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Diseno y modelado de un inversor monofasico para conexion a la red electrica a partir de paneles. .

DESIGN AND MODELING OF A SINGLE PHASE INVERT ER FOR CONNECTION TO THE GRID CIRCUIT FROM PHOTOVOLTAIC PANELS

1. INTRODUCCION

En las ultimas decadas los paises en aras del desarrollo tecnologico, social, economico, han realizado un manejo inapropiado e irresponsable de sus recursos naturales, trayendo consigo efectos tales como la deforestacion, la emision de gases contaminantes, entre otros [1]. En la actualidad, diferentes centros de investigacion sobre energia solar y fotovoltaica, han enfocado sus esfuerzos a la investigacion y el uso de la energia electrica a partir de energias limpias sostenibles, basadas en recursos renovables. Una de las tecnologias mas desarrolladas y estudiadas en este campo, son los sistemas fotovoltaicos, los cuales proveen energia electrica limpia a partir de la energia solar [2]. Para poder tener un uso real de la energia solar, como fuente de energia electrica, se hace uso los paneles solares, los cuales deben poder transmitir dicha energia al sistema interconectado o alimentar cargas aisladas. Debido a que la energia captada por el panel solar no siempre es constante, se hace necesario el uso de dispositivos intermedios de transformacion que permitan que la energia entregada a la red cumpla con los requerimientos del sistema, como lo son, la amplitud, la frecuencia y el sincronismo con la red [3].

Dadas las necesidades actuales del uso eficiente de energia y mas aun, el ahorro de la misma, y teniendo en cuenta que la industria es un gran consumidor de energia electrica, se vislumbra la posibilidad, de usar este tipo de sistemas de generacion de energia electrica limpia con el fin de lograr metas reales de ahorro de energia, esto en razon a que se tiene un sistema que inyecta energia electrica a la red, lo que disminuira el consumo de las cargas por parte de la red electrica trayendo consigo la disminucion en la tarifa cobrada por el operador de red, asi como el hecho que brindara soporte cuando la red electrica no este presente.

El articulo se encuentra dividido de la siguiente manera: en la primera parte se aborda el tema de los inversores y sus caracteristicas. Posteriormente, se presenta el modelado y diseno de los lazos de control. En el tercer apartado se presenta la simulacion del sistema y finalmente se dan las conclusiones.

Inversor monofasico

El inversor es un dispositivo electronico cuya funcion es entregar energia electrica de manera alterna, a partir de una fuente de corriente continua. Para aplicaciones de conexion a la red, se requiere entregar una senal de tension y corriente lo mas sinusoidales posibles y que cumplan con los requerimientos de frecuencia y fase, y en si de calidad, necesarios para realizar dicha conexion. A continuacion se presentan los diferentes esquemas de conexion de paneles fotovoltaicos y la distribucion de los inversores en dichos esquemas. a. ConFiguraciones de inversores en esquemas fotovoltaicos

1. ConFiguracion inversor centralizado

Esta conFiguracion, presentada en Figura. 1, se utiliza para sistemas con demandas mayores a 10kW. Basicamente y dependiendo de las caracteristicas de tension y potencia que se requieran en el sistema, este modelo de basa en la disposicion serie-paralelo de los paneles fotovoltaicos [4].

[FIGURA 1 OMITIR]

2. CONFIGURACION INVERSORES EN STRING

En comparacion con la conFiguracion anterior, en esta, (Figura. 2), no se tiene un solo inversor para toda la instalacion, sino que se cuenta con un inversor por arreglo, siendo un arreglo una disposicion de paneles cuya potencia esta entre los 3KW y 5 KW [5].

[FIGURA 2 OMITIR]

3. CONFIGURACION MICRO INVERSOR

Este tipo de conFiguracion, presentado en Figura. 3, se fundamenta en el uso de un inversor por cada panel solar, con lo que cada unidad esta en capacidad de manejar entre 50W pico y 400W pico [6].

[FIGURA 3 OMITIR]

b. Modulacion por Ancho de Pulso--PWM La modulacion por PWM es una tecnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una senal periodica, ya sea para transmitir informacion a traves de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energia que se envia a

una carga. Aplicando esta tecnica a los inversores, se logra obtener una senal de tension alterna con notables caracteristicas, altas prestaciones y un contenido armonico bajo [6].

El esquema mas estandarizado es el PWM sinusoidal (SPWM], en el cual la senal del PWM es generada a traves de la comparacion de una onda sinusoidal fundamental y una onda portadora de alta frecuencia [7].

Aproximadamente hace una decada, nuevos esquemas PWM basados en el uso degeneracion aleatoria de numeros han sido propuestos, donde con la forma de onda sinusoidal fundamental se compara con dicha senal aleatoria, con el fin de generar una onda RPWM (random PWM] [8].

Con base en los aspectos teoricos presentados, a continuacion se muestra el esquema de un sistema fotovoltaico con conexion a la red electrica (Figura. 4).

[FIGURA 4 OMITIR]

En Figura. 4 se encuentra encerrado en rojo el inversor. El funcionamiento del inversor depende de la conmutacion de los dispositivos mostrados en Figura. 5 y este proceso de conmutacion es controlado por un sistema de conmutacion a PWM como el mostrado en Figura. 6. El esquema circuital de los filtros a usar a la salida del inversor se muestra en Figura. 7.

[FIGURA 5 OMITIR]

[FIGURA 6 OMITIR]

[FIGURA 7 OMITIR]

Para el diseno del inversor se decide hacer uso de un filtro LCL que permite tener una atenuacion de 60db/decada a partir de la frecuencia de resonancia, presenta una baja distorsion de la corriente de red y baja produccion de potencia reactiva [9]. El diseno como tal se realizo con base a la formulacion presentada en [10]. Asi las cosas, se tiene un circuito como el mostrado en Figura. 8.

[FIGURA 8 OMITIR]

Las caracteristicas del inversor a simular se presentan en la Tabla 1.

4. MODELADO Y DISENO DE LOS LAZOS DE CONTROL

Dada la naturaleza no lineal del circuito de la Figura. 8, se requiere linealizar el sistema en torno a un punto de operacion con el fin de poder emplear tecnicas de control lineal. Para ello se hace uso del modelo del conmutador PWM [11], practicamente lo que se hace es usar o modificar el circuito presentado en Figura. 8 por el circuito presentado en la Figura. 9.

[FIGURA 9 OMITIR]

Asumir esto permite el modelado del sistema, con el fin de obtener las funciones de trasferencia de interes a fin de realizar control lineal sobre el mismo. A continuacion en la Figura. 10, se muestran los modelos circuitales en gran y pequena senal del inversor.

[FIGURA 10 OMITIR]

A partir de los modelos presentados, es posible realizar el diseno de los controladores tanto de tension como de corriente, obteniendo el circuito, Figura. 11.

[FIGURA 11 OMITIR]

Lo que se observa en la Figura. 11, son los lazos de control, donde el lazo interno corresponde al lazo de corriente el cual esta compuesto por: Gs(s) que corresponde al controlador de corriente, RD(s) que es un retardo digital que anade al lazo de corriente 2 ceros complejos conjugados de fase no minima a la mitad de la frecuencia de conmutacion, Fm es la ganancia del modulador PWM bipolar, G_il-d corresponde a la funcion de transferencia de la corriente del inductor de salida y el ciclo de trabajo, y Ri corresponde a la ganancia del sensor de corriente. Por otro lado el lazo externo de la Figura. 11, corresponde al lazo de tension, el cual se esta conformado por: Gv(s) que corresponde al controlador de tension que fija la referencia a seguir por el controlador de corriente, Vdc/ iL es la funcion de transferencia que relaciona la tension de entrada con la corriente de salida del controlador de tension y finalmente se tiene [beta] que corresponde a la ganancia del sensor de tension.

Con base en los modelos anteriormente planteados, Figura. 10, se pueden deducir las funciones de transferencia que se presentan a continuacion.

[EXPRESION MATEMATICA IRREPRODUCIBLE EN ASCII.] (1)

[EXPRESION MATEMATICA IRREPRODUCIBLE EN ASCII.] (2)

Para las anteriores ecuaciones se tiene en consideracion la siguiente condicion:

[EXPRESION MATEMATICA IRREPRODUCIBLE EN ASCII.] (3)

[EXPRESION MATEMATICA IRREPRODUCIBLE EN ASCII.] (4)

En la Tabla 2 se muestran los valores de las ganancias de los elementos que conforman el lazo de corriente y el lazo de tension.

Con los valores presentados en la Tabla 2, es posible ajustar el controlador de corriente y el controlador de tension usando el sisotool de Matlab, para los lazos de corriente y tension respectivamente.

En la Tabla 3 se muestran las funciones de los controladores de corriente y tension ajustadas.

En la Figura. 12, se muestran los diagramas de Bode del lazo de corriente y de tension respectivamente.

[FIGURA 12 OMITIR]

Para la Figura. 12 (a), con el controlador de corriente propuesto, se obtiene un margen de fase de 62.8[grados], asi como un ancho de banda de 1.2 KHz.

Por otro la en la Figura. 12 (b), con el controlador de tension propuesto, se obtiene un margen de fase de 76[grados] asi como un ancho de banda cercano a 14.4 Hz.

5. SIMULACION

Para las pruebas de simulacion se hizo uso del circuito mostrado en la Figura. 13, donde se encuentra el inversor con conexion a la red electrica junto al sistema de control disenado.

Cabe aclarar que la fuente de corriente de corriente a la entrada del inversor emula el comportamiento del panel fotovoltaico.

[FIGURA 13 OMITIR]

Para poder hacer la conexion con la red, se requiere que la corriente de salida del inversor se encuentre sincronizada con la senal de tension de la red electrica, lo que implica hacer uso de un PLL [12]. A continuacion se muestra una prueba donde se inyecta corriente a la red a partir de incrementos de la fuente de corriente de entrada.

[FIGURA 14 OMITIR]

Lo que se aprecia en los resultados presentados en la Figura. 14, es: la primera grafica muestra las variaciones de la corriente de la entrada al inversor. Dichos cambios de corriente corresponden a 0.28 A, 0.56 A y 0.86 A respectivamente. La segunda grafica muestra la tension DC_link, esta permanece constante pese a los cambios de corriente de entrada. Tambien se observa que al darse un cambio en la corriente se presenta una pequena sobre tension que no supera el 5% de la tension en la DC_LINK, lo que implica que el sistema no se encuentra en riesgo. La tercera grafica muestra la corriente de salida en la cual se puede apreciar que su valor inyectado a la red varia conforme la variacion de entrada al inversor, los valores que toma esta senal son 0.54, 1.08 y 1.67 A, respectivamente. Por ultimo, la cuarta grafica muestra la potencia inyectada por el inversor a la red electrica, para este caso 65 W, 130 W y 200 W, respectivamente

Es relevante mencionar el hecho de que aun cuando el inversor no cuente con la potencia de entrada suficiente para suplir la demandada por la carga, la potencia a la salida se puede suplir conforme a la demandada; la ocurrencia de esto reside en que al existir interconexion con la red, esta suministra la potencia faltante para suplir a la carga.

6. CONCLUSIONES

Se modelo y diseno un inversor monofasico en puente completo interconectado con la red electrica con filtro LCL de salida.

Asi mismo, se diseno un control de corriente media, el cual presenta un lazo interno de corriente que hace posible la inyeccion de corriente, por parte del inversor, de forma sincronizada a la red y tambien cuenta con un lazo externo de tension que cumple dos funciones, fijar la referencia para el lazo de corriente y regular la tension presente en la entrada del inversor.

El diseno de los controladores se obtuvo a traves de los modelos de gran y pequena senal del inversor, los cuales se obtuvieron a partir del modelo del conmutador PWM sobre la aproximacion del inversor a un convertidor buck.

Por ultimo, el funcionamiento del inversor y de los controladores del mismo, fueron validados mediante simulacion, donde se analizo el comportamiento en estado transitorio y en estado estable del inversor, logrando resultados satisfactorios.

Referencias

[1] L. Hassaine, "Implementacion de un Control Digital de Potencia Activa y Reactiva para Inversores Aplicacion a Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Red", tesis doctoral, Universidad Carlos III de Madrid, Madrid, 2010.

[2] H.R. Murcia. "Desarrollo de la energia solar en Colombia y sus perspectivas". Revista de ingenieria. n.28. 2008. pp. 83.

[3] I. L. Kosow, "Maquinas electricas y transformadores", Segunda edicion, Pearson educacion, 1993.

[4] S.B. Kjaer, J.K. Pedersen, F. Blaabjerg, "A review of single-phase grid connected inverters for photovoltaic modules," Industry Applications, IEEE Transactions on, vol.41, no.5, pp. 1292-1306, Sept.-Oct. 2005.

[5] M. Calais, J. Myrzik, T. Spooner, V.G. Agelidis, "Inverters for single-phase grid connected photovoltaic systems-an overview," Power Electronics Specialists Conference, 2002. pesc 02. 2002 IEEE 33rd Annual, vol.4, pp. 1995-2000, 2002.

[6] F. Blaabjerg, R. Teodorescu, Z. Chen, M. Liserre, "Power converters and control of renewable energy systems," 1ra ed, pp. 1-120, 2004.

[7] D.E. Alvaro, "diseno de un inversor monofasico autonomo de baja frecuencia ajustable mediante bus DC", proyecto fin de carrera, Departamento de ingenieria electrica, universidad Carlos III de Madrid escuela politecnica superior, Madrid, 2009.

[8] S.Y.R.Hui, Senior Member, IEEE, I. Oppermann, and S. Sathiakumar, "Microprocessor-Based Random PWM Schemes for DC-AC Power Conversion," ieee transactions on power electronics, vol. 12, no. 2, pp. 253-260, march 1997.

[9] Y. Xue, L. Chang, S. Baekhoej, J. Bordonau, T. Shimizu, "Topologies of Single-Phase Inverters for Small Distributed Power Generators: An Overview". Power Electronics, IEEE Trasactions, vol.19, pp.1305-1314, September 2004.

[10] C.L. Trujillo, "Concepcion de controladores conFigurables para microinversores fotovoltaicos operando como unidades autonomas de generacion de energia en microrredes," tesis doctoral, Departamento de ingenieria electronica, universidad politecnica, Valencia, 2011

[11] J.M.A. Myrzik, M.Calais, "String and Module Integrated Inverters for Single Phase Grid Connected Photovoltaic Systems-A Review" Power Tech Conference, 2003 IEEE Bologna, vol. 2, pp 8, June 23-26, 2003

[12] S.M. Silva, B.M. Lopes, B.J. Filho, R.P. Campana and W.C. Bosventura, "Performance evaluation of PLL algorithms for single-phase Grid-connected systems", industry applications conference, 2004. 39 th IAS annual meeting. Conference record of the 2004 IEEE, vol 4, pp 2259-2263, 3-7, Oct 2004.

Cesar Leonardo Trujillo Hernandez:

Ingeniero Electronico--Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas Colombia. Ph.D Ingenieria Electronica --Universidad Politecnica de Valencia --Espana.

Profesor--Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas--Colombia--cltrujillo@udistrital.edu.co; celetero@gmail.com.

Samuel Patacon:

Estudiante Ingenieria Electrica--Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas--Colombia.--Samuel.patacon@gmail.com

Hector Velez:

Estudiante Ingenieria Electrica--Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas--Colombia.--hectorvelez@ udistrital.edu.co

Tipo: Articulo de Investigacion cientifica

Fecha de Recepcion: 6 de Abril de 2015

Fecha de Aceptacion: 24 de Junio de 2015
Tabla 1. Datos generales inversor

Para metro                       Valor

Tension de salida           120 [V.sub.rms]
Potencia nominal                 200 W
Frecuencia de salida             60 Hz
Frecuencia de conmutacion       20 kHz
[f.sub.3]
Tension Vdc                      230 V
Z_load                           72 ?
L                                9 mH
C                               1 [my]F
Lg                             900 [my]H
C_dc_link                        1 mF

Fuente: Autores

Tabla 2. Ganancias de los elementos
de los lazos de corriente y tension

ametro            Valor

                    1
s)       RD(s) = 1 - (s x [T.sub.s])
         + ([(s x [T.sub.s]).sup.2])
         /12)/ 1 + (s x [T.sub.s])
         + ([(s x [T.sub.s]).sup.2])
                   /12)

                0.2 [OMEGA]
               6 x [10.sup.3]

Fuente: Autores

Tabla 3. Funciones de transferencia de los
controladores

Controlador   Funcion

Corriente     [G.sub.s](s) = 0.8 + 100-2 x [pi] x s/
              [s.sup.2] + 2 x [pi] x s [(2 x [pi] x 60).sup.2]
Tension       [G.sub.s](s) = -4 - 80/s

Fuente: Autores
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Author:Trujillo Hernandez, Cesar Leonardo; Patacon, Samuel; Velez, Hector
Publication:Redes de Ingenieria
Date:Jul 1, 2015
Words:2858
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