ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORALFACULTAD DE INGENIERÍA EN ELECTRICIDAD Y COMPUTACIÓN

 “DISEÑO DE CONTROL Y SIMULACIÓN DE UN SISTEMA DE

GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA BASADA EN MÓDULOS FOTOVOLTAICOS,

UN INVERSOR TRIFÁSICO CONECTADO A LA RED Y BATERÍAS COMO UNIDAD DE ALMACENAMIENTO”

TESINA DE SEMINARIO

Previa a la obtención del Título de:INGENIERO ELÉCTRICO ESPECIALIZADO EN ELECTRÓNICA Y

AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL

Presentado por:RICARDO ANDRÉS PAREDES PEÑAHERRERA

FABIÁN ROBERTO AYALA TERÁNGUAYAQUIL – ECUADOR

2010

Puntos a tratar en la Puntos a tratar en la presentaciónpresentaciónMotivación del proyecto.Propuesta de proyecto.Análisis, diseño y simulaciones

de: Convertidor del banco de Baterías, PV e Inversor.

Esquema del controlador principal y análisis de contingencia.

Conclusiones y Recomendaciones

MOTIVACIÓN DEL PROYECTO

Motivación del proyectoMotivación del proyectoLuz solar como fuente de energía renovable. Según los siguientes datos de la ASPO

(Asociación para el Estudio del Pico de Petróleo y el Gas) a nivel mundial:

Demanda diaria: 86,6 millones de barriles.Reserva mundial:1 billón 200 mil millones de

barriles. Según estos datos, queda petróleo hasta dentro de

40 años aproximadamente, si se mantiene la demanda diaria.

PROPUESTA DE PROYECTO

El proyecto consiste en:El proyecto consiste en:Analizar, diseñar y simular 3

convertidores por separado (Convertidor del PV (BOOST-Aislado) , Convertidor de las Baterías (BOOST-No Aislado) e Inversor Trifásico), para luego unificarlos y comparar su funcionamiento por separado versus su funcionamiento en conjunto.

BOSQUEJO GENERAL DEL BOSQUEJO GENERAL DEL PROYECTOPROYECTO

GridDC-AC

Converter3φ

Isolated DC-DCBoost

Converter

PVFilter3φ

NonIsolated DC-DCBoost

Converter

Battery

DC-Link

Análisis, diseño y simulaciones de:

Convertidor del banco de Baterías, PV e

Inversor.

Curva Corriente vs Voltaje Curva Corriente vs Voltaje para una celda fotovoltaicapara una celda fotovoltaica

•En la figura podemos apreciar que el mayor rendimiento del panel es donde se forma el codo. •Cada tipo de panel tiene su respectiva curva.

DATOS DE PLACA DEL PV DATOS DE PLACA DEL PV Según la Compañía SUNPOWER:Cada panel tiene 72 celdas (6 filas y 12 columnas).

Voltaje del panel = 39,8V.  Potencia = 215W. Corriente = 5,4A.

Se necesitarán 50 paneles para obtener la misma potencia nominal de 10KW del sistema de generación.

Se colocarán 10 ramales en paralelo. Cada ramal consta de 5 paneles en serie. Con lo cual tenemos:

La corriente de cada ramal es de 5.4A. entonces la corriente total seria:

Seguidor del punto de Seguidor del punto de máximo de potencia (MPPT)máximo de potencia (MPPT)

Funcionamiento

Se fija el voltaje de referencia para entregar máxima potencia.

Mientras el voltaje del panel difiera de el Vmp (El Vmp del panel es el voltaje en donde el producto de la corriente y el voltaje es mayor), menor será la eficiencia.

Curva de Potencia vs Voltaje Curva de Potencia vs Voltaje de un PVde un PV

DATOS DE PLACA DE LA DATOS DE PLACA DE LA BATERÍABATERÍA

Según Suni Solar, S.A:

El voltaje nominal de la batería es de 12VDC.

Se conectan 17 baterías en serie para obtener 204VDC.

CÁLCULO DEL VOLTAJE EN EL DC-CÁLCULO DEL VOLTAJE EN EL DC-LINKLINK

DCMAXCON

DCDC

MAXCON

picoLpicoL

picoGRIDpicoLMAXCON

picoLNLNLNpicoGRID

picoLpicoL

rmsLLL

Vm

VV

VmV

mAsumiendo

VVV

VVVV

VVrmsVrmsV

VVV

VIfLIjwLV

520867.0

)45.225(22

2

867.0_

679.1482

45.225)170()679.148(

17012022

679.1482

7093.104)775.27)(10)(60(2)2()(

__

_

222_

2__

__

_

3

Tipo de controlador Margen de fase de

elevación

Función de Transferencia Gráfico

I <=0°

II >0 AND < 90°

III > 90°

s

KcsGc )(

pz w

s

w

s

s

KcsGc 11)(

2

2

1

1

)(

p

z

w

s

w

s

s

KcsGc

TABLA DE LAS FUNCIONES DE TRASFERENCIA DE LOS POSIBLES CONTROLADORES USANDO LA TÉCNICA DEL K-FACTOR

Comparación Moduladora vs Comparación Moduladora vs PortadoraPortadora

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

x 10-3

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Time (sec)

PULSOS

COMPARACIÓN MODULADORA VS PORTADORAMODULADORA INDICE DE MODULACION

CONVERTIDOR DEL BANCO DE BATERÍAS (No-Aislado)

IL

d

)(

)(_

sd

sILbatGp

gm

12

gm

12

[Glo]

[Ghi]

Diagrama de Bode del Diagrama de Bode del controlador del banco de controlador del banco de

BateríasBaterías

101

102

103

104

105

-180

-150

-120

-90

System: GolFrequency (rad/sec): 1.23e+003Phase (deg): -120

Phase (

deg)

Bode Diagram

Frequency (rad/sec)

-100

-50

0

50

100

System: GolFrequency (rad/sec): 1.26e+003Magnitude (dB): -0.0063

Magnitu

de (

dB

)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

Time (sec)

Corri

ente

(A)

I-ref(A), IL(A)Corriente(A)

I-ref(A)

IL(A)

s

LrefVdcbatGp

/__

s + s 0.0002132

3.173 - s 0.009425-_

2batGc

Respuesta del Controlador del banco de Baterías ante un cambio de referencia en

I-ref

Ideal Transformer

1 2

4

gm

12

gm

12

gm

12

gm

12

[Glo]

[Ghi]

[Ghi]

[Glo]

[Glo]

[Ghi]s -

+

54

h1

h2

x1

x2

1:n

1

G

CONVERTIDOR DEL PANEL FOTOVOLTAICO (BOOST-AISLADO)

+

-

Vi

d

)(

)(_

sd

sVipvGp

Diagrama de Bode del Diagrama de Bode del controlador del PVcontrolador del PV

Bode Diagram

Frequency (rad/sec)

-100

-50

0

50System: GolFrequency (rad/sec): 1.26e+003Magnitude (dB): -0.00796

Magnitu

de (

dB

)

101

102

103

104

105

-270

-180

-90

0

90

System: GolFrequency (rad/sec): 1.26e+003Phase (deg): -120

Phase (

deg)

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Time (sec)

Corri

ente

(A)

Vi(V), Vi_ref(V)Voltaje(V)

Vi(V)

Vi-ref(V)

s + s 0.0002232 + s 10*1.245

10*1.333-_

238-

8

pvGp

Respuesta del Controlador del PV ante un cambio de referencia en Vi-ref

s + s 0.0002232 + s 10*1.245

0.231 - s 0.002622 - s 10*7.44-_

238-

2-6

pvGc

Comparación Moduladora vs Comparación Moduladora vs Portadora para el InversorPortadora para el Inversor

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

PULSOS

COMPARACIÓN MODULADORA VS PORTADORA

2 4 6 8 10 12 14 16

x 10-3

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Time (sec)

MODULADORA PORTADORAVOLTAJE (V)

VOLTAJE (V)

Transformada de ParkTransformada de Park A partir del ángulo θ de rotación de los ejes dq, se puede

definir la matriz [T]αβγ-dq0 que permite el cambio de base de αβƔ-dq0.

Como el sistema es balanceado, no tenemos eje 0, entonces la matriz de la transformada se reduce a una matriz de 2x3 que es la siguiente:

)3

4()

3

2()(

)3

4cos()

3

2cos()cos(

wtsenwtsenwtsen

wtwtwtT

Q1 Q2 Q3

Q5 Q6 Q7

Q4

Q8

Vn

Vcero

gm

12

gm

12

gm

12

gm

12

gm

12

gm

12

gm

12

gm

12 [Gchi]

[Gblo]

[Galo]

[Gahi]

[Gbhi]

[Gnlo]

[Gclo]

[Gnhi]

[Gnlo]

[Gnhi]

[Gclo]

[Gchi]

[Gblo]

[Gbhi]

[Galo]

[Gahi]

1

G1

INVERSOR TRIFÁSICO

SSe

eSiinvGc

2005292.4

005065.183.62__

SS

SvinvGc

20004265.0

8.414464.2__

2.001.0

1__

S

iinvGps

vinvGp255

__

+

-

VDC

ma mb mc

)(

)(__

sVDC

sIdvinvGp

)(

)(__

sId

smiinvGp 2

2

1CVEc

Diagrama de Bode del Diagrama de Bode del controlador de Corriente del controlador de Corriente del

InversorInversor

100

101

102

103

104

105

106

-180

-135

-90

System: Gol_INV_iFrequency (rad/sec): 6.48e+003Phase (deg): -120

Phase (

deg)

Bode Diagram

Frequency (rad/sec)

-100

-50

0

50

100

150

System: Gol_INV_iFrequency (rad/sec): 6.36e+003Magnitude (dB): -0.0947

Magnitu

de (

dB

)

Diagrama de Bode del Diagrama de Bode del controlador de Voltaje del controlador de Voltaje del

InversorInversor

-100

-50

0

50

100

150

System: Gol_INV_vFrequency (rad/sec): 617Magnitude (dB): 0.203

Magnitu

de (

dB

)

100

101

102

103

104

105

-180

-150

-120

System: Gol_INV_vFrequency (rad/sec): 634Phase (deg): -120

Phase (

deg)

Bode Diagram

Frequency (rad/sec)

-200

0

200Vgrid(V)

-200

0

200

Vconv(V)

-100

-50

0

50

Igrid(A)

-60

-40

-20

0

Idq(A)

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16

515

520

525

Time (sec)

Vdc(V)

Voltaje (V)

Voltaje (V)

Corriente (A)

Corriente (A)

Voltaje (V)

Simulación de Vgrid, Vconv, Igrid, Idq, VDC aplicando perturbaciones en la corriente que inyecta el panel y cambio de referencia en el voltaje Vi. Hecho en Simulink

FUNCIONAMIENTO DEL FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA UNIFICADOSISTEMA UNIFICADO

Continuous

pow ergui

v+-

Vdc

Vdc_ref

Id_ref

Voltage Controller

G Va

Vb

Vc

Isource

C_POSITIVO

C_NEGATIVO

Power Stage

3

3

I n Mean

[IL_ref_STEP]

[IL_PV]

[Vi]

[Vi_ref_STEP]

[Idq]

[Vconv]

[Igrid]

[IL]

[Vdc]

[Vgrid]

[Vi_ref_STEP]

[Vi]

[Vdc]

[Igrid]

[Idq]

[Vdc]

[Igrid]

[Vconv]

[IL]

[IL]

[IL_ref_STEP]

[IL_PV]

[Vi]

[Vgrid]d G

Driver_PV

m G

Driver_INV

d G

Driver_BATERIA

Igrid

Idq*

m

Idq

Current Controller

G1

Vi

IL_PV

C_POSITIVO_PV

C_NEGATIVO_PV

Converter_PV

G1

IL_ref

IL

C_POSITIVO_BAT

C_NEGATIVO_BAT

Converter_BATERIA

Vi_ref _STEP

Vi

d

Controller_PV

IL_ref _STEP

ILd

Controller_BATERIA

Vdc_ref

Iq_ref

Igrid(A)

Vgrid(V)

Va(V)

Vb(V)

Vc(V)

Vconv (V)

Idq(A)

Vdc(V)

Vi(V), Vi_ref (V)

IL(A), ILref (A)

Simulación de Simulación de Vgrid, Vconv, Igrid, Idq, VDC Vgrid, Vconv, Igrid, Idq, VDC aplicando perturbaciones aplicando perturbaciones en la corriente que inyecta el panel y cambio de referencia en el voltajeen la corriente que inyecta el panel y cambio de referencia en el voltaje ViVi y cambio de referencia en la corriente de la batería. Hecho en y cambio de referencia en la corriente de la batería. Hecho en SimulinkSimulink

-200

0

200Vgrid(V)

-400

-200

0

200400

Vconv(V)

-100

0

100Igrid(A)

-100

-50

0

50Idq(A)

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18500

520

540

560

Time (sec)

Vdc(V)

Esquema del controlador principal y

análisis de contingencia

ESQUEMA DEL SISTEMA USANDO ESQUEMA DEL SISTEMA USANDO UN CONTROLADOR PRINCIPALUN CONTROLADOR PRINCIPAL

MPPT Perfil de consumoCarga en la batería día/noche

Convertidor PVConvertidor

Batería

Controlador de Voltaje

Controlador de CorrientePLL

Controlador General

I_pvVDC

ID*

V_ref

I_ref

ANÁLISIS DE CONTINGENCIAANÁLISIS DE CONTINGENCIA

Al momento de arrancar el sistema en caso de que no haya acuerdo con la empresa eléctrica.

Arranque del sistema en caso de que haya acuerdo con la empresa eléctrica.

Para apagar el sistema.Fallas en la red.

Conclusiones y Recomendaciones

CONCLUSIONES Se analizó, diseñó y simuló los 3 convertidores por separado (Convertidor del

PV (BOOST-Aislado) , Convertidor de las Baterías (BOOST-No Aislado) e Inversor Trifásico), y se obtuvo los mismos resultados al momento de realizar la simulación general y alcanzaron el estado estable.

Al momento de diseñar los controladores de cada convertidor, se lo hizo mediante modelos matemáticos donde no se contemplan los efectos de las conmutaciones, se planteo la hipótesis de que si matemáticamente funcionaban estos controladores, al momento de simular el diagrama general con todos los convertidores conmutando a sus respectivas frecuencias, los controladores funcionarían y alcanzarían el estado estable bajo los efectos de dicha conmutación, esto se comprueba con el análisis y simulaciones del capítulo 4.

Durante las simulaciones nos dimos cuenta que si el capacitor del DC-Link no tenia carga inicial el sistema no arrancaba, es por esta razón que se necesita un circuito independiente que funcione solo en el arranque para que cargue al capacitor a su valor nominal (520VDC) y una vez cargado el capacitor se desconecte.

CONCLUSIONES

Debido a que los tres convertidores que estamos analizando ante una perturbación o ante un cambio de referencia responden correctamente es decir siguen a la referencia con un overshoot relativamente bajo y rápidamente, podemos concluir que la técnica del k_factor es completamente válida para el diseño de controladores de convertidores estáticos.

La corriente que inyecta el inversor a la red es sinusoidal y está en fase con el voltaje de la red, según las simulaciones. Comprueba que modulación es correcta

De las simulaciones se puede decir que el valor calculado para el enlace DC fue el apropiado, pues el voltaje que cae en el inductor incide en el voltaje máximo que puede salir del convertidor.

A medida que aumentan los valores de capacitancia del DC-Link o de inductancia en los inductores que conectan el inversor con la red, mejora el rizado en el voltaje DC-Link y en la corriente a través del inversor pero a cambio de eso hay mayores pérdidas y la respuesta de frecuencia de la planta es más lenta, según pruebas realizadas al momento de determinar cada uno de los componentes.

RECOMENDACIONES

Una limitación del proyecto es que funciona siempre y cuando haya energía en la red, ya que el inversor regula el voltaje en el capacitor DC-Link y si no hay red, este voltaje no puede ser regulado y se afectan los otros dos convertidores. Se podría hacer que el sistema funcione desconectado de la red, para lo cual hay que hacer cambios en el controlador de las baterías para que no solo regule la corriente que consume o suministra el banco de baterías sino también para que controle el voltaje en el DC-Link. Este cambio es muy fácil pero no abarca en nuestro proyecto.