PROYECTO FIN DE CARRERA

Presentación del tema: "PROYECTO FIN DE CARRERA"— Transcripción de la presentación:

1 PROYECTO FIN DE CARRERA
CONTROL DE UN CONVERTIDOR DC-DC BIDIRECCIONAL PARA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA (COBIAE) PROYECTO FIN DE CARRERA David Modroño Maeztu Tutor UPV: Iñigo Kortabarria Iparragirre Tutor Tecnalia: Sendoa Burusteta Ruiz 27 de Septiembre de 2012 Buenos días, mi nombre es David Modroño y voy a exponeros mi proyecto fin de carrera, cuyo título es Control de un convertidor DC-DC bidireccional para almacenamiento de energía (o COBIAE). Es un proyecto del área de la electrónica de potencia y ha sido desarrollado en el aula tecnalia junto con el grupo de investigación APERT.

2 Índice Introducción Objetivos Sistema de potencia Sistema de control
CONTROL DE UN CONVERTIDOR DC-DC BIDIRECCIONAL PARA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA (COBIAE) Índice Introducción Objetivos Sistema de potencia Sistema de control Resultados Conclusiones Líneas Futuras Este es el guión que seguiré para la presentación. Primero, será una introducción al proyecto y su contexto. Seguido, los objetivos que se han fijado al comienzo del mismo. A continuación la parte de desarrollo del proyecto que se ha dividido en dos partes, Sistema de potencia y sistema de control. Para finalizar os hablaré de los resultados, conclusiones y líneas futuras de COBIAE.

3 Introducción Actualidad Propuesta Agotamiento de combustibles fósiles.
CONTROL DE UN CONVERTIDOR DC-DC BIDIRECCIONAL PARA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA (COBIAE) Introducción Actualidad Agotamiento de combustibles fósiles. Contaminación derivada del uso de los mismos. Propuesta Paulatina sustitución del actual parque automolístico basado en combustible fósil  Vehículos eléctricos. Integración de fuentes de energía renovable. Nueva infraestructura  Introducción Objetivos Funcionamiento Sistema de potencia Uno de los problemas a los que la sociedad moderna debe enfrentarse es al agotamiento de los combustibles fósiles, así como la contaminación derivada de su uso. Para afrontar este problema, desde el sector del transporte se ha planteado sustituir los actuales vehículos basados en gasolina por nuevos vehículos eléctricos. Así mismo, también se desea integrar fuentes de energía renovable en este sector. Estos cambios suponen la necesidad de una nueva infraestructura, y es ahí donde entran las Electrolineras. Sistema de control Resultados Conclusiones Electrolineras Líneas futuras

4 Introducción A. Renovable  Red eléctrica
CONTROL DE UN CONVERTIDOR DC-DC BIDIRECCIONAL PARA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA (COBIAE) Introducción Introducción Objetivos Introducción Funcionamiento Objetivos Sistema de potencia Sistema de potencia Desde Apert se ha propuesto una arquitectura para la electrolinera como la que veis en la imagen. Esta arquitectura integra una serie de fuentes de energía renovable ( como puede ser la eólica, solar fotovoltaica o minihidráulica). un sistema de almacenamiento de energía, conexión a la red eléctrica y estaciones de recarga de vehículos. Mediante esta arquitectura se permite maximizar los escenarios de intercambio energético ( Renovable a red eléctrica o al banco de baterías, de la red eléctrica al banco de baterías o de las baterias a los propios vehículos eléctricos entre otras.) Para que todo esto pueda estar interconectado es necesario una serie de convertidores de potencia que adapten los distintos niveles de tensión y corriente. En este proyecto, se ha trabajado con el convertidor DC-DC que conecta un bus de continua con el banco de baterías. 2:30 Sistema de control Sistema de control Resultados Resultados Conclusiones Conclusiones Líneas futuras Líneas futuras A. Renovable  Red eléctrica B. Renovable  Banco de baterías C,D.Red eléctrica  Banco de baterías y/o EVs E.Banco baterías  EVs

5 CONTROL DE UN CONVERTIDOR DC-DC BIDIRECCIONAL PARA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA (COBIAE)
Objetivos Modelado de simulación del sistema de potencia en Matlab-Simulink Desarrollo de un sistema de control para la carga y descarga del banco de baterías Obtención de resultados de simulación que permitan: Revisar las especificaciones iniciales del prototipo inicial. Establecer baremos de potencia/corriente. Introducción Objetivos Introducción Funcionamiento Objetivos Sistema de potencia Sistema de potencia Centrándose en ese convertidor de potencia, los objetivos a cumplir han sido (en este orden) Modelar en la plataforma Matlab-Simulink el sistema de potencia. Desarrollar un sistema de control que permita la cargar y descargar el sistema de almacenamiento de la electrolinera. Y por último, realizar una serie de simulaciones a partir de ese diseño. En este punto debo mencionar que en paralelo con este proyecto de simulación se ha estado desarrollando en APERT un prototipo real del convertidor DC-DC. Se espera por lo tanto que estas simulaciones permitan revisar tanto sus especificaciones como sus limitaciones en potencia o corriente. 3:00 Sistema de control Sistema de control Resultados Resultados Conclusiones Conclusiones Líneas futuras Líneas futuras

6 CONTROL DE UN CONVERTIDOR DC-DC BIDIRECCIONAL PARA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA (COBIAE)
Funcionamiento Introducción Objetivos Introducción Objetivos Funcionamiento Sistema de potencia Sistema de potencia En cuanto al funcionamiento del sistema, el objetivo es tanto la carga como la descarga de las baterías. El bloque que representa el convertidor está conectado al Bus de continua y a las baterías. Al sistema de control se le proporcionn dos parámetros: Una corriente de referencia y una medida de la corriente que circula por las baterías. A partir de la diferencia de estas, el sistema de control será el encargado introducir una una correccion en el convertidor para igualarlas, y de esta forma controlar la corriente por las baterías a partir de la referencia. Es un sistema en lazo cerrado luego esta operación sucede de forma ininterrumpida. 4:00 Sistema de control Sistema de control Resultados Resultados Conclusiones Conclusiones Líneas futuras Líneas futuras

7 Sistema de potencia CONVERTIDOR DC-DC BIDIRECCIONAL BANCO DE BATERÍAS
CONTROL DE UN CONVERTIDOR DC-DC BIDIRECCIONAL PARA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA (COBIAE) Sistema de potencia Introducción CONVERTIDOR DC-DC BIDIRECCIONAL Introducción Objetivos Introducción Funcionamiento Objetivos Objetivos Sistema de potencia Sistema de potencia Sistema de potencia Aquí se muestra el sistema completo en Simulink. La parte remarcada es el sistema de potencia, formado por el convertidor DC-DC bidireccional y el banco de baterías. BANCO DE BATERÍAS SISTEMA DE CONTROL Sistema de control Sistema de control Sistema de control Resultados Resultados Resultados Conclusiones Conclusiones Conclusiones Líneas futuras Líneas futuras Líneas futuras

8 Transformador trifásico
CONTROL DE UN CONVERTIDOR DC-DC BIDIRECCIONAL PARA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA (COBIAE) Sistema de potencia Modelo del convertidor DC-DC bidireccional Inversor trifásico 2 inversores trifásicos. Inversor (DC/AC) o rectificador controlado (AC/DC) 𝑓 𝑐𝑜𝑛𝑚𝑢𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 : 7.2kHz IGBT’s 20A y 1200V Transformador trifásico 3 transformadores monofásicos en estrella. Relación de espiras de 5 Potencia nominal: 2kW Introducción Introducción Introducción Objetivos Funcionamiento Objetivos Objetivos Sistema de potencia Sistema de potencia Sistema de potencia En cuanto al convertidor DC-DC cuenta con dos inversores cuyos IGBT’s conmutan a 7.2 KHz y están limitados a 20A de corriente y 1200V de tensión. Esta foto es la correspondiente al inversor del prototipo. Este es el inversor modelado en simulink junto a algunos de sus parámetros. Conectando los dos inversores tenemos un transformador trifásico cuyos objetivos son: Por un lado permitir conectar dos niveles de tensión muy distintos como lo son el bus DC y las baterías. Por otro lado, proporciona asilamiento entre el inversor de entrada y salida del convertidor. En la imagen se pueden ver los 3 transformadores monofásicos utilizados en el prototipo. Su modelo de simulación está formado también por 3 transformadores monofásicos conectados en estrella junto a las especificaciones del prototipo. Recortar en inversor. Poner en la imagen primero el esquema del inversor y del trafo. Sistema de control Sistema de control Sistema de control Resultados Resultados Resultados Conclusiones Conclusiones Conclusiones Líneas futuras Líneas futuras Líneas futuras

9 Sistema de potencia Modelo de las baterías 4 módulos en serie
CONTROL DE UN CONVERTIDOR DC-DC BIDIRECCIONAL PARA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA (COBIAE) Sistema de potencia Modelo de las baterías 4 módulos en serie Tensión: 93V – 112V Capacidad nominal: 328Ah Introducción Objetivos Introducción Introducción Objetivos Objetivos Funcionamiento Sistema de potencia Sistema de potencia Sistema de potencia Como sistema de almacenamiento se ha optado por un banco de baterías de Ión-Litio de la marca SAFT, modelo Synerion 24M. 4 de estos módulos en serie que proporcionan una capacidad de 328 Amperios-hora. La tensión en las baterías depende de su estado de carga o SOC, que va desde los 93V con una carga del 0% hasta 112V cuando están completamente cargadas. La tensión que se produce en una batería se debe a un conjunto de reacciones electroquímicas internas. Estos fenómenos se pueden representar mediante un circuito eléctrico equivalente. En este proyecto se ha optado por un modelo denominado Randell de 2º orden. En este modelo equivalente, se utilizan distintos componentes para representar efectos reales de las baterías. A representa la tensión en circuito abierto de las baterías. B representa las pérdidas debidas a impedancias internas Y C modela los transitorios en la tensión de la batería mediante dos circuitos RC. Estos efectos se han incluido en Simulink en el siguiente modelo. Es importante mencionar también que las baterías de Ión-Litio se cargan en dos etapa. La primera etapa es el modo corriente en la que se aplica una corriente continua a las baterías y las carga del 0 al 85%. La segunda etapa es el modo tensión y supone la carga del 85 a 100% . En este modo se fija la tensión en sus terminales a medida que la corriente decrece. Sistema de control Sistema de control Sistema de control Resultados Resultados Resultados Conclusiones Conclusiones Conclusiones Líneas futuras Líneas futuras Líneas futuras

10 Sistema de control CONVERTIDOR DC-DC BIDIRECCIONAL BANCO DE BATERÍAS
CONTROL DE UN CONVERTIDOR DC-DC BIDIRECCIONAL PARA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA (COBIAE) Sistema de control Introducción CONVERTIDOR DC-DC BIDIRECCIONAL Introducción Objetivos Introducción Funcionamiento Objetivos Objetivos Sistema de potencia Sistema de potencia Sistema de potencia Volviendo al modelo del sistema completo, remarco ahora la otra parte, que consiste en el sistema de control que permite ajustar la corriente de carga y descarga de las baterías. BANCO DE BATERÍAS SISTEMA DE CONTROL Sistema de control Sistema de control Sistema de control Resultados Resultados Resultados Conclusiones Conclusiones Conclusiones Líneas futuras Líneas futuras Líneas futuras

11 Sistema de control Estrategia de control para “modo corriente”
CONTROL DE UN CONVERTIDOR DC-DC BIDIRECCIONAL PARA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA (COBIAE) Sistema de control Estrategia de control para “modo corriente” Control por desfase (δ): Transferencia bidireccional de potencia en base al control del desfase entre las señales que conmutan los IGBT’s Se puede controlar el flujo de corriente por el banco de baterías, así como su sentido: V1: Tensión en el primario del transformador (Azul) V2: Tensión en el secundario del transformador (Rojo) Introducción Introducción Introducción Objetivos 0≤δ(𝑟𝑎𝑑)≤ π π ≤δ(𝑟𝑎𝑑)≤ 2π Funcionamiento Objetivos Objetivos Sistema de potencia Sistema de potencia Sistema de potencia Puesto que hay dos modos de carga de baterías, han sido necesarias dos estrategias para la carga de las mismas. En el caso de la carga para el modo corriente se ha utilizado una estrategia denominada Control por desfase, que lo que hace es desfasar los pulsos de conmutación de los IGBTs entre el inversor 1 y 2. De esta forma se consigue una corriente positiva o negativa por las baterías. En esta pequeña animación se puede observar de forma más visual esta estrategia. A medida que la tensión en el secundario del transformador se desfasa con respecto a la del primario la corriente cambia, pasando de positiva a negativa y viceversa. Esa relación ha dado como resultado una curva como la que podéis ver en esta figura. Se pueden distinguir dos intervalos. Entre 0 y PI de desfase, se obtiene una corriente negativa que sirve para descargar las baterías. El intervalo PI a 2PI produce una corriente con positiva, por lo tanto ese intervalo puede ser utilizado para cargar las baterías. Esta curva está obtenida a partir de un modelo simplificado, en la parte de resultados os mostraré cual es una curva más real. Sistema de control Sistema de control Sistema de control CARGA DESCARGA Resultados Resultados Resultados Conclusiones Conclusiones Conclusiones Líneas futuras Líneas futuras Líneas futuras IBAT: Corriente por las baterías (Verde)

12 Sistema de control Controlador PI para “modo corriente”
CONTROL DE UN CONVERTIDOR DC-DC BIDIRECCIONAL PARA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA (COBIAE) Sistema de control Controlador PI para “modo corriente” Dispositivo encargado de implementar la estrategia de control. Dos componentes: Proporcional: Estabiliza al proceso. Integral: Reduce a 0 el error en régimen permanente. Garantiza un tiempo de respuesta del sistema (TS) Introducción Introducción Objetivos Introducción Objetivos Funcionamiento Objetivos Sistema de potencia Sistema de potencia Sistema de potencia El elemento que se encarga de implementar el control por desfase es un controlador Proporcional Integral o PI. Mediante la acción de la parte proporcional y la parte integral corrige la corriente por las baterías. Además puede fijar un tiempo de respuesta del sistema o Ts de forma que sabremos cuanto va a tardar en corregir la corriente al cambiar la referencia. Sistema de control Sistema de control Sistema de control Resultados Resultados Resultados Conclusiones Conclusiones Conclusiones Líneas futuras Líneas futuras Líneas futuras

13 Sistema de control Controlador PI para “modo corriente” Referencia
CONTROL DE UN CONVERTIDOR DC-DC BIDIRECCIONAL PARA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA (COBIAE) Sistema de control Controlador PI para “modo corriente” Referencia Introducción Introducción Objetivos Introducción Medición Funcionamiento Objetivos Objetivos Sistema de potencia Sistema de potencia Sistema de potencia El controlador PI también ha sido modelado en Simulink. Tiene como entrada la diferencia entre los parámetros Referencia y Medición y a partir de estos genera un desfase para corregir esa diferencia. A su vez, el bloque PI está formado por la parte proporcional y la parte integral. Se ha añadido también un antiwindup para evitar que la parte integral se sature en exceso. Antiwindup para evitar que se sature el integrador en exceso. (Necesitamos saturar la corriente). Sistema de control Sistema de control Sistema de control Resultados Resultados Resultados Conclusiones Conclusiones Conclusiones Líneas futuras Líneas futuras Líneas futuras

14 Sistema de control Estrategia de controI para “modo tensión”
CONTROL DE UN CONVERTIDOR DC-DC BIDIRECCIONAL PARA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA (COBIAE) Sistema de control Estrategia de controI para “modo tensión” Se fija la tensión en bornes de las baterías (112V). Inversor conectado a las baterías pasa a funcionar como un rectificador trifásico no controlado. Introducción Objetivos Introducción Introducción Objetivos Objetivos Funcionamiento Sistema de potencia Sistema de potencia Sistema de potencia Para el modo tensión la estrategia de control es distinta. En este caso, hay que fijar una tensión en las baterías y por lo tanto se ha optado por hacer trabajar al inversor conectado a las baterías como rectificador no controlado. Como puede verse en la figura, a partir de 3 tensiones alternas trifásicas se obtiene una tensión continua de 112V. No sólo es necesario disponer de dos estrategias de control, si no también hacer que el sistema sea capaz de conmutar de una a otra cuando lo requiera. Para ello se ha utilizado este circuito en simulink. Lo que hace es monitorizar continuamente la tensión en las baterías. En el momento en el que esta tensión alcanza los 112V, conmuta de modo corriente a modo tensión. Si detecta una referencia negativa, conmuta de nuevo al modo corriente. Sistema de control Sistema de control Sistema de control Resultados Resultados Resultados Conclusiones Conclusiones Conclusiones Líneas futuras Líneas futuras Líneas futuras

15 Resultados Transición modo corriente a modo tensión
CONTROL DE UN CONVERTIDOR DC-DC BIDIRECCIONAL PARA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA (COBIAE) Resultados Transición modo corriente a modo tensión Respuesta del sistema Curva de corriente para todo el intervalo de δ. Introducción Introducción Objetivos Introducción Funcionamiento Objetivos Objetivos Sistema de potencia Sistema de potencia Sistema de potencia De las simulaciones se han obtenido una serie de resultados, de los cuales muestro aquí algunos de los más representativos. Con el sistema final, la curva corriente-desfase se vuelve asimétrica, habiendo un intervalo para la descarga mucho mayor que para la carga. Así mismo se ha comprobado que la corriente máxima de carga es de 42.6A mientras que la de descarga es de 236.5A. No obstante, los IGBT’s limitan la corriente por las baterías a 20 A, luego nos vemos limitados a trabajar en esta parte marcada en rojo. Con esta captura trato de mostraros el proceso de carga y descarga completo de las baterías. En la gráfica superior se puede ver como la referencia de corriente es nula hasta un instante dado. A partir de ese momento, se le indica 20A y las baterías comienzan a cargarse. Llegado a los 112V como indica la captura inferior el control cambia al modo tensión. Se observa que la corriente ya no es constante. Más adelante, se pone como referencia una corriente de -20A y por lo tanto las baterias se descargan. Por último, se muestra la respuesta del sistema ante variaciones en la corriente de referencia. Se puede comprobar como efectivamente la corriente por las baterías es capaz de aproximarse a la referencia con unos tiempos de respuesta de 50ms aproximadamente. Sistema de control Sistema de control Sistema de control Intervalos de δ asimétricos para carga y descarga. IBATmax (Carga) = 42.6A e IBATmax (Descarga) = A Potencia (Carga) = 4.2kW y Potencia (Descarga) = -21kW Resultados Resultados Resultados Conclusiones Conclusiones Conclusiones Tiempo de respuesta del sistema (TS) = 50 ms. Líneas futuras Líneas futuras Líneas futuras

16 Conclusiones Convertidor DC-DC bidireccional en puente completo.
CONTROL DE UN CONVERTIDOR DC-DC BIDIRECCIONAL PARA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA (COBIAE) Conclusiones Convertidor DC-DC bidireccional en puente completo. Inductancia de filtrado. 𝑵 𝑷 𝑵 𝑺 = 𝑽 𝑩𝒖𝒔 𝑽 𝑩𝒂𝒕𝒆𝒓í𝒂𝒔 Dinámica del sistema de 1º orden. Necesidad de utilizar un Anti-Windup. Curva desfase (δ) – Corriente (A) dependiente del SOC. El ciclo de trabajo (D) no es un parámetro viable de control Introducción Introducción Objetivos Introducción Objetivos Funcionamiento Objetivos Sistema de potencia Sistema de potencia Sistema de potencia Además de las simulaciones mostradas, se han obtenido una serie de conclusiones acerca del convertidor DC-DC. Lo primero es que la mejor topología para el convertidor es la de DC-DC bidireccional y en puente completo. Por otra parte, ha sido necesario añadir una bobina de filtrado para limitar el rizado de la corriente por las baterías. El límite es de un 30% con respecto a la media, y se ha reducido este valor a un escaso 2.4%. Se ha comprobado también la necesidad de que la relación de tensiones Bus-Baterías coincida con la relacion de espiras del transformador. El sistema tiene una respuesta de 1º orden, necesita un anti-windup para evitar la saturación del Integrador, la curva desfase corriente depende del estado de carga de las baterías y por último se intentó utilizar un parámetro denominado ciclo de trabajo para controlar la corriente, pero resultó ineficaz. (variación descontrolada). Sistema de control Sistema de control Sistema de control Resultados Resultados Resultados Conclusiones Conclusiones Conclusiones Líneas futuras Líneas futuras Líneas futuras

17 Líneas futuras Continuidad de este proyecto
CONTROL DE UN CONVERTIDOR DC-DC BIDIRECCIONAL PARA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA (COBIAE) Líneas futuras Continuidad de este proyecto Estudio de las relaciónes: curva desfase (δ) – Corriente (A) Lfiltro, RP, RS y SOC Mejora del sistema de control: Control basado en lógica difusa Continuidad para otros proyectos. Prueba del modelo de simulación en RT-LAB. Validación experimental del proyecto (CoPER II). Introducción Introducción Objetivos Introducción Objetivos Funcionamiento Objetivos Sistema de potencia Sistema de potencia Sistema de potencia Para terminar, quiero mencionar las posibles lineas futuras que se han planteado para este proyecto. Por un lado está la continuidad del proyecto en base a como lo hubiera continuado de haber dispuesto de más tiempo. Planteo estudiar la relación entre curva corriente-desfase y algunos de los parámetros del sistema como la inductancia de filtrado, las pérdidas en los devanados del transformador y el estado de carga y mejorar el sistema de control. A pesar de ser de 1º orden, es un sistema no lineal y variante en el tiempo. Un PI no puede actuar ante cambios en el tiempo, así que se ha planteado utilizar un control basado en lógica difusa. Por otra parte, se plantea una continuidad en sentido de ser aprovechado para otros proyectos. Se propone probar el modelo de simulación en la plataforma RT-LAB, que permite la simulación de modelos en tiempo real y luego, la validación de este proyecto mediante la implementación del control aquí desarrollado en el prototipo real. En realidad este proyecto ya está definido , se denomina CoPER II. Proviene a su vez de un proyecto CoPER I con el que he trabajado en paralelo. Sistema de control Sistema de control Sistema de control Resultados Resultados Resultados Conclusiones Conclusiones Conclusiones Líneas futuras Líneas futuras Líneas futuras

18 GRACIAS POR SU ATENCIÓN
CONTROL DE UN CONVERTIDOR DC-DC BIDIRECCIONAL PARA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA (COBIAE) Preguntas GRACIAS POR SU ATENCIÓN Esto ha sido todo. Os doy las gracias por haber venido y por vuestra atención. Estoy a vuestra disposición para aclarar las dudas que os hayan surgido.