ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL FACULTAD DE INGENIERÍA EN ELECTRICIDAD Y COMPUTACIÓN
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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
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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
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MOTIVACIÓN DEL PROYECTO
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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.
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PROPUESTA DE PROYECTO
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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.
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BOSQUEJO GENERAL DEL BOSQUEJO GENERAL DEL PROYECTOPROYECTO
GridDC-AC
Converter3φ
Isolated DC-DCBoost
Converter
PVFilter3φ
NonIsolated DC-DCBoost
Converter
Battery
DC-Link
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Análisis, diseño y simulaciones de:
Convertidor del banco de Baterías, PV e
Inversor.
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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.
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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:
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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.
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Curva de Potencia vs Voltaje Curva de Potencia vs Voltaje de un PVde un PV
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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.
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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
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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
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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
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CONVERTIDOR DEL BANCO DE BATERÍAS (No-Aislado)
IL
d
)(
)(_
sd
sILbatGp
gm
12
gm
12
[Glo]
[Ghi]
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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
)
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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
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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
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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)
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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
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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)
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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
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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
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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
)
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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)
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-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
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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)
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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)
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Esquema del controlador principal y
análisis de contingencia
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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
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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.
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Conclusiones y Recomendaciones
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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.
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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.
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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.