EMPLEADAS EN SISTEMAS DE GENERACIÓN CON PILAS DE
COMBUSTIBLE
Las estrategias de control presentes en este tipo de sistemas, suele incluir dos niveles de operación bien diferenciados. Uno de ellos es el control de los convertidores de potencia, el cual incluye algunas medidas de protección contra sobrecargas y asegura funcionamientos propios en los convertidores como seguimiento o regulación de las señales de control. El otro nivel jerárquico consiste en un control central que se encarga en realizar la gestión energética, con la cual suelen generarse señales de referencia para cada uno de los convertidores de acuerdo a comportamiento establecidos en el sistema y se consideran elementos tales como potencias generadas por la pila de combustible, estados de carga del SAAE, perfiles de carga, entre otras variables.
En diversas aplicaciones, se cuenta con un único control centralizado, que se encarga no solamente de controlar y monitorear el estado de los convertidores, sino de regular la cantidad de combustible empleado por la pila (generalmente supervisando el perfil de carga), de tal forma que ésta no entre en un estado de OST que deteriore por completo el sistema. A continuación se mencionarán algunas estrategias de control encontradas en la literatura, tanto a nivel de los convertidores de potencia como del gestor de energía o controlador de nivel superior que se incluye en estos sistemas.
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1.4.1 Estrategias de control para convertidores de potencia
En los convertidores de potencia es normal encontrar técnicas de control de corriente y voltaje, que pueden clasificarse de la siguiente manera:
• Controladores lineales tipo PID: Se pueden destacar los aportes de [25], donde se ajustan controladores PID para la regulación de la corriente generada por la pila y las tensiones en el bus de carga y el SAAE. Marei et al., [96] utiliza un controlador de corriente tipo PI para un convertidor Boost que será empleado en un vehículo de 10 kW. El trabajo de [49] utiliza tres controladores PI digitales, los cuales con activados de acuerdo a una máquina de estados, que monitorea la corriente generada por la pila de combustible, la tensión y la corriente del SAAE y activa uno de los controladores en cuestión. Otros aportes que emplean controladores PID pueden encontrarse en [26, 36, 37, 43-45, 54, 65, 70, 73, 120]
• Controladores lineales robustos o diseñados mediante Loopshapping: En este caso, se emplean técnicas que permiten modelar el sistema implementado con incertidumbres, tanto en el modelado como en la selección de los dispositivos, como lo realizan en [125]; o en su defecto, realizan un diseño en base a la respuesta en frecuencia que asegure la controlabilidad del sistema ante diversos cambios de carga o tensiones del mismo. Varios ejemplos pueden encontrarse en [41, 42, 46, 71, 126-128]
• Controladores no lineales: Para los convertidores de potencia, en ocasiones suelen incluirse técnicas de control no lineal, debido a que los modelos empleados para los controladores lineales suele emplear modelos promediados [90] de acuerdo a la estrategia de conmutación, para lo cual variaciones de parámetros como la carga o las tensiones de alimentación cambiarían por completo el modelo del circuito y por lo tanto, la estrategia de control no siempre es satisfactoria. La estrategia de control no lineal mayormente empleada en convertidores de potencia es el control en modos deslizantes. Algunos trabajos relacionados con la temática puede observarse en [129-132].
Las estrategias de control de los convertidores de potencia se buscan que sean simples de implementar debido a que es necesario, en muchas veces, reproducir los diseños de los convertidores para obtener convertidores de múltiples niveles [46, 52, 133, 134]. Además, los controladores de corriente o tensión de los convertidores suelen ser más rápidos que los gestores de energía y por ese motivo, es necesario, en ocasiones, utilizar una tarjeta de control análogo o digital completamente independiente del procesador central. De esta manera, se reduce la carga computacional del procesador y se obtiene un diseño completamente modular, facilitando las labores de calibración y ajuste del sistema completo.
28 1.4.2 Estrategias de gestión de energía
En este tipo de estrategias, se suelen emplear desde técnicas de control completamente formales como técnicas de control heurísticas que traducen las necesidades del sistema en particular.
Por ejemplo, Kim et al [54] emplea un concepto de bandas de energía, para determinar el funcionamiento del sistema ante los cambios del perfil de carga. Los autores pueden hacer que el SAAE sea cargado o descargado, de acuerdo a los cambios en carga y las condiciones de arranque del sistema. Jiang et al [45] modifica la estrategia de control de la corriente entregada por la pila de combustible, de tal forma que se supla la carga requerida y se recargue el SAAE de acuerdo a la tensión y corriente generadas.
No obstante, también suelen emplearse técnicas que suelen considerar restricciones dinámicas y operativas, que permiten controlar satisfactoriamente tanto la pila de combustible como los convertidores de potencia. Se pueden encontrar propuestas con redes neuronales [135], control predictivo [20], algoritmos genéticos [11, 136], algoritmos de decisión de acuerdo al punto de operación y que consideran las no linealidades del proceso [8, 30], seguimiento de un máximo punto de potencia generada por la pila de combustible [24], entre otras posibles estrategias que pueden optimizar el desempeño del sistema completo considerando aspectos de seguridad y desempeño de la unidad de generación, los convertidores y los sistemas de almacenamiento auxiliar.
1.4.3 Comentarios finales sobre el Estado del Arte de estrategias de control en sistemas de generación basados en pilas de combustible
Las estrategias de control que se emplean en sistemas de pilas de combustible pueden discriminarse en dos niveles: un nivel inferior, donde se controlan las variables como tensión y corriente de los convertidores de potencia y uno o varios controladores de nivel superior, generalmente gestores de energía, cuyos objetivos de control se centran en mantener valores de estado de carga de los SAAE, combustible consumido por la pila, modos de operación de los convertidores de acuerdo a los perfiles de carga, entre otros posibles objetivos de control.
En la literatura comentada pueden encontrarse varios casos donde se aplican combinación de técnicas de control lineal, no lineal, óptimo, robusto, redes neuronales, entre otras en los niveles mencionados de la topología de interconexión, que procuran mantener el sistema en puntos de operación segura y bajo las exigencias de control acordadas.
En este ámbito, el abanico de opciones para controlar el sistema depende de los objetivos trazados y las restricciones del sistema y el diseño de estrategias de control para este tipo de sistemas aún son de alto interés en la comunidad científica.
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