“DISEÑO DEL CONTROL Y SIMULACIÓN DE UN SISTEMA DE GENERACIÓN ELÉCTRICA BASADO EN MÓDULOS FOTOVOLTAICOS, UN INVERSOR MONOFÁSICO CONECTADO A LA RED Y BATERIAS COMO UNIDAD DE ALMACENAMIENTO” INTEGRANTES: RONALD CARCHI PARRA MANUEL ROMERO CORREA

CONTENIDO Planteamiento del Problema Propuesta de Solución Descripción del Sistema de Generación Dimensionamiento y Modelamiento Diseño del Control Funcionamiento Conclusiones y Recomendaciones

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Crisis Energética y Medioambiental Disminución del suministro mundial de petróleo. Demanda energética crece rápidamente. Calentamiento global a causa del abuso de los combustibles fósiles. Necesidad de fuentes de energía alternativa.

Miles de Barriles/Día

PROPUESTA DE SOLUCIÓN

Energía Solar Fotovoltaica Energía considerada como renovable y limpia. Aumento de la producción de energía eléctrica basada en energía fotovoltaica en los últimos años.

Sistema de Generación Eléctrica Basado en Energía Fotovoltaica Aprovecha la radiación del sol, para convertirla en energía eléctrica. Tratamiento de la energía eléctrica, mediante convertidores de tensión.

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE GENERACIÓN

Características Generales Sistema Monofásico para conexión de 120 Vrms. Modificable a 240 Vrms Potencia Nominal 10 Kw aproximadamente Conexión a la red eléctrica pública Almacenamiento de energía por medio de baterías

Etapas del Sistema Etapa de Fuerza Etapa de Control Convertidor DC-DC tipo boost aislado Convertidor DC-AC (Inversor) Convertidor DC-DC (Almacenamiento) Etapa de Control Control de Voltaje de los Módulos FV Control de Voltaje del Enlace DC Control de Corriente de Carga/Descarga de Baterías

Módulos Fotovoltaicos Dispositivos que captan la energía del sol y la transforman en energía eléctrica.

Convertidor DC – DC (Aislado) Eleva el voltaje de entrada de 150 Vdc a 200 Vdc. Provee aislamiento al sistema. G1 G2 Vi VDC >= D G1 G2 𝑽𝑫𝑪= 𝒏 𝟏−𝑫 ×𝑽𝒊

Convertidor DC – AC Recibe voltaje DC (200 Vdc) y entrega un voltaje AC sinusoidal (120 Vrms) Sincronismo con la red   Ga_Hi Ga_Lo Gb_Hi Gb_Lo VDC VAC >= NOT -1 ma Ga_Hi Ga_Lo Gb_Hi Gb_Lo 𝑽𝑨𝑪=𝒎𝒂×VDC

Convertidor DC – DC (Almac.) Permite un flujo bidireccional de corriente, entre la bateria y el enlace DC. V_bat VDC   >= NOT D G1 G2 IL IL= 𝑽 𝒃𝒂𝒕 −(𝑫×VDC)

DIMENSIONAMIENTO DE ELEMENTOS Y MODELAMIENTO DE PLANTAS

Dimensionamiento de los Elementos Modelamiento de las Plantas Criterios Utilizados Dimensionamiento de los Elementos Inductancias Rizado ≤ 10% de I. Nom. Capacitancias Rizado ≤ 1% de V. Nom. Modelamiento de las Plantas Modelos Promedio. Dominio de la Frecuencia. (Laplace)

Convertidor DC-DC (Aislado) h1 h2 x1 x2   VC Vin VDC VRL VL + - n = 1 IL Vi Inductancia 1 mH Capacitancia 100 uF 𝑉𝑖= 1 𝐶 𝑖 𝑡 𝛿𝑡 𝑉𝑖𝑛 +𝑉𝑅𝐿+𝑉𝐿−𝑉𝐶=0 𝑽𝒊 𝑫 = −𝑽𝑫𝑪× 𝑾𝒏 𝟐 𝒏( 𝒔 𝟐 + 𝟏 𝝉 𝒔+ 𝑾𝒏 𝟐 ) 𝑊𝑛= 1 𝐿×𝐶

Convertidor DC-AC 𝑰𝑳 𝒔 𝒎𝒂(𝒔) = 𝑽𝒅𝒄 𝑳𝒔 𝑬 𝒔 𝑰𝑳(𝒔) =− 𝑽𝒄𝒐𝒏𝒗.𝒑𝒌 𝟐𝒔 150 uH VDC + -   IL Vgrid Vconv Inductancia 150 uH Capacitancia 12 mF 𝑑𝐸(𝑡)= 𝑃𝑖 𝐷𝐶−𝑃𝑜 𝐴𝐶 𝑉𝐿 𝑡 = 𝑉𝑐𝑜𝑛𝑣 −𝑉𝑔𝑟𝑖𝑑 𝑰𝑳 𝒔 𝒎𝒂(𝒔) = 𝑽𝒅𝒄 𝑳𝒔 𝑬 𝒔 𝑰𝑳(𝒔) =− 𝑽𝒄𝒐𝒏𝒗.𝒑𝒌 𝟐𝒔

Convertidor DC-DC (Almac.) Voltaje Batería: 120 V + _   - Vi IL Vout VDC Inductancia 600 uH 𝑉𝑖− 𝑉𝑜𝑢𝑡 −𝑉𝑅𝐿=𝑉𝐿 𝑰𝑳(𝒔) 𝒅(𝒔) = − 𝑽𝑫𝑪 𝑳 𝒔+ 𝟏 𝝉 𝜏= 𝐿 𝑅𝐿

DISEÑO DEL CONTROL

Herramienta usada para la obtención de los controladores Algoritmo k-Factor. Desarrolla 3 tipos de controladores, en base al margen de fase y ancho de banda deseado. TIPO 1 TIPO 2 TIPO 3

Control del Voltaje de los Módulos FV Se desea obtener la máxima potencia de los módulos FV. Variable de control  D (ciclo de trabajo)

Controlador Ancho de Banda: 1800 Hz (11300 rad/s) 𝐺𝑐= −90164.9728 (𝑠+1506) 2 s (s+8.492e004) 2 Margen de Fase: 60 o

Control del Voltaje de Enlace DC Del voltaje de enlace depende el voltaje de salida del inversor y la corriente de carga y descarga de las baterías. Control en cascada donde el lazo más rápido va a ser un lazo que controle la corriente que se inyecte a la red y el lazo mas lento será el que controle el voltaje del capacitor de enlace DC.

Controlador de Corriente Ancho de Banda: 1000 Hz (6300 rad/s) 𝐺𝑐𝑖= 110,5016 (𝑠+1684) 𝑠 (𝑠+2.345𝑒004) Margen de Fase: 60 o

Controlador de Voltaje Ancho de Banda: 12 Hz (75 rad/s) 𝐺𝑐𝑣=− −249.6036(𝑠+20.2) 𝑠(𝑠+281.4) Margen de Fase: 60 o

Control de Corriente de la Batería Para permitir la carga y descarga de la batería En la noche se usa el almacenamiento Variable de control  D (ciclo de trabajo) Descarga V_bat Carga

Controlador Ancho de Banda: 1000 Hz (6300 rad/s) 𝐺𝑐= −209.9073 (𝑠+1773) 𝑠 (𝑠+2.226𝑒004) Margen de Fase: 60 o

FUNCIONAMIENTO

Inicialización del Sistema Estabilización del Voltaje de Enlace DC sin flujo de potencia (Voltaje de circuito abierto en módulos FV) Cambio progresivo de voltaje de circuito abierto a voltaje de máxima potencia. Flujo de Potencia constante

Aumento y Disminución de la Intensidad Luminosa

Uso del Almacenamiento de Energía Carga de la Batería

Descarga de la Batería

CONCLUSIONES

El rizado del voltaje de los capacitores, como el rizado de la corriente que circula por los inductores, se encuentran dentro de los rangos máximos permitidos. La corriente que se inyecta a la red toma menos tiempo en ser estabilizada con respecto al voltaje de enlace.

El sistema tiene la capacidad de brindar la potencia máxima, sin encontrarse necesariamente los módulos FV brindando su potencia máxima. La inicialización del sistema que se propuso no presentó inconvenientes, ya que todas las variables a controlar se estabilizaron en menos de 0,8 segundos.

RECOMENDACIONES

Realizar estudios tales como factibilidad, sostenibilidad e impacto ambiental de este tipo de sistemas en nuestro medio, para determinar si el tema planteado es aplicable o si necesita modificación. Seleccionar los fusibles para la protección del sistema de forma adecuada, tomando en cuenta la presencia de inductores. Tener presente todos los parámetros de la norma IEEE 1547 para la conexión con la red.

Asegurarse que no se ha sobredimensionado los elementos constitutivos del sistema, ya que este hecho haría que el sistema se encarezca. La empresa eléctrica provee dos fases de 120 Vrms. El sistema diseñado tiene una salida de voltaje de 120 Vrms, al ser instalado, causaría un desbalance de las fases. Por este motivo se podría duplicar el voltaje de salida del sistema a 240 Vrms con lo cual no existiría ningún inconveniente.