Diagnostico y Compensacion de Fallas en Convertidores de

Potencia para Sistemas Fotovoltaicos

Interconectados con la Red

Primer Avance de Tesis

M.I. Jose Angel Pecina Sanchez

Asesor: Dr. Daniel Ulises Campos Delgado

Co-Asesor: Dr. Diego Rivelino Espinoza Trejo

Posgrado en Ingenierıa Electronica

Facultad de Ciencias

Universidad Autonoma de San Luis Potosı

1. Introduccion

En los ultimos anos se ha visto un incremento considerable en el gasto global de energıa, lo que se debeprincipalmente a los altos estandares de vida que exige hoy en dıa la sociedad moderna, y sobretodo, alevidente crecimiento de la poblacion mundial. La mayorıa de la energıa consumida globalmente provienede combustibles fosiles, y la quema de estos ha causado serios danos al medio ambiente. Sin embargo, elWorld Energy Outlook 2011 estima una reduccion en la participacion de los combustibles fosiles del 81%en 2010 a un 75% en 2035; aun ası, las reservas de combustibles fosiles son limitadas. Es por esta razony sobretodo, el necesario cuidado del medio ambiente, que la comunidad global ha puesto enfasis en eluso de fuentes renovables para la generacion de energıa. En consecuencia, la investigacion el y desarrollotecnologico asociados al uso de fuentes alternas para la generacion de energıa es hoy en dıa un tema dealto impacto en la comunidad cientıfica de todo el mundo. De las diferentes fuentes de energıa renovableque existen actualmente en el entorno, las mas explotadas son la hidroelectrica, la solar y la eolica. En estecontexto, las fuentes fotovoltaicas han tenido un importante rol en el escenario global de energıa durante losultimos anos, y han crecido rapidamente sobre todo en los paıses desarrollados [1]. Ademas, estos sistemas sepodrıan colocar como los segundos contribuidores de energıa procedente de fuentes alternas para el 2040 [2].

Como resultado, los sistemas fotovoltaicos (SFVs) dispersos se han incrementado en gran numero, loque impone un compromiso mayor entre confiabilidad, seguridad, costos, y eficiencia en la conversion deenergıa. En consecuencia, la ininterrumpida y correcta operacion de los convertidores de potencia queenvuelven esta tecnologıa tendra un papel de gran relevancia. Una solucion para lograr confiabilidad yseguridad en el sistema de generacion es emplear componentes robustos y de calidad; aun ası, un sistemalibre de fallas no puede ser garantizado, por lo que la posibilidad de realizar un mantenimiento preventivoo correctivo ante algun evento o falla, proveera de un mejor uso de la instalacion y de menos interrupcionesen el servicio, lo que optimizara a su vez la produccion de energıa. Para tal efecto, es necesario adaptar a laplanta un esquema de diagnostico y compensacion de fallas, para de esta manera garantizar la continuidaddel proceso e incrementar la confiabilidad del sistema. Por lo tanto, en este trabajo de tesis se abordara laproblematica del diagnostico y compensacion de fallas en el convertidor de potencia de un SFV.

1

2. Estructura General del Sistema Fotovoltaico

La finalidad de esta seccion es describir de manera general las diferentes unidades de control y potenciaque conforman la estructura del SFV, la cual se presenta en la Fig. 1. Estas consisten principalmente en:los modulos FV, la unidad de conversion de potencia, la unidad de control, el sistema para el diagnosticoy compensacion de fallas, y por ultimo la etapa de aislamiento y filtrado.

Módulo

Fotovoltaico

Sistema

de Control

General

Monitoreo y

Sincronización

de la RedControl de

Carga

MPPT

P* Q*

Sistema FDI y

Compensación

de Fallas

Aislamiento

y

Filtro de

SalidaCargas

Locales

Red de

Suministro

Conversión de

Potencia

vfv ifv

vcd

icd

vs is

vg

ig

Fig. 1: Estructura general del sistema de generacion fotovoltaico.

Convertidor de Potencia. Una vez que los modulos FV se encargan de transformar la luz solar en energıaelectrica en CD, es necesaria una etapa de acondicionamiento de potencia, para lo cual generalmente seemplea un convertidor. Este convertidor puede estar constituido por una sola etapa (e.g., convertidorCD-CA) o por dos etapas (e.g., convertidor CD-CD y CD-CA), con o sin aislamiento galvanico.Enseguida de esta etapa, se puede anadir un filtro para suavizar la corriente de salida, y de esta manerareducir el rizado inducido por la conmutacion de alta frecuencia en el convertidor de potencia. Ademas,dependiendo de las reglas de interconexion establecidas por las agencias gubernamentales de energıa,podrıa ser necesario aislamiento entre el SFV y la red de suministro electrico. Actualmente existe unagran cantidad de topologıas de convertidores de potencia para sistemas FV [3, 4]. La clasificacion deestas topologıas depende en lo general del numero de etapas en el procesamiento de la energıa, dondees evidente la etapa de conversion de CD-CA mediante un inversor [5]. Basicamente, se dividen endos categorıas: sistemas con convertidor CD-CD (con aislamiento y sin aislamiento) y sistemas sinconvertidor CD-CD (con aislamiento y sin aislamiento) [6–8].

Sistema de Control. La interconexion de las diferentes fuentes alternas de energıa a la red electricaintroducira diferentes dinamicas al sistema interconectado. En consecuencia, estos sistemas puedenconducir a una falla o inestabilidad en la red si no son debidamente controlados. Por lo tanto, paraenfrentar el reto de interconexion, el sistema de control a disenar debera contribuir con la seguridadde la red y ademas, debera de realizar las siguientes tareas [1, 8, 9]:

Maximizar la extraccion de energıa proveniente de la fuente solar a traves del algoritmo deseguimiento del punto de maxima potencia (MPPT por sus siglas en ingles) [10].

Controlar la potencia activa/reactiva inyectada a la red [11].

Asegurar una alta calidad de la energıa transferida [12].

2

Monitorear la red electrica y sincronizar el SFV [13].

Unidad de Diagnostico y compensacion de Fallas. Por ultimo, la unidad de diagnostico y compen-sacion de fallas, la cual es la principal aportacion de este proyecto de investigacion doctoral. Comose describira mas adelante, esta unidad sera la encargada de llevar a cabo la deteccion, aislamientoy compensacion de fallas en el convertidor de potencia del SFV, por lo que ademas del diseno de laherramienta de diagnostico, sera necesario llevar a cabo una exploracion de las estrategias de controltolerante a fallas propuestas hasta ahora en la literatura.

3. Diagnostico y Monitoreo de Sistemas Fotovoltaicos

Las teorıas para la deteccion, aislamiento, y el control tolerante a fallas han sido ampliamente aplicadasen diferentes campos de la ingenierıa [14,15]. En general, las tecnologıas para el monitoreo, diagnostico, ycompensacion de fallas, se emplean en una gran variedad de sistemas crıticos en los cuales una operaciondeficiente o una interrupcion del proceso pueden conducir a perdidas economicas o accidentes en los cua-les se vean involucrados seres humanos. En consecuencia, un rapido y correcto diagnostico de las posiblesfallas facilitara las decisiones en una emergencia, al momento de realizar acciones correctivas o al llevar acabo una reparacion en el sistema. Las diferentes condiciones de falla en un SFV pueden ser establecidasde acuerdo a los elementos que lo conforman. Ejemplos de estos elementos pueden ser los siguientes: lospropios modulos fotovoltaicos (celdas solares), dispositivos para el almacenamiento de energıa (baterıas),convertidores de potencia (CD-CD y CD-CA), seguidores solares (activos y pasivos), controladores de carga,controladores para el seguimiento del punto de maxima potencia, fusibles de proteccion, conectores, sen-sores, entre otros. Sin embargo, diversas investigaciones han demostrado que el inversor es el componentemas vulnerable [16]. Tambien en [17], de acuerdo a un estudio realizado por la Agencia Internacional deEnergıa, se reporto que el 98% de las fallas en 30 SFVs estuvieron relacionadas con la etapa de potencia.Resultados similares fueron obtenidos en el programa aleman “1000 Roofs ”, y en el programa japones“Residential Japan” [18,19]. Ademas, en un estudio realizado en convertidores electronicos de potencia [20],se encontro que cerca del 60% de las fallas en el convertidor se deben a eventos que estan relacionados conlos dispositivos semiconductores, con la soldadura o la tarjeta de circuito impreso. Mientras tanto en [23],los resultados de un cuestionario realizado a industriales en relacion a la confiabilidad de los convertidoreselectronicos de potencia, indico que los componentes mas fragiles son los dispositivos semiconductores y loscapacitores.

En la literatura, se pueden encontrar algunos trabajos relacionados con el diagnostico de fallas en lospaneles solares del SFV [21, 22]. Actualmente, a pesar de que existen una gran cantidad de esquemaspara la deteccion y aislamiento de fallas en convertidores de potencia para diferentes aplicaciones, nose han reportado sistemas para el diagnostico y compensacion de fallas que involucren en conjunto lainterconexion con la red de suministro electrico y el SFV. Como consecuencia, en este trabajo de tesis seaborda la problematica del diagnostico de fallas en el convertidor para el acondicionamiento de potenciadel SFV. De manera particular, se supervisara el estado de los dispositivos semiconductores del convertidorde potencia empleando una estrategia de diagnostico basada en modelos, por lo que los algoritmos dedeteccion y aislamiento se disenaran a partir del modelo matematico del convertidor, el cual sera usadopara sintetizar observadores para la generacion de residuos [24], y una vez evaluados estos residuos, llevara cabo el diagnostico de la falla.

4. Objetivo de la Tesis

El objetivo de esta tesis es llevar a cabo el diagnostico y compensacion de fallas en la etapa de conver-sion de potencia de un SFV, empleando un enfoque basado en modelos. La etapa de diagnostico debe ser

3

insensible a las condiciones de operacion del SFV.

De manera particular, se llevara a cabo la deteccion y aislamiento de fallas (FDI) en los dispositivossemiconductores de potencia, por lo que se plantea el diseno de una herramienta de diagnostico en lınea,la cual sea capaz de proporcionar una respuesta rapida en la estrategia FDI. Ademas, se propondra unalgoritmo para el desarrollo de una estrategia de control tolerante a fallas.

Tambien, se contempla el diseno de un prototipo experimental, el cual debera ser capaz de interconectarsee inyectar potencia a la red de suministro electrico, y de esta manera actuar como un sistema de generacionelectrica.

5. Dimensionamiento del Convertidor de Potencia Seleccionado

Para esta etapa del proyecto, se considera una sola etapa en la conversion de energıa de CD-CA para elacondicionamiento de potencia. Esta etapa, consiste de un inversor PWM monofasico en su configuracion defuente de voltaje (VSI por sus siglas en ingles) [5], el cual, esta interconectado a la red de suministro a travesde un filtro LCL y un transformador de aislamiento. Ademas, para el diseno, se considera que el sistemaoperara con una configuracion en lazo abierto. La topologıa del inversor que se emplea es la configuracionconvencional en puente completo [26], tal y como se muestra en la Fig. 2. A traves de este dispositivo, serealiza el acondicionamiento de potencia de CD-CA, lo cual, se lleva a cabo mediante una adecuada conmu-tacion de los interruptores de potencia, y de esta manera, haciendo variar la ganancia del inversor, se obtieneun voltaje simetrico de salida de CA con magnitud y frecuencia deseadas. La descripcion para el circuitoque se presenta en la Fig. 2 es la siguiente. En primera instancia, se observan las fuentes de CD, las cualesrepresentan el voltaje de CD Vcd proveniente del arreglo FV. Enseguida del puente inversor, se encuentraun filtro L1C, cuya funcion sera reducir las componentes armonicas del voltaje Vpwm del convertidor, paraobtener de esta manera una tension de salida con un valor pico de maVcd y una frecuencia fundamental f1impuesta por la red, dondema es el ındice de modulacion [27]. Despues, se emplea un transformador de bajafrecuencia, el cual, fungira como aislamiento galvanico entre el generador fotovoltaico y la red de suministroelectrico. Finalmente, se puede observar el inductor L2 que servira como enlace entre la red y el convertidor.

Por lo tanto, el esquema que se presenta en la Fig. 2 se emplea para el diseno del inversor monofasicode puente completo y el dimensionamiento de los componentes pasivos. Con el fin de facilitar el analisis quese realiza para llevar a cabo esta tarea, se toman en cuenta las siguientes consideraciones:

i. La fuente de corriente continua Vcd esta libre de rizo y es constante.

ii. Los interruptores de potencia del inversor se suponen como ideales.

iii. Las resistencias parasitas asociadas a los componentes reactivos y conductores se desprecian.

iv. Se considera que la carga es lineal.

v. El transformador es de aislamiento, por lo que la relacion entre las vueltas del primario y secun-dario n1/n2 = 1, y se asume que es ideal, es decir no existen perdidas.

En consecuencia, a partir de las especificaciones anteriores, es que se procede con el dimensionamientode los componentes pasivos que conforman el sistema, de manera concreta, los inductores L1 y L2, y elcapacitor C. Sin embargo, es necesario llevar a cabo un estudio del flujo de potencia del convertidor haciala red de suministro, ya que la transferencia de esta dependera en gran medida de los valores asignadosa los elementos reactivos. Por lo tanto, a continuacion se presenta un analisis del flujo de potencia que setransfiere a la red de suministro electrico. Posteriormente, se dan a conocer las metodologıas que se empleanpara llevar a cabo el dimensionamiento de los inductores L1 y L2, y el capacitor C.

4

Vcd+

- 2

cdV

L1 L2

C

P

Io

n1 : n2S1

S3

S2

S4

+

- 2

cdV

+

-

+

-

Vpwm

+

-

Vg

Fig. 2: Inversor monofasico de puente completo y filtro de salida.

5.1. Analisis del Flujo de Potencia

Como se senalo anteriormente, el flujo de potencia hacia la red dependera de los componentes pasivosque conforman el sistema, ya que como se mostrara mas adelante, el flujo de potencia activa y reactivaestara en funcion del valor de estos elementos y otros parametros. En consecuencia, es necesario llevar acabo un analisis de la potencia que se entrega a la red, que para este caso, es de primordial interes transferirsolamente potencia activa al suministro electrico, por lo que la corriente inyectada a la red debera estar enfase con el voltaje de red y de esta manera, asegurar un factor de potencia unitario [26,29].

L2

+

-

+

-

C

+

-

L1

pwmV aÐ 0gV Ð °

0oI Ð °

sV dÐ

Fig. 3: Diagrama del circuito con el que se realiza el analisis.

La Fig. 3 muestra el circuito que se emplea para el analisis del flujo de potencia, donde las variables detension y corriente se expresan en su representacion fasorial. Del circuito de la Fig. 3 se tienen las siguientesnotaciones: Vpwm denota el valor eficaz (rms) de la tension de salida del inversor y α su angulo de fase; Vs

es el voltaje eficaz en el secundario del transformador y δ su angulo de fase; Io representa la corriente eficazque se inyecta al suministro electrico y Vg es el valor rms del voltaje de red.

Como resultado, el analisis que se presenta a continuacion se realiza en estado estable y considerandola componente fundamental de las variables de tension (Vpwm1, Vs1, y Vg1) y corriente (Io1). Este analisises valido considerando que se puede separar la componente fundamental de las armonicas mediante laaplicacion del principio de superposicion. En consecuencia, el estudio se desarrolla en base a la formafasorial de las variables de tension y corriente, donde el subındice 1 denota la componente fundamental deltermino en cuestion. Siguiendo esta filosofıa, y en base al circuito de la Fig. 3, se calculan las relacionespara la potencia activa y reactiva que se entrega a la red [29], lo que conduce finalmente a las siguientesecuaciones:

P = Vg1Vpwm1

XTXL1XL2

sen(α) (1)

Q = Vg1Vpwm1

XTXL1XL2

cos(α) − XTXL2 − 1XTX

2

L2

V 2

g1, (2)

donde XT = XL1XC+XL2XC−XL1XL2

XL1XL2XC, XL1 = ω1L1 y XL1 = ω1L1 son las reactancias de los inductores L1 y L2,

5

XC = 1

ω1Cla reactancia del capacitor C, ω1 = 2πf1 y f1 la frecuencia fundamental.

De las expresiones (1) y (2), se concluye que se puede regular adecuadamente la transferencia de potenciaactiva y reactiva a partir del control de la tension de salida del convertidor, lo que de manera concretaestablecera un compromiso entre el ındice de modulacion ma y el angulo α seleccionados. El ındice demodulacion jugara un papel importante, ya que a traves de este parametro se podra variar la magnituddel voltaje Vpwm y por ende, se regulara la transferencia de potencia activa hacia la red. Mientras tanto,el angulo α, el cual es resultado del desfasamiento de la tension de salida del inversor con respecto alvoltaje de red, se emplea para regular el flujo de potencia reactiva hacia el suministro electrico. Aunadoa esto, se puede observar que los elementos pasivos tambien seran de importancia en la transferencia depotencia. De manera particular, se deduce que el inductor de enlace L2 delimitara el flujo de corrientedel convertidor hacia la red, y por ende, la transferencia de potencia hacia esta, por lo que se debe ponerespecial atencion en la seleccion de este componente. Ahora, dandose por concluido este analisis, se procedecon el dimensionamiento de los elementos reactivos que conforman el sistema.

5.2. Diseno del Filtro de Armonicos L1C

En esta seccion, se lleva a cabo el dimensionamiento de los componentes L1 y C. En primera instancia, ycon la finalidad de facilitar el analisis, la etapa de aislamiento y de interconexion con la red se representan poruna resistencia equivalente Rv, cuyo valor se determina a partir de la potencia nominal que sera transmitidahacia la red de suministro electrico. En la Fig. 4 se presenta el circuito equivalente considerando comoentrada al voltaje Vpwm del convertidor.

L1

C

Io

Rv Vo

+

-

Vpwm

+

-

Fig. 4: Circuito equivalente del generador fotovoltaico considerando el filtro L1C de armonicos.

Del circuito en la Fig. 4, se obtiene la siguiente funcion de transferencia:

Vo(s)Vpwm(s) =

1

s2CL1 + s L1

Rv+ 1 =H(s) (3)

cuya magnitud en el dominio de la frecuencia estarıa dada por

∣H(jω)∣ = 1√(1 − ω2CL1)2 + (ω L1

Rv)2 . (4)

Como objetivo, se busca una respuesta plana del filtro para un valor de carga especıfico. Partiendo deesta filosofıa, se obtienen los valores para L1 y C mediante las relaciones que se muestran a continuacion.Primero, se considera que la frecuencia de corte del filtro es igual a la frecuencia de resonancia, por lo quese tiene que

ωres = ωc = 1√L1C

(5)

y al sustituir (5) en (4) se llega a que

∣H(jωc)∣ = 1

ωcL1/Rv

= 1√2

(6)

6

asumiendo que a la frecuencia de corte se debe una magnitud de 1/√2. Posteriormente, al emplear (5) y(6), se calculan los valores de C y L1 a partir de las siguientes expresiones:

C = 1

ωc

√2Rv

, L1 =√2Rv

ωc

. (7)

donde ωc = 2πfc y fc es la frecuencia de corte.

Por otra parte, para el control de la conmutacion de los interruptores de potencia se emplea un esquemaPWM sinusoidal (SPWM por sus siglas en ingles) unipolar [27], para el cual, el primer armonico en elespectro de frecuencia de la salida del inversor aparece al doble de la frecuencia de conmutacion (2fsw) [28].En base a esto, la frecuencia de corte del filtro se situa una decada debajo del doble de la frecuencia deconmutacion, y de esta manera, considerando un filtro de segundo orden, tener una atenuacion a -40dB en2fsw. Tomando en cuenta lo expuesto anteriormente, se procede a calcular los valores de L1 y C a partirde los parametros que se muestran en la tabla 1.

Tabla 1: Parametros considerados para el diseno del filtro L1C.Descripcion Valor

Voltaje de Salida Vo 127Vrms

Frecuencia Fundamental f1 60Hz

Potencia Nominal Po 3kW

Frecuencia de Conmutacion fsw 20kHz

Resistencia de Carga Rv 5.38Ω

Ahora, dado que el primer armonico aparece en 40kHz (2fsw), se elige la frecuencia de corte una decadaatras. En consecuencia, la frecuencia de corte fc se establece en 4kHz, obteniendo ası a partir de (7) lossiguientes valores para L1y C: C = 5.23µF, L1 = 302.73µH.

5.3. Dimensionamiento del Inductor de Enlace L2

De acuerdo con [31], el inductor de acoplamiento tiene primordialmente las siguientes funciones: pri-mero, su valor establece un lımite en la transferencia de potencia hacia la red de suministro electrico; porotra parte, funge como filtro para las componentes armonicas de la corriente que es inyectada a la red. Sinembargo, ya que la transferencia de potencia tambien esta en funcion del voltaje Vpwm1 del inversor y enconsecuencia, del ındice de modulacion, se debe establecer una cota superior para el valor del inductor,de manera que se puede transferir la potencia maxima trabajando en la region lineal de modulacion [30].Por lo tanto, es necesario llevar a cabo un analisis para realizar una adecuada seleccion del valor del inductor.

Nuevamente a partir del circuito de la Fig. 3, se deriva la siguiente relacion para Vpwm1:

Vpwm1 = √X2

E(V 2

g1 +X2

L2I2

o1) +XL1I2

o1(XL1 − 2XL2XE). (8)

donde XE = XC−XL1

XC. Por otra parte, se tiene que

Vpwm1 =maVcd√2

0 ≤ma ≤ 1, (9)

donde la region lineal de modulacion se establece a partir del ındice ma. Por lo tanto, al emplear (8) y (9),se obtiene la siguiente relacion para el ındice de modulacion:

ma =√2

Vcd

√X2

E(V 2

g1 +X2

L2I2o1) +XL1I

2

o1(XL1 − 2XL2XE). (10)

7

(a) Region de operacion (b) Potencia Activa

(c) Potencia Reactiva

−150

−100

−50

0

50

100

Mag

nitu

d (d

B)

102

103

104

105

−270

−225

−180

−135

−90

Fas

e (d

eg)

Diagrama de Bode

Frecuencia (Hz)

fres

= 4600 Hz

(d) Respuesta en frecuencia del filtro L1CL2

Fig. 5: Region de operacion del convertidor: (a) ındice de modulacion en funcion del valor del inductor yel rango de operacion, (b) potencia activa considerando la region lineal de operacion, (c) potencia reactivaconsiderando la region lineal de operacion, (d) respuesta en frecuencia del filtro L1CL2.

En consecuencia, a partir de los resultados obtenidos anteriormente, se puede elegir un valor para elinductor L2 a partir del punto de operacion del inversor, y en funcion de la region lineal de modulacion.En la Fig. 5(a), se ilustra la relacion obtenida en (10) para el ındice de modulacion, la cual se mapea enfuncion de diferentes valores del inductor y definiendo un rango de operacion del convertidor. Por lo tanto,con base a lo expuesto anteriormente y considerando el voltaje nominal en el bus de CD (Vcd = 240V ), seelige al inductor de enlace con un valor de L2 = 10mH. Como resultado, en las Figs. 5(b) y 5(c), se muestranlos valores de potencia activa y reactiva que puede entregar el convertidor considerando la region lineal deoperacion. Por ultimo en la Fig. 5(d), se muestra la respuesta en frecuencia del filtro L1CL2 para los valoreselegidos anteriormente. Como se puede apreciar, la frecuencia de resonancia se ubica en fres = 4.6kHz. Paralas frecuencias superiores a fres, el filtro presenta una atenuacion de -60dB, por lo que los armonicos quepresentara la corriente de salida seran atenuados de manera considerable.

8

5.4. Calculo de la Moduladora

Como se menciono anteriormente, la transferencia de potencia activa y reactiva se regula a partirdel control de la tension de salida del convertidor, lo que implicara calcular correctamente el ındice demodulacion ma y el angulo de desfasamiento α de la senal moduladora. Para llevar a cabo esta tarea, seemplean las relaciones obtenidas para la potencia activa y reactiva en (1) y (2):

P = Vg1Vpwm1

XTXL1XL2

sen(α)Q = Vg1Vpwm1

XTXL1XL2

cos(α) − XTXL2 − 1XTX

2

L2

V 2

g1,

donde al considerar como objetivo que Q = 0 y empleando (2), se llega a la siguiente relacion para el angulode desfasamiento α de la senal moduladora:

α = cos−1 [ XL1Vg1

XL2Vpwm1

(XTXL2 − 1)] . (11)

Ahora, recordando que

Vpwm1 =maVcd√2,

y ademas, con base a las ecuaciones (1) y (11), se obtiene finalmente la expresion para ma:

ma =¿ÁÁÁÀ2X2

TX2

L1X2

L2P 2o

V 2

g1V2

cd

+ 2X2

L1V 2

g1

X2

L2V2

cd

(XTXL2 − 1). (12)

donde Po es el valor de referencia para transferencia de potencia activa a la red. Por lo tanto, a partir de lasecuaciones (11) y (12), es posible calcular de manera analıtica el angulo α y el ındice de modulacion ma.

6. Resultados de Simulacion

Con el fin de validar las ideas propuestas en este etapa de trabajo, se lleva a cabo la evaluacion ensimulacion del SFV. Para el experimento, se considera un escenario en el que se tiene como objetivosolamente inyectar potencia activa a la red, donde la referencia se establece en Po = 3kW . Para la validaciondel sistema, se utilizo el software de simulacion PSIM. Los parametros que se emplean para llevar a cabola simulacion del escenario propuesto, se muestran en la tabla 2.

Tabla 2: Parametros considerados para la validacion del sistema en simulacion.

Parametro Vg f1 L1 C L2 Vcd ma α fsw

Valor 127Vrms 60Hz 302.73µH 5.23µF 10mH 240V 0.9230 35.86 20kHz

Los resultados se muestran en las Figs. 6 y 7. En la Fig. 6, se presentan las mediciones para la potenciaactiva y reactiva que se obtuvieron durante el experimento, donde se puede observar que el valor de lapotencia activa se establece en 3kW , y el valor de la potencia reactiva permanece en 0. Tambien en la Fig.6, se ilustran las formas de onda del voltaje de red Vg y la corriente de salida Io que es inyectada a la red desuministro electrico, donde se visualiza que ambas senales estan en fase. Finalmente en la Fig. 7, se muestrael voltaje de salida Vpwm del inversor empleando un esquema SPWM de tres niveles (unipolar). De igualmanera en la Fig. 7, se aprecian las senales moduladoras sinusoidales vmod1 y vmod2, y la senal portadora dealta frecuencia vtri, las cuales fueron empleadas para generar los patrones de conmutacion para el encendidoy apagado de los interruptores.

9

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.40

1000

2000

3000

4000

5000

tiempo (s.)

Mag

nitu

d

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4−200−150−100−50

050

100150200

tiempo (s.)

Mag

nitu

d

Potencia Activa (W)Potencia Reactiva (VAR)

Vg (V)

Io (A)

Fig. 6: Resultados de simulacion para el primer escenario: (arriba) potencia activa y reactiva, (abajo) voltajede red y corriente de salida.

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3−400

−200

0

200

400

tiempo (s.)

Vol

taje

Vpw

m (

V)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3−2

−1

0

1

2

tiempo (s.)

Mag

nitu

d (V

)

Vtri

Vmod1

Vmod2

Fig. 7: Resultados de simulacion para el primer escenario: (arriba) voltaje de salida del inversor, (abajo)senales portadora y moduladora.

10

7. Conclusiones

En esta etapa de trabajo, se llevo a cabo el diseno de un inversor PWM monofasico de puente completopara aplicacion en sistemas fotovoltaicos. Al emplear un esquema de modulacion unipolar, se observo quelos primeros armonicos en el espectro de frecuencia de la salida del inversor aparecen aproximadamente en2fsw, lo que ayudo principalmente en reducir el tamano de las componentes L1C del filtro. Mientras tanto,al llevar a cabo el analisis del flujo de potencia del convertidor a la red, se concluyo que se puede regular latransferencia de potencia activa y reactiva a partir del control de la tension de salida del convertidor, lo quede manera concreta establecio un compromiso entre el ındice de modulacion ma y el angulo α a seleccionar.Por otro lado, el estudio para el dimensionamiento del inductor de enlace L2, arrojo como resultado quese debe tener cuidado al momento de elegir el valor de este elemento, ya que se debe transferir la potenciamaxima trabajando en la region lineal de operacion del inversor de potencia. Finalmente, se presentaronresultados en simulacion para llevar a cabo la validacion de las ideas propuestas en este periodo, obteniendoresultados satisfactorios del trabajo realizado.

8. Cronograma de Actividades

2012 2013

ActividadMes

Ago. Sept. Oct. Nov. Dic. Ene. Feb. Mzo.

Revision bibliograficaSeleccion de la conFig.cion del SFVEstudio de las topologıas en convertidores de potenciapara SFVSeleccion, analisis y modelado del convertidor a utilizarSeleccion y analisis del algoritmo MPPTSimulacion del modulo fotovoltaico y del convertidorGeneracion de mediciones ante condiciones de fallaPropuesta de la estrategia de diagnosticoValidacion en simulacion de la estrategia de diagnosticoRedaccion de un artıculo para congreso internacional

Referencias

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