura de juntura y la resistencia de la


51

Con estos valores se toma un manual de fabricante de disipadores y se busca un disipador para el empaque

del MOSFET, que en estos casos es TO-220, el valor más cercano por abajo del valor obtenido

anteriormente, este es el disipador adecuado para cada MOSFET.


En el inversor se utiliza un driver con optoacoplador que permite conmutar los MOSFET, el driver que se va

utilizar es un L6390 de STMicroelectronics y el optoacoplador es el HCPL3180 de AVAGO Technologies,

estos se usan en la siguiente configuración:

Fig. 59: Configuración driver L6390 para Inversor.

Como vemos en la Fig. 59, tenemos el driver L6390, este tiene dos condensadores de desacople entre los

pines 4 y 8, tiene una señal DSPout1, que es la señal de PWM y va conectada a los pines 1 y 3, además en el

pin 5 tiene un circuito RC el cual sirve para ajustar el tiempo muerto entre las señales de salida, también

cuenta con otra señal lógica DSPout2 conectada al pin 2, que sirve para apagar los dos MOSFET al tiempo

con una señal proveniente del DSP cunado el usuario lo indique, en la salida baja y alta van conectadas dos

resistencias que se encargan de encender los optoacopladores, estos dan aislamiento a la parte de control de la

parte de potencia y entregan una señal que va entre 0 V y +15 V, el optoacoplador superior se alimenta con

una fuente flotante para poder encender el MOSFET de la parte de arriba.

Además de la configuración del driver mencionada anteriormente, se utilizan tres tipos de sensores. El

primero es un sensor de corriente que nos permitirá medir la corriente de salida del inversor, para

implementar este sensor utilizamos un LA 25-NP de LEM, la configuración utilizada es:

1u

DSPout1

100n

CRU11

L6390

LIN1

SD2

OPout7

NC113HIN

3

VCC4

DT5

OP-6

OP+9

GND8 CP+

10LVG11

OUT14

BOOT16

HVG15

NC12

U20

HCPL3180

3

1

56

2

4

78

VCCD

100n

U21

HCPL3180

3

1

56

2

4

78

D1N4148

R8 10

1k

VCCD

D6 D1N4148

R9 10

1k

VCCD

SPP21N50C3

SPP21N50C3

Vin

-

Vo

ut+

Vo

ut-

Vin

-

Vo

ut+

Vin

+V

in+

Vo

ut-

U3

NDY1212C

DSPout2

VCCD

100n

C40

1u

DSPout1

52

Fig. 60: Sensor de corriente del Inversor.

El sensor funciona con +Fuente y –Fuente, va conectado la salida del filtro LC y la carga; en el pin 11 se

conecta una resistencia de sensado a tierra y obtenemos nuestros valores de medida en el pin 11 como

indica la figura 6, la resistencia de sensado es calculada de tal manera que a corriente máxima, el voltaje

de sensado en el pin 11 sea cercano 5V. La relación de transformación escogida es de 5:1000, la corriente

máxima es de 2.34 A por tanto la corriente máxima sobre la resistencia de sensado es

,

deseamos que a esta corriente el voltaje sea 5V, entonces deberíamos tener

, por tanto

esta será la resistencia de sensado. Se utiliza un divisor de voltaje como en el caso del sensor de corriente

del convertidor DC-DC.

El segundo sensor y tercer sensor, es un OPA2350 de Texas Instruments, este es un operacional rail to rail,

alimentado con 5V y en el implementamos una configuración que nos permite hacer un divisor de voltaje,

tener a la salida una señal del voltaje máximo de 5V referido a la tierra del DSP, la configuración es la

siguiente:

Fig. 61: Sensores de voltaje del inversor.

Como se ve en la Fig. 61, se toma la muestra de voltaje del condensador de entrada del inversor Cin, de ahí

la señal entra al operacional que permite dividir la señal de entrada por 56, este valor se debe a que se

toma como valor máximo de voltaje del panel como 274V. El otro sensor de voltaje se compone de un

transformador M-502, que permite reducir el voltaje de 120 Vrms a 6 Vrms, además de dar aislamiento al

sensado de voltaje con la línea, después la señal entra al operacional que tiene una configuración que

permite reducir de 8.5 Vpico a 5 Vpico. Con estos tres sensores se pueden obtener las señales de corriente

entregada por el inversor y los voltajes del condensador de entrada y la línea, para la implementación del

control en el DSP que hace que el sistema entregue o reciba energía de la línea.

D. Control del sistema

El control del sistema se realiza en el DSP de Microship de referencia dsPic30F4013, con una frecuencia de

conmutación del sistema de 50 kHz.

20k

-15V

20k

+15V

+5V

LA25-NP1

LA25-NP

In11

In22

In33

In44

In55

In66

In77

In88

In99

In1010

Vcc-13 Vcc+12 Out11

Rsense

DSPin1

Salida Filtro Carga

OPA2350+

3

-2

V+

8V

-4

OUT1

56k

1k

1k

56k

0

VCC

00

10u

DSPin2

Condensador In100

LINEA

120Vac

Transf ormador

3

1

5

6

24

7

OPA2350+

3

-2

V+8

V-4

OUT1

180k

100k

100k

180k

0

VCC

00

1u

DSPin3

1k

0

53

Para el control del convertidor Buck, se toman las muestras de corriente del módulo solar y voltaje del

módulo solar, con estas muestras se implementa el algoritmo de MPPT con un periodo de 6 s.

Para el control del convertidor DC-DC bidireccional, se toman muestras de corriente sobre la batería, voltaje

sobre la batería, y la corriente del módulo solar, estas muestras se toman cada por el convertidor

analógico digital del DSP y se implementa el control que permite la correcta carga y descarga de la batería.

Para el control del inversor en puente H, se toman muestras de corriente de salida del inversor, voltaje de

salida del inversor, y el voltaje de entrada del inversor, estas muestras se toman cada por el convertidor

analógico digital del DSP y se implementa el control que permite entregar energía a la línea.

A continuación se muestra el código empleado en el sistema:

/*CONTROL DSP PARA SISTEMA FOTOVOLTAICO

Funcionalidades_

-MPPT Convertidor Buck

-Control de corriente y voltaje para carga de bateria

-Contro Inversor

*/

#include <p30f4013.h>

#include <timer.h>

#include <adc12.h>

int T_sample; // tiempo de muestro

int count1; // contadores para retardo.

extern int adc_reg[16];

double modpwm[73];

float Voltaje_panel;

double Fase;

double Fasep=0;

double Fasen=0;

double Corriente_panel;

double Corriente_bateria;

double Voltaje_bateria;

double Bandera_bateria=2;

double Potencia;

double Duty;

double Duty_I=0.40;

double cambio;

double PotenciaP=0.01;

double Potencia_Prev=0.01;

double Voltaje_panelP;

double Voltaje_panel_Prev;

double Periodomppt=160;

double Count=0;

double DP=0;

double i=0;

int p=0;

double c=0;

double medida2 = 0;

double medida11 = 0;

54

double DD = 150;

//********** *************PROTOTIPO DE FUNCIONES ***********************

//void ADC_Init(void);

//void __attribute__((__interrupt__)) _ADCInterrupt(void);

void adc_init(void);

void Timer2(void);

void configpwm(void);

//*********************** PROGRAMA PRINCIPAL **************************

int main (void)

//TRISB = 0xFFFF; //Port B como entrada

TRISD=0x0000; // pueto D como salida

TRISF=0x0000; // pueto F como salida

TRISBbits.TRISB12=1; // RB12 entrada



//TRISBbits.TRISB9=1;

/*TRISBbits.TRISB8=1;

// RB9 entrada

TRISDbits.TRISD9=0;*/ // RD9 salida

TRISDbits.TRISD8=0;

PORTDbits.RD8= 0;

Timer2();

configpwm();

OSCCON=0x3200; // oscilador primario HS, oscilador secundario LPRC

T_sample=1; //variable para muestreo ADC(mirar funcion adc.c)

count1=1000; //variable para muestreo ADC(mirar funcion adc.c)

Duty = Duty_I; //Ciclo Util Inicial

while (1) // repeat continuously

Fase = adc_reg[2]*0.001221; //Fase

if (Fase < 2.5)

Fasen = 80-(Fase*32);

Fasep = 0;

OC3R=0 + Fasen;

OC3RS = 160 + Fasen;

OC2R=0;

OC2RS=160;

else

Fasep = (Fase*32)-80;

Fasen = 0;

OC2R=0 + Fasep;

OC2RS=160 + Fasep;

OC3R=0;

OC3RS = 160;

55

//*****Inversor*****

modpwm[0]=160;modpwm[1]=171;modpwm[2]=182;modpwm[3]=193;modpwm[4]=203;modpwm[

5]=213;modpwm[6]=223;modpwm[7]=233;modpwm[8]=241;modpwm[9]=250;modpwm[10]=257;modpwm

[11]=264;modpwm[12]=270;modpwm[13]=275;modpwm[14]=280;modpwm[15]=283;modpwm[16]=286;m

odpwm[17]=287;modpwm[18]=288;modpwm[19]=289;modpwm[20]=287;modpwm[21]=284;modpwm[22]=

281;modpwm[23]=277;modpwm[24]=273;modpwm[25]=267;modpwm[26]=261;modpwm[27]=253;modpw

m[28]=246;modpwm[29]=237;modpwm[30]=228;modpwm[31]=218;modpwm[32]=208;modpwm[33]=198;

modpwm[34]=187;modpwm[35]=177;modpwm[36]=166;modpwm[37]=155;modpwm[38]=144;mo

dpwm[39]=133;modpwm[40]=122;modpwm[41]=112;modpwm[42]=102;modpwm[43]=92;modpwm[44]=83

;modpwm[45]=75;modpwm[46]=67;modpwm[47]=59;modpwm[48]=53;modpwm[49]=47;modpwm[50]=43;

modpwm[51]=39;modpwm[52]=36;modpwm[53]=33;modpwm[54]=32;modpwm[55]=31;modpwm[56]=33;

modpwm[57]=34;modpwm[58]=37;modpwm[59]=40;modpwm[60]=45;modpwm[61]=50;modpwm[62]=56;

modpwm[63]=63;modpwm[64]=70;modpwm[65]=79;modpwm[66]=87;modpwm[67]=97;modpwm[68]=107

;modpwm[69]=117;modpwm[70]=127;modpwm[71]=138;modpwm[72]=149;

if(c==2)

PORTDbits.RD8= 1;

c=0;

DD = modpwm[p];

OC1RS = DD;

if( p==72)

p=0;

p=p+1;

c=c+1;

//*****Control de carga y descarga de la bateria*****

/* Voltaje_bateria=adc_reg[5]*8.2*0.001221; //Voltaje de la bateria

Corriente_bateria = adc_reg[??]*1.85185*0.001221; //Corriente de la bateria

if (Voltaje_bateria >= 13.7 || Bandera_bateria == 1)

Bandera_bateria = 1;

OC3R=0;

OC3RS = 160;

OC2R=20;

OC2RS=180;

if (Voltaje_bateria <= 10.5 || Bandera_bateria == 2)

Bandera_bateria = 2;

OC3R=0;

OC3RS = 160;

OC2R=0;

OC2RS=160;

*/

//*************************MPPT**********************

Count = Count + 1; //Contador para definir tiempo de muestreo e implementacion del MPPT

PORTDbits.RD9= 0;

if (Count == 30000) //Cunado el contador llegue a cierto tiempo inicial el MPPT

adc_init();

PORTDbits.RD9= 1;

Count = 0; //Reinicio del contador

Voltaje_panel=adc_reg[0]*8.2*0.001221; //Voltaje del panel

Corriente_panel = adc_reg[1]*1.85185*0.001221; //Corriente del panel

//medida2 = adc_reg[2]*0.001221;

Potencia = Voltaje_panel * Corriente_panel; //Potencia del panel

56

cambio = 0.008; //Tasa de cambio del ciclo util

PotenciaP = Potencia_Prev; //Variable de almacenamiento para guardar la potencia del panel

DP = Potencia-PotenciaP;

Voltaje_panelP = Voltaje_panel_Prev; //Variable de almacenamiento para guardar el voltaje del panel

//Toma de muestras del ADC

if (DP <= 0.5 && DP >= -0.5) //Condicion para comparar la potencia anterior con la potencia actual; si son iguales se llega al MPPT por tanto no hace nada

else //Si no son iguales entra al ciclo para encontrara MPPT

if (Duty > 0.1 && Duty < 0.95) //Condicion verifica q el ciclo until no este cercano a 0 o 1 para evitar cortos

if (Potencia>PotenciaP) //Comparacion entre potencia anterior y potencia actual

if (Voltaje_panel>=Voltaje_panelP) //Comparacion entre voltage panel anterior y voltage panel actual

Duty = Duty + cambio; //Si potencia y voltage actual son mayores q potencia y voltage anteriores, ciclo util disminuye

else //Si potencia es mayor q potencia anterior, pero voltage actual es menor que el anteriror

Duty = Duty - cambio; //Ciclo util aumenta

else //Si potencia es menor q potencia anterior

if (Voltaje_panel>=(Voltaje_panelP)) //voltage actual es mayor que el anteriror

Duty = Duty - cambio; //Ciclo util aumenta

else //voltage actual es menor que el anteriror

Duty = Duty + cambio; //Ciclo util disminuye

else //Si ciclo util cercano a 0 o 1

Duty = 0.5; //Ciclo util=70%

Potencia_Prev = Potencia; //Potencia anterior igual potencia actual

Voltaje_panel_Prev = Voltaje_panel; //Voltaje anterior igual voltaje actual

Periodomppt = 320*Duty; //Escalizacion del cicli util para el PWM

OC4RS = Periodomppt; //Asignacion del Ciclo util al PWM

//Fin MPPT

//Fin ciclo Contador

//***********************END MPPT**********************

// ******************** Configura el Timer2 ***********************

void Timer2(void)

PR2=320;

T2CON=T2_ON & T2_32BIT_MODE_OFF & T2_IDLE_STOP & T2_GATE_OFF & T2_PS_1_1

& T2_SOURCE_INT;

// ******************** Configura los PWM ***********************

void configpwm(void)

OC1CONbits.OCM=0X5;

OC1R=0;

OC1RS = 160;

OC2CONbits.OCM=0X5;

OC2R=12;

OC2RS=172;

OC3CONbits.OCM=0X5;

OC3R=0;

OC3RS = 160;

OC4CONbits.OCM=0X5;

OC4R=0;

OC4RS = Periodomppt;

57

Cabe anotar que el control del inversor en puente H se hizo mediante una tabla ya que no se alcanzó a probar

el sistema interconectado a la línea.

E. Circuitos impresos de los tres módulos

1) Convertidor Buck

Fig. 62: Circuito impreso Convertidor Buck.

2) Convertidor DC-DC bidireccional:

Fig. 63: Circuito impreso convertidor bidireccional.

3) Inversor en puente H

58

Fig. 64: Circuito impreso del inversor.

arnold wiesner hernandez - javeriana

Documents