Table Of ContentSISTEMA 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
5) Drivers y sensores ............................................................................................................................ 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
5) Drivers y sensores ............................................................................................................................ 51
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
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.
1
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.
I
BAT V
V BAT
outInv
V
ModSolar
I I
outInv ModSolar
V
inInv PWM PWM
PWM
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
2
entregársela a la línea, también se debe regular el voltaje y la corriente para cargar la batería de manera
correcta y no dañarla.
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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.
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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 L para modelar el cableado, que es normalmente
c
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 f la frecuencia elegida para la conmutación del convertidor.
s
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Description: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 o
