SOLUCIONES EN EL REPARTO DE POTENCIA DE … · El correcto funcionamiento del sistema híbrido controlado. ... i s R L d. Soluciones en el Reparto de Potencia de Sistemas Híbridos

SOLUCIONES EN EL REPARTO DE POTENCIA DE

SISTEMAS HÍBRIDOS BASADOS EN

PILA DE COMBUSTIBLE:

CONTROL EN TENSIÓN Y CONTROL EN

CORRIENTE MEDIANTE CONVERTIDORES DC/DC

VIII Simposio de Ingeniería de Control

Aplicaciones del Control Automático en el Sector Energético

Almería, 27 de Abril de 2010

Dr. José Manuel Andújar Márquez

Dra. Francisca Segura Manzano

Universidad de Huelva

(2)

Soluciones en el Reparto de Potencia de Sistemas

Híbridos Basados en Pila de Combustible:

Control en Tensión y Control en Corriente

mediante Convertidores DC/DC

Fundamentación:

• F. Segura, J. M. Andújar, “Analog current control techniques for power control in PEM fuel cell hybrid

systems: a critical review and a practical application”, IEEE Transactions on Industrial Electronics,

aceptado.

• J. M. Andújar, F. Segura, M. J. Vasallo, “A Suitable Model Plant for Control of the Set Fuel Cell-DC/DC

Converter”, Renewable Energy, vol. 33(4) pp. 813-826, 2008.

• F. Segura, Tesis Doctoral “Prototipo experiemental de sistema híbrido basado en pila de combustible:

diseño, modelado, implementación y testeo” (Premio Extraordinario de Docotrado), Universidad de

Huelva, 2009.

• Proyecto DPI2007-62336, “Sistema híbrido generador de energía eléctrica autónomo, continuo y no

contaminante”, 2007-2010.

• J. M. Andújar, F. Segura, E. Durán, “Optimal Interface based on Power Electronics in Distributed

Generation Systems for Fuel Cells”, Renewable Energy, en revisión.

(3)





I. Introducción

II. Control en Tensión

III. Control en Corriente

IV. Resultados Experimentales

V. Conclusiones

(4)

I. Introducción




V. Conclusiones





I. INTRODUCCIÓN II. Control en Tensión III. Control en Corriente IV. Resultados V. Conclusiones

Soluciones en el Reparto de Potencia de

Sistemas Híbridos Basados en Pila de Combustible:

Control en Tensión y Control en Corriente mediante Convertidores DC/DC

(5)

Los niveles de tensión y corriente establecidos en los puntos de

interconexión eléctrica son alcanzados con etapas de acondicionamiento de

potencia controladas por PWM.

Bus DC

Pila

combustibleConvertidor

DC/DC

Banco

Baterías

Carga

H2CargaConvertidor

DC/DC

Convertidor

DC/DC CargaConvertidor

DC/AC

Esquema General de Sistema Híbrido basado en Pila de Combustible





(6)

Consideracione previas:

Implementación de controladores

locales necesarios para afrontar la

posterior planificación del reparto

de potencia.

La programación de la

contribución energética de cada

fuente en el sistema híbrido no es

el objetivo de este trabajo.

BOP del módulo de pila de

combustible es regulado.

Bus DC

Pila


DC/DC

Banco

Baterías

Carga

H2CargaConvertidor

DC/DC

Convertidor


DC/AC





(7)

Los resultados experimentales mostrarán:

La decisión de aplicar control en

tensión o control en corriente

depende del tipo de aplicación.

El correcto funcionamiento del

sistema híbrido controlado.

Una forma de resolver el problema

de saturación de la pila de

combustible.

Se proponen dos soluciones para el control

de energía.

Bus DC

Pila


DC/DC

Banco

Baterías

Carga

H2CargaConvertidor

DC/DC

Convertidor


DC/AC

(8)

I. Introducción




V. Conclusiones








I. Introducción II. CONTROL EN TENSIÓN III. Control en Corriente IV. Resultados V. Conclusiones

(9)

El lazo de control en tensión en el sistema basado en pila de

combustible, es necesario cuando la pila de combustible se conecta

directamente a una carga de tensión regulada, sin la ayuda de otras

fuentes de potencia auxiliares.

El lazo de realimentación ajusta el ciclo de servicio en respuesta a los

cambios en la tensión a la salida.

+

-Convertidor

DC/DC

Controlador

Tensión vref

+ -

d

RL

+

vo

-

vi

vo





(10)

Bus DC

Pila


DC/DC

Banco

Baterías

Carga

H2CargaConvertidor

DC/DC

Convertidor


DC/AC





(11)

Bus DC

Pila


DC/DC

Banco

Baterías

Carga

H2CargaConvertidor

DC/DC

Convertidor


DC/AC

Bus DC

Pila

combustibleConvertirdor

DC/DC

Banco

Baterías

Carga

H2

CargaConvertirdor

DC/DC





(12)

Bus DC

Pila


DC/DC

Banco

Baterías

Carga

H2CargaConvertidor

DC/DC

Convertidor


DC/AC

Bus DC

Pila


DC/DC

Banco

Baterías

Carga

H2

CargaConvertirdor

DC/DC

El módulo Nexa de Ballard suministra 1.2 kW de potencia no regulada. La

tensión de salida varía en el rango de 43 V- 26 V.

Debido a que el módulo de pila de combustible opera en un rango de tensión no

regulada inferior a la tensión establecida en el bus DC, el convertidor elevador

Boost, permite conectar la pila de combustible al bus DC.





(13)

Bus DC

Pila


DC/DC

Banco

Baterías

Carga

H2CargaConvertidor

DC/DC

Convertidor


DC/AC

Bus DC

Pila


DC/DC

Banco

Baterías

Carga

H2

CargaConvertirdor

DC/DC

El banco de baterías garantiza diferentes perfiles de carga. Se

conectan cuatro baterías en serie, modelo GF12094Y, 12 V, 94 Ah, de

Exide.

El banco de cargas se ha construido en base a varios grupos de

cargas resistivas. La selección de cada grupo de cargas se realiza

mediantes relés de estado sólido controlados desde un PC.

El módulo Nexa de Ballard suministra 1.2 kW de potencia no regulada. The


Debido a que el módulo de pila de combustible opera en un rango de tensión no

regulada inferior a la tensión establecida en el bus DC, el convertidor elevador

Boost, permite conectar la pila de combustible al bus DC.





(14)

Bus DC

Pila


DC/DC

Banco

Baterías

Carga

H2CargaConvertidor

DC/DC

Convertidor


DC/AC

Bus DC

Pila


DC/DC

Banco

Baterías

Carga

H2

CargaConvertirdor

DC/DC

El banco de baterías garantiza diferentes perfiles de carga. Se

conectan cuatro baterías en serie, modelo GF12094Y, 12 V, 94 Ah, de

Exide.

El banco de cargas se ha construido en base a varios grupos de

cargas resistivas. La selección de cada grupo de cargas se realiza

mediantes relés de estado sólido controlados desde un PC.

El módulo Nexa de Ballard suministra 1.2 kW de potencia no regulada. The


Debido a que el módulo de pila de combustible opera en un rango de tensión

no regulada inferior a la tensión establecida en el bus DC, el convertidor

elevador Boost, permite conectar la pila de combustible al bus DC.

Para convertir la tensión regulada

de 48 V en el bus, a niveles

superiores o inferiores, se

necesita otra etapa de

acondicionamiento. En este caso,

una carga de 12 V se conecta al

bus DC mediante un convertidor

Sepic.





(15)

C2

POT1

VDD

IN

NC

GND

VDD

OUT

OUT

GND

-I1

+I1

+I2

-I2

COMP

DTC

CT

RT

VCC

VREF

OUTC

C1

E1

C2

E2

GND

(+15V)

TL494TC4452

R1

C3

PO

T2

R2 R3

R4

L

C

D

S

Pila PEM

Convertidor Boost

d

vref

VBattery

Bus DC 48V

RL

VPWM

Lazo de Control en Tensión

vo

voB

+

-Q

QGRB

CLR

D

+

-Convertidor

DC/DC

vref

Ciclo servicio (d)

RL

+

vo

-

vi

vo

+

-

Controlador

Tensión

Amplificador

de error

Comparador

PWM

Flip-Flop

generador pulso

El sistema de control en

tensión se implementa

mediante el circuito de

regulación por PWM TL494.

(16)

I. Introducción




V. Conclusiones








I. Introducción II. Control en tensión III. CONTROL EN CORRIENTE IV. Resultados V. Conclusiones

(17)

El control en modo corriente contiene dos lazos: un lazo interno de control en

corriente y otro externo de control en tensión.

En el caso del sistema híbrido de pila de combustible implementado, no es

necesario regular la tensión a la salida del convertidor porque está garantizada por

el banco de baterías. El problema a resolver consiste en ajustar el ciclo de servicio d

en función del error entre la corriente sensada is y la corriente de control a seguir ic.

vi

+

vo

-

+

-

Convertidor

DC/DC

Controlador

Corriente

Programada

vref + -

ic

vo

Compensador

is

RL

d





(18)

Las técnicas de control en corriente se pueden agrupan en dos categorías:

Control a frecuencia constante:

Control de corriente de pico

Control de corriente de valle

Control de corriente media

Control por conductancia

Control a frecuencia variable:

Control por histéresis

Control de tiempo de conducción constante

Control de tiempo de no conducción constante





(19)

Control a frecuencia constante Control de corriente de pico y de valle

vi

L

C

D

S

RL

+

vo

-

+

-

R Q

S

Zi

+

-

-

+

Zf

Vref

vic

vis

Reloj

Controlador

de Corriente

programada

Acondicionamiento

señal

is

icCompensación

Ts 2Ts

is

iL0 iL2

iL1

m1

m1

m2

m2

ic

dTs

d Ts

Forma de onda

en régimen

permanente

Forma de

onda

perturbada

t





(20)

Control a frecuencia constante Control de corriente media

vi

L

C

D

SRL

+

vo

-

+

-

Comparador

+

Z1

Z2

- PWM+

-

Vs

Ts

Acondicionamiento

señal

is

vis

vic

A

Vref





(21)

Control a frecuencia constante Control por conductancia

vi

L

C RL

+

vo

-

+

-

Kvs

vic

Rs

A1A2C

Vref

ve

is

S

vx

D

vis





(22)

Control a frecuencia variable Control por deslizamiento-

+

VDD

vS -

+

R2

POT

VCC

VCC

Superficie de DeslizamientoComparador Histéresis

+

vi

-

vi

vPWM

VH

VCC

R1

R3

R4

R5

vis

vPWMvic

vi

L

C

D

SRL

+

vo

-

+

-

Comparador

Acondicionamiento

señal

is

Vref





(23)

Control a frecuencia variable Control por tiempo de conducción (no conducción) constante

Toff Toff Toff

Señal rampa

Señal control

Señal PWM

Señal PWM Toff constante

Reloj

0 Ts 2Ts 3Tst

vi

L

C

D

S

RL

+

vo

-

+

-

+

-

vic

VPWMR Q

S

Acondicionamiento

Señal

is

vis

iL

Multibrivador

Monostable





(24)

Conclusión de la revisión Elección del método de control de corriente a emplear

Técnica de Control Ventajas Desventajas

Corriente de pico y de

valle

Fácil implementación

Balanceo

Inestabilidad

Sensibilidad al ruido

Error entre corriente de pico

y corriente media

Corriente media Fácil implementación

Estabilidad

Insensibilidad al ruido

Precisión

Flexibilidad

Limitaciones en la ganancia

del lazo de control

Conductancia Insensibilidad al ruido Implementación compleja

Restriciones en las ganancias

del lazo de control

Control por deslizamiento Velocidad Condición de estabilidad

Oscilaciones

Tiempo conducción y no

conducción constante

Fácil implementación

EstabilidadSensibilidad al ruido





(25)

+

-

Q

QGRB

CLR

D

+

-Convertidor

DC/DC

vic

Ciclo servicio (d)

RL

+

vo

-

vi

vis

+

-

Controlador

corriente

Amplificador

de error

Comparador

PWM

Flip-Flop

generador pulso

Acondicionamiento

señal

iS

C2

POT1

VDD

IN

NC

GND

VDD

OUT

OUT

GND

-I1

+I1

+I2

-I2

COMP

DTC

CT

RT

VCC

VREF

OUTC

C1

E1

C2

E2

GND

(+15V)

TL494TC4452

R1

C3

PO

T2

R2

R3

R4

L

C

D

S

Pila PEM

Cnvertidor Boost

d

vic

VBatería

Bus DC 48V

RL

VPWM

is

Lazo de control de Corriente

vis

R4

Con el objetivo de poder modificar la

consiga a seguir, la señal de

referencia (vic), suministrada por el

terminal VREF se conecta a la

entrada +I1 a través de una

resistencia variable.

(26)





I. Introducción




V. Conclusiones




I. Introducción II. Control en tensión III. Control en corriente IV. RESULTADOS V. Conclusiones

(27)

Los resultados experimentales mostrarán

el comportamiento del prototipo

construido y la forma de controlar la

tensión en el bus DC cuando la pila de

combustible está conectada a la carga

mediante el convertidor DC/DC. Además,

mediante el control en corriente,

podemos decidir qué fracción de

potencia suministra la pila de

combustible dentro de su rango de

funcionamiento.

Módulo Nexa

Convertidor Boost

Circuito protección Nexa

Sensor corriente

Controlador Tensión/Corriente





(28)

Resultados experimentales cuando se aplica el control en tensión

Control de tensión en el convertidor Boost

Bus DC

Pila


DC/DC

Banco

Baterías

Carga

H2

CargaConvertirdor

DC/DC





(29)

Resultados experimentales cando se aplica el control en tensión

Vi = 48 V

L1

C2

D

S

R

+

Vo

-

C1

L2 = 12 V

Bus DC

Pila


DC/DC

Banco

Baterías

Carga

H2

CargaConvertirdor

DC/DC

Control de tensión en el convertidor Sepic





(30)

Bus DC

Pila


DC/DC

Banco

Baterías

Carga

H2

CargaConvertirdor

DC/DC

Resultados experimentales cando se aplica el control en corriente

El controlador mantiene la corriente

suministrada por la pila de combustible





(31)


Bus DC

Pila


DC/DC

Banco

Baterías

Carga

H2

CargaConvertirdor

DC/DC

El controlador cambia el valor de referencia

Se muestra una forma práctica de resolver el

problema de saturación de la pila de combustible





(32)


Bus DC

Pila


DC/DC

Banco

Baterías

Carga

H2

CargaConvertirdor

DC/DC

El controlador fija la corriente de la pila de combustible

El banco de baterías fija la tensión del bus a 48V





(33)


Bus DC

Pila


DC/DC

Banco

Baterías

Carga

H2

CargaConvertirdor

DC/DC

El controlador fija la corriente de la pila de combustible El banco de baterías suministra la diferencia de corriente

(34)





I. Introducción




V. Conclusiones




I. Introducción II. Control en tensión III. Control en corriente IV. Resultados V. CONCLUSIONES

(35)

Importancia del control en tensión y en corriente junto con la electrónica de

potencia en sistemas basados en pilas de combustible.

La necesidad de implementar un control en tensión o en corriente depende

de la topología del sistema:

Cargas de tensión constante alimentadas por la pila de combustible.

Sistema híbrido (pila de combustible + batería) donde el controlador

decide cuánta potencia suministra la pila de combustible y el bus DC

es garantizado por el banco de baterías.

Posibilidad de chequeo del sistema en diferentes puntos de interconexión

donde se han establecido restricciones de tensión y corriente.

Gracias por su atención

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SISTEMAS HÍBRIDOS BASADOS EN

PILA DE COMBUSTIBLE:

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