Simulación de un sistema híbrido eólico fotovoltaico

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electróenergética. TRABAJO DE DIPLOMA Simulación de un Sistema Híbrido Eólico Fotovoltaico Autor: Yankiel Monteagudo Lopez E-mail: [email protected] Tutor: Dr. Eneldo López Monteagudo Jf. Dpto. de Electroenergética. Facultad de Ing. Eléctrica. UCLV. E-mail: [email protected] M.Sc. Alain Amador León Prof. Dpto. de Electroenergética Facultad de Ing Eléctrica. UCLV. E –mail: [email protected] Santa Clara 2008 "Año 50 de la Revolución".

(2) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería Eléctrica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicado sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(3) TAREA TÉCNICA Realizar la simulación de un sistema híbrido eólico-fotovoltaico con diferentes topologías de convertidores mediante el programa Matlab y comparar las ondas de salida de los mismos en cuanto a contenido de armónicos.. ___________________ Firma del Autor. __________________ Firma del Tutor.

(4) El auténtico conocimiento es conocer la extensión de la propia ignorancia. Kun Fu Tse. Confucio. Solo hay un bien, el conocimiento; solo hay un mal, la ignorancia. Sócrates.

(5) D ed ica toria D eseo en p rim er lu ga r d ed ica rles este trab a jo a m is p a d res qu e ta n to h a n h ech o p or m í form ación y los cu a les a u n qu e n o están ju n to a m í se en cu en tra n en m i cora z ón . A m i a b u elo B ien v en id o qu e a u n qu e ya n o se en cu en tra físicam en te, n u n ca d u d ó qu e su gigan te ton to ib a a ser a lgu ien en la v id a . A m is a b u ela s N id ia , E u seb ia y L ila p o r a g u an ta rm e y qu ererm e. A u n a p erson a qu e a u n qu e n o se en cu en tra con m igo siem p re m e ayu d o m u ch o y tod av ía sigu e m u y p en d ien te d e m í y a la cu a l qu iero m u ch o. A D ios qu e siem p re gu ía m is p a sos, m e en señ a y está p resen te en los m om en tos d e alegría s y tristez a s. A m is p rim as, prim os y tías qu e ta n to m e sop ortaron cu an d o ch iqu illo y qu e a ú n lo con tin ú a n h acien d o..

(6) Agradecimientos Agradecer a todos los familiares que siempre han estado conmigo y me han ayudado. A mi tío Rafa por siempre estar pendiente de mí y ser mi segundo papá. A mis amigos y compañeros de aula que han estado junto conmigo apoyándome y mortificándome. A los profesores que me han enseñado para poder llegar hasta aquí. Agradecer especialmente a la profesora Lesyani por ayudarme a culminar este trabajo. Agradecer por último a todos los que de una forma u otra han tenido que ver en mi vida formación y culminación de este trabajo.

(7) Resumen En este trabajo se presenta una revisión bibliográfica de la tecnología existente en sistemas eólicos, fotovoltaicos e híbridos, combinando los dos mencionados anteriormente, haciendo especial énfasis en los convertidores utilizados en los mismos. En este estudio se analizan diferentes topologías existentes, prestando principal interés a los convertidores multiniveles, fundamentalmente en las topologías tipo puente de dos y tres niveles, así como en las estrategias de conmutación que se utilizan en la actualidad en este tipo de inversores. De este modo se evalúa la influencia de los armónicos presentes en la onda de salida en estos convertidores, los cuales constituyen esquemas muy atractivos para la obtención de ondas de voltajes que se acercan a la forma sinusoidal de manera relevante. Estos elementos se exponen mediante la simulación en MATLAB del sistema híbrido, con la utilización de un convertidor back-to-back que tiene como inversores un multinivel de dos niveles en una primera variante y luego uno de tres niveles, para posteriormente comparar los resultados de los mismos..

(8) Índice Resumen Introducción Capítulo1 Introducción a los sistemas híbridos. 1.2 Principales componentes de un sistema de generación eólica 1.2.1 Tipos de palas 1.2.2 Tipos de generadores 1.2.3 Tipos de convertidores utilizados en aerogeneradores 1.2 Energía fotovoltaica 1.3 Principales componentes de un sistema fotovoltaico 1.3.1 Subsistema Fotovoltaico 1.3.2 Subsistema de almacenamiento 1.3.3 Subsistema de regulación 1.3.4 Subsistema de conversión 1.4 Generación híbrido (eólico-fotovoltaica) 1.4.1. Componentes básicos de un sistema híbrido eólico-fotovoltaico 1.4.2. Requerimientos de un sistema híbrido eólico-fotovoltaico. Capítulo 2 Introducción a los inversores multinivel 2.1 Introducción a los convertidores multinivel 2.2 Topologías de convertidores multinivel 2.2.1 Convertidor Diode –Clamped 2.2.2 Convertidor con capacidades flotantes (Flying-Capacitor Converter) 2.2.3 Inversor puente completo o tipo H 2.2.4 Convertidor con conexión cascada de puentes H o Cascada Full-Bridge Converter 2.3 Estrategias de conmutación de inversores multiniveles 2.3.1 Modulación en escalera 2.3.2 Cancelación selectiva de armónicos 2.3.3 Modulación PWM senoidal 2.3.4. Modulación vectorial (SVM). Capítulo 3: Simulación de un sistema híbrido eólicofotovoltaico 3.1 Entorno de simulación 3.2 Descripción de los bloques que componen el sistema híbrido 3.3 Resultados de las simulaciones del sistema híbrido con inversores multinivel de dos y tres niveles. 3.4 Comparación de las simulaciones realizadas con los inversores de dos y tres niveles. Conclusiones Bibliografía. 1 3 3 4 4 9 18 19 20 21 21 22 26 27 28 29 29 30 30 34 36 37 39 40 41 42 43 45 45 46 49 55 56 58.

(9) Introducción Al realizar un análisis de la panorámica del estado actual de la utilización de la energía a escala global, vemos que existe una gran dependencia de las fuentes tradicionales, en las que la vanguardia recae sobre las grandes plantas generadoras, con graves impactos ambientales, además de que los costos de producción de energía se han incrementado con el aumento de los precios del petróleo, combustible principal en casi la mayoría de las plantas generadoras, agregándose además que son fuentes no renovables de energía. Esta situación ha traído consigo que se busquen nuevas alternativas para la generación de electricidad es por ello que han aparecido a escala mundial diferentes tipos de fuentes de energía renovable como son la mareomotriz, la biomasa, la eólica y la fotovoltaica. Dentro de estas la eólica y la fotovoltaica han ido obteniendo gran interés, las cuales se han ido desarrollando paulatinamente y pasando de unos pocos kW al orden de MW de potencia, siendo la eólica la más desarrollada, aunque la fotovoltaica a obtenido un gran avance desarrollándose instalaciones cada vez más eficientes, siendo de gran interés los dispositivos encargados de la conversión para elevar la eficiencia de las mismas. Dentro de esta modalidad de la energía renovable ha aparecido una nueva tendencia (la generación híbrido) en la cual se unen dos o más fuentes de energía garantizando así un mejor aprovechamiento de las mismas y unas de las variantes que más se esta utilizando en el mundo es la que combina la energía eólica y la fotovoltaica. Una parte fundamental de todos estos sistemas de obtención de energía, son los convertidores encargados de transformar la energía que reciben en corriente directa (CD) o en corriente alterna (CA) para garantizar de esta forma que la energía llegada a los consumidores sea de la mayor calidad posible (voltaje y frecuencia constante) y que en esta transformación se produzca con la mayor eficiencia posible. El objetivo general del presente trabajo es realizar un estudio sobre los inversores multinivel como parte integrante en un sistema de generación híbrido eólico fotovoltaico. Los objetivos específicos son:. 1. Realizar un estudio del estado del arte sobre los convertidores que se utilizan en la actualidad en los sistemas híbridos. 2. Estudiar diferentes configuraciones de inversores multinivel para seleccionar la topología más idónea 3. Estudiar las estrategias de conmutación que se utilizan en la actualidad en este tipo de inversores para seleccionar la más recomendable..

(10) 4. Simular el sistema de generación híbrido utilizando un convertidor convencional y un inversor multinivel para analizar el contenido de armónicos que aparecen en sus señales de salida. E trabajo se encuentra estructurado de tal manera que: Capítulo 1 se realiza un estudio de la tecnología existente en materia de generación. eólica y fotovoltaica y posteriormente en la híbrido eólico-. fotovoltaica, haciendo especial énfasis en los convertidores que se utilizan en los mismos. Capítulo 2 se realiza una revisión bibliográfica de las diferentes topologías de inversores multiniveles existentes, así como de las diferentes estrategias de conmutación que se utilizan en estos. Capítulo 3 se simula utilizando la herramienta del Matlab Simulink un sistema híbrido eólico-fotovoltaico con dos tipos de inversores multiniveles, uno convencional y otro de tres niveles, para posteriormente realizar una comparación de su forma de onda en cuanto a contenido de armónicos..

(11) Capítulo1 Introducción a los sistemas híbridos. En este capítulo se presentan los aspectos fundamentales que constituyen un sistema de generación eólico y un sistema de generación fotovoltaico, así como las tendencias actuales en la utilización de sistemas híbridos eólicofotovoltaico. 1.1 Principales componentes de un sistema de generación eólica. El sistema de generación eólica. utiliza la energía del viento como fuente. primaria, los mismos están equipados fundamentalmente por aspas las cuales se encargan, cuando reciben la fuerza del viento, de poner en movimiento el generador. Se pude encontrar desde generadores de corriente directa siendo estos los más antiguos, hasta máquinas asincrónicas tanto jaulas de ardillas como de rotor bobinado, maquinas sincrónicas y hasta un nuevo diseño de máquinas asincrónicas que se esta imponiendo actualmente en el mercado: el motor de doble alimentación. Un ejemplo de ello es un diseño de aerogenerador impulsado por la firma Repower Systems llamado MM92 de 2MW de potencia. Luego del generador esta energía pasa al convertidor para ser rectificada y convertida a corriente directa si es un sistema autónomo (no esta conectado a la red) o lograr que la forma de onda sea lo mas parecida a una sinusoide cuando el sistema está conectado a la red, en esta parte los más usados actualmente en el mundo son los convertidores dobles, aunque se están imponiendo en el mercado los convertidores multiniveles. Los sistemas de generación eólica, como cualquier otro sistema de generación, también poseen protecciones y reguladores para proteger a la parte más importante de la misma (el generador), dentro de ellos los mas usados son el regulador por paso fijo y variación del área de captación, paso fijo y entrega en pérdida aerodinámica o "stall" y el paso variable o "pitch regulation". 1.1.1 Tipos de palas Unas de las primeras partes de los aerogeneradores según [1] son las aspas las cuales como se menciona anteriormente son las encargadas de entregarle energía mecánica al generador. Ellas se pueden clasificar en: •. Multipala. •. Tripala.

(12) •. Bipala. •. Monopala. Esta variedad viene dada por la búsqueda de diseños que proporcionen una alta velocidad, aumentando la misma a medida que disminuye el número de palas ya que estos son más ligeros, por lo que poseen una menor inercia y por ende hace falta una menor fuerza para moverlas, a la ves que la disminución de el número de palas hace que estas sean mas baratas. Pero esto también tiene sus inconvenientes según [2] ya que por la alta velocidad que puede desarrollar el eje del rotor con un diseño monopala o bipala se producen grandes esfuerzos dinámicos del mismo, por lo que habría que buscar protecciones contra esto encareciendo la maquina. Es por ello que se llega a un compromiso entre esto y se escoge un termino medio siendo el diseño tripala el más usado. 1.1.2 Tipos de generadores Otra de las partes que componen un aerogenerador y una de las más importantes es el generador encargado de convertir la energía mecánica que recibe en eléctrica. De estos han aparecido en el mercado a través de los tiempos diferentes tipos, desde los de corriente directa que son los más antiguos y ya menos usados, hasta los más modernos y usados los que se presentarán a continuación: Actualmente se presentan en los parques eólicos las siguientes tecnologías las cueles se dividen según [3] en: •. Generadores asincrónicos. Jaula de ardilla Doblemente alimentado •. Generador sincrónico. Síncronos Síncronos, excitación con imanes permanentes (flujo radial) Jaula de ardilla: Dicho generador tiene unas características de robustez y simplicidad aparte de un precio más bajo que los otros diseños, pero carece de regulación de.

(13) frecuencia y de tensión e introduce en la red las variaciones de potencia de viento. Su comportamiento ante huecos de tensión produce una inestabilidad de aceleración del generador, y una vez despejada la falta, al absorber reactivo, produce una bajada de tensión que no ayuda a la recuperación de la misma en la red. Su uso, por lo tanto se circunscribiría a potencias pequeñas y medianas (turbinas de 10-250 KW, potencia máxima del parque de unos MW) en redes de tensiones inferiores. La figura 1.1 muestra este tipo de generador.. Figura 1.1 Sistema eólico con generación Jaula de Ardilla.. Doblemente alimentado Se trata pues de un ingenioso diseño que se puede apreciar en la figura 1.2. Según [3] este diseño intenta acercar el generador asíncrono a su homólogo síncrono, permitiendo un importante control de potencia reactiva, aunque no alcanza al control desarrollado por el síncrono. Este generador es más caro que el anterior ya que se trata de un equipo generador-convertidor más sofisticado con rotor devanado y anillos resonantes a lo que hay que añadir la electrónica de potencia. El diseño antes mencionado posee velocidad variable con un rango de variación de 1400-1750 rpm. Además consta con un convertidor back- to –back controlado por IGBT, permitiendo controlar las dos corrientes del convertidor, la del rectificador (lado del generador) y la otra la del inversor(lado de la red) permitiendo una mejor regulación de voltaje y frecuencia, regulando el primero mediante el inversor controlando la corriente Iq y con ello la potencia reactiva y el segundo de los parámetros actuando sobre la parte del lado del generador, es decir, el rectificador, lo cual permite variar la potencia activa o que es lo mismo la potencia de salida del generador..

(14) Una de las desventajas de este ingenioso diseño son las pérdidas asociadas al sistema de control antes mencionado, que se diseña para un 30% de la potencia nominal de la máquina, obteniendo por tanto peores rendimientos.. Figura 1.2. Generador eólico doblemente alimentado (a) utilizando resistencias y (b) un convertidor de frecuencia conectado al rotor.. Síncronos Este generador es más caro que los dos tipos anteriores ya que posee un número elevado de polos tanto por el diseño mismo del generador, como por la electrónica de potencia el cual posee un convertidor de la misma potencia del generador [3]. A la salida del generador, el cual suministra corriente alterna de frecuencia variable siguiendo las variaciones de velocidad del viento, se acopla un convertidor electrónico formado por un rectificador y un inversor unidos por un enlace en CC. La salida del inversor se hace a la frecuencia de la red. Toda la potencia captada por la turbina pasa por el convertidor que tiene que estar diseñado para soportar la potencia nominal de la misma como se muestra en la figura 1.3, reafirmándose que este diseño es más caro que los anteriores a la.

(15) ves que aumentan las pérdidas producto al aumento de la potencia que pasa por el convertidor. El generador síncrono de excitación usual pueden regular frecuencia con menos problemas, actuando sobre la parte del convertidor del lado de las turbinas, sin embargo como es lógico, para subir frecuencia, el generador debe estar funcionando a una potencia inferior a la nominal o tener un parque con una potencia instalada mayor que la autorizada para el total del parque. En ambos casos, como ya hemos explicado, el parque no produce a su máxima potencia, no siendo rentable. La regulación de tensión es así mismo posible actuando sobre la parte del inversor. Si se quiere un amplio rango de regulación de tensión, se debe sobredimensionar el inversor. El control de reactivo por parte de esta máquina es el mejor de los estudiados, se puede actuar además tocando su excitación. Se regulará dicho parámetro según convenga, beneficiándose de las bonificaciones actuales por la producción de un factor de potencia determinado. Además este generador posee un mejor comportamiento frente a transitorios y una mayor flexibilidad que los tipos anteriores.. Figura 1.3 Aerogenerador multipolar modelo TWT1500.. Síncrono con imanes permanentes.

(16) Es una máquina muy cara sobre todo debido a los materiales del rotor, los imanes permanentes, construidos con materiales que provienen de aleaciones de elementos, que encarecen mucho la construcción de estas máquinas. Por otra parte este diseño tiene características análogas al modelo anterior, aunque con este no se puede regular reactivo por la excitación ya que la misma es fija, impuesta por los imanes permanentes, teniendo como contraparte que se ahorran las pérdidas por la excitación[3]. Los convertidores encargados de rectificar y mejorar la calidad de la onda de corriente para entregarla lo más sinusoidal posible al sistema, como se muestra en la figura 1.4, también han experimentado un gran avance ya que la electrónica de potencia anda a pasos agigantados permitiendo a su ves disminuir el costo de los kW generados en los aerogeneradores, haciendo esta tecnología mucho mas viable y eficiente.. Figura 1.4 Aerogenerador multipolar de imanes permanentes.. 1.1.3 Tipos de convertidores utilizados en aerogeneradores A continuación se describen los principales circuitos de potencia que han sido o son utilizados en los aerogeneradores, así como otros que potencialmente podrían serlo. Arranque suave Para evitar problemas en el arranque de los generadores directamente conectados a la red se utiliza una conexión en antiparalelo de tiristores en serie con cada fase. La tensión se incrementa aumentando gradualmente el ángulo de disparo de los tiristores (figura 1.5). Un ejemplo de esta aplicación es el aerogenerador MADE AE61 de 1.3 MW..

(17) Figura 1.5 Tiristores en antiparalelo para arranque suave.. Rectificador de diodos En la figura 1.6 se muestra un rectificador clásico de diodos. Solo opera en un cuadrante, como rectificador, y no es controlable. La tensión de salida viene dada por [4]: VDC = 3. 2. π. V LL. (1.1). Donde VDC es la tensión de salida del convertidor y VLL es la tensión entre fases de la red trifásica.. Figura 1.6 Rectificador no controlado de diodos.. La corriente de salida tiene un alto contenido armónico. Se aplica en algunas configuraciones con bus DC y en aerogeneradores de poca potencia. En aerogeneradores sincrónicos y asíncronos de jaula de ardilla se ha utilizado conectado al estator de la máquina para rectificar las corrientes y cargar el bus DC. Por ejemplo MADE Tecnologías lo utiliza en su aerogenerador AE-90 de 2 MW conectado al estator de un generador sincrónico de 4 polos. También se ha utilizado en aerogeneradores con generador asíncrono doblemente alimentado, conectado al rotor de la máquina operando como un accionamiento Krammer. En este caso la máquina sola puede operar en supersincronismo, ya que este convertidor solo permite el flujo de potencia en un sentido. Se ha aplicado en aerogeneradores con generador asíncrono doblemente alimentado, y en aerogeneradores con generador de jaula de ardilla y sincrónico..

(18) Rectificador trifásico controlado por fase La configuración es igual a la anterior, pero los diodos son sustituidos por tiristores (figura 1.7), de manera que se puede controlar la tensión de salida, que es: VDC = 3. 2. π. VLL cos α. (1.2). donde α es el ángulo de disparo de los tiristores.. Figura 1.7 Rectificador controlado por fase.. En el caso de que el bus DC tenga componente inductiva, este convertidor puede operar como rectificador e inversor. En aerogeneradores se ha utilizado principalmente como inversor conectado a la red. De cualquier manera, la corriente inyectada a la red tiene un alto contenido armónico y requiere de grandes filtros. También se ha utilizado conectado al rotor de la máquina asíncrona doblemente alimentada, modificando el sistema Krammer en un sistema Scherbius,. para. poder. trabajar. en. subsincronismo. además. de. en. supersincronismo. Cicloconvertidor El cicloconvertidor es un convertidor capaz de generar una tensión alterna trifásica controlada a partir de una red trifásica. Tal y como se muestra en la figura 1.8, utiliza 2 rectificadores controlados en antiparalelo por cada fase. El disparo de los convertidores en cada fase es controlado para obtener una tensión alterna de baja frecuencia en la salida. Para evitar grandes distorsiones armónicas, la máxima frecuencia que se puede obtener es aproximadamente un tercio de la frecuencia de la tensión de entrada, es decir, unos 20 Hz, de manera que este convertidor solo resulta práctico en aplicaciones que.

(19) requieran pequeñas variaciones de velocidad como el generador asíncrono doblemente alimentado.. Figura 1.8 Cicloconvertidor. En total se necesitan 36 tiristores para realizar la conversión de una fuente trifásica a una carga trifásica. Esto se podría mejorar sustituyendo los tiristores por IGBTs y aumentando la frecuencia de conmutación, pero hoy en día esta topología solo es viable en aplicaciones de muy alta potencia. Puente trifásico bidireccional Es el convertidor fundamental en aplicaciones eólicas y a partir de él se obtienen la mayoría de configuraciones utilizadas hoy en día. Puede operar como rectificador o como inversor en función del control aplicado a los IGBTs (figura1.9). Se han de utilizar diodos en antiparalelo con los IGBTs para permitir el paso de la corriente en ambos sentidos. En función del tipo de bus DC y del control utilizado, puede operar como fuente de corriente o fuente de tensión. Mediante técnicas PWM o de control vectorial, se obtienen formas de onda de corriente sinusoidales, de manera que se reducen las necesidades de filtrado..

(20) Figura 1.9 Puente trifásico bidireccional.. Una particularidad de este convertidor es que solo es controlable si la tensión del bus DC es mayor que la tensión de alterna, ya que si no, los diodos entrarían en conducción y se perdería el control del circuito. Convertidor multinivel En 1981 se introdujo el primer convertidor multinivel [5], con una topología denominada “de fijación de nivel por diodos” que se muestra en la figura 1.10. A partir de este trabajo se han desarrollado múltiples topologías. La principal característica de estos convertidores es que proporcionan a la salida un número de niveles de tensión arbitrario en lugar de los dos niveles proporcionados por el puente trifásico clásico. Esto permite reconstruir la onda de tensión de salida con mayor calidad y los semiconductores deben soportar niveles inferiores de tensión, con lo cual se pueden aplicar en generadores de mayor tensión que los actuales. La utilización de convertidores multinivel permite aumentar el rendimiento de un aerogenerador en todo el rango de potencias, pero especialmente cuando este genera poca potencia, aumentando considerablemente la energía producida. La utilización de convertidores multinivel permite aumentar la tensión de los generadores, reduciendo las corrientes y, por lo tanto, las pérdidas..

(21) Figura 1.10 Convertidor Multinivel de fijación por diodos.. Hasta la fecha solo han encontrado aplicación industrial a gran escala los convertidores de tres niveles y la topología más utilizada es la de fijación por diodos. Existen aplicaciones de hasta 10 MVA con GTOs de 6 kV y 6 kA utilizadas en accionamientos de trenes de laminación. Esta tecnología es muy adecuada para aerogeneradores de muy alta potencia. El problema principal es la complejidad del control y el mayor número de semiconductores a utilizar. Otro problema que presentan estos convertidores es el equilibrado de las tensiones de los condensadores entre los diferentes niveles. A pesar de ello, las ventajas de las topologías multinivel hacen que ya se estén utilizando en aerogeneradores de gran potencia. Convertidor Back-to-Back Esta configuración se obtiene mediante la conexión a través de un bus DC de dos puentes trifásicos [10] (figura 1.11). La tensión del bus DC debe ser mayor que la tensión de red ya que el inversor funciona como elevador. El convertidor conectado a la red mantiene la tensión del bus DC mientras que el convertidor conectado al generador se encarga de controlar su velocidad para extraer la máxima potencia. Es el convertidor utilizado por prácticamente todos los fabricantes de turbinas de velocidad variable, tanto con generadores asincrónicos de jaula de ardilla y doblemente alimentados como con.

(22) generadores sincrónicos. Una propiedad importante del convertidor back-toback es que permite operar en cuatro cuadrantes, es decir, la potencia activa puede fluir en ambos sentidos en cualquier instante.. Figura 1.11 Convertidor Back-to-Back.. Los dos puentes trifásicos bidireccionales pueden ser sustituidos por convertidores multinivel. Esta familia de convertidores tiene una topología de fijación por diodos de 3 niveles y utiliza IGBTs como conmutadores. Este es el convertidor de potencia más avanzado utilizado en aerogeneradores comerciales. Su principal ventaja radica en la utilización de puentes trifásicos estándar. Multitud de fabricantes suministran este tipo de convertidores de forma modular, con las ventajas que esto acarrea [6]. Algunos autores mencionan la presencia del condensador como un inconveniente por su gran tamaño y peso y la reducción de vida del sistema. Convertidor Tandem Este convertidor es bastante reciente y solo se ha aplicado en trabajos experimentales. La idea se refleja en la figura 1.12. Un convertidor back-toback de tiristores gestiona la potencia del generador operando a baja frecuencia para minimizar las pérdidas y otro bidireccional actúa de filtro activo para compensar los armónicos..

(23) Figura 1.12 Convertidor Tandem. Debido a la baja frecuencia de operación del convertidor principal y las bajas corrientes del filtro activo, las pérdidas se reducen en este convertidor frente a otros utilizados en aplicaciones similares, por lo cual puede resultar muy interesante en sistemas con generadores sincrónicos, donde toda la potencia es transmitida por el convertidor. La principal desventaja radica en el alto número de semiconductores, censores necesarios y la complejidad añadida al control. Convertidor Matricial Esta. solución. utiliza. solo. componentes. semiconductores,. sin. ningún. componente reactivo, tal y como se puede apreciar en la figura 1.13. Conmutando los interruptores en una secuencia apropiada se puede obtener cualquier nivel de tensión, corriente y frecuencia en la salida del convertidor. Al no utilizar elementos reactivos, especialmente condensadores, permite aumentar el tiempo de vida del sistema. Este convertidor teóricamente podría sustituir a cualquier convertidor back-to-back, en cualquier aerogenerador, tanto sincrónico como asincrónico..

(24) Figura 1.13 Convertidor Matricial.. Las principales dificultades en aplicar este convertidor son la necesidad de utilizar interruptores bidireccionales y la dificultad de implementación de las protecciones necesarias. Es una tecnología que hoy en día no se ha desarrollado completamente para su aplicación industrial. Este tipo de convertidor tiene serias dificultades para ser aplicado en aerogeneradores de gran potencia, debido a la falta de elementos de almacenamiento, ya que cualquier falta de la red se transmite directamente al generador, y este es el principal problema que debe resolver la industria eólica actualmente. Convertidor resonante Con el objetivo de minimizar las pérdidas por conmutación se han propuesto varias topologías resonantes [7]. La idea radica en hacer conmutar al semiconductor cuando su tensión o su corriente es nula, suprimiendo (en el caso ideal) las pérdidas por conmutación. El convertidor resonante NCC (Neutral Clamped Converter, figura 1.14.a) no requiere una estructura hardware compleja, no tiene grandes picos de tensión en el bus DC y la potencia que circula por el mismo no es alta, de manera que es el único de los convertidores resonantes que es aconsejable utilizar en aplicaciones eólicas. Se trata de un convertidor back-to-back con un circuito resonante en el bus DC que permite realizar conmutaciones sin pérdidas. Varios trabajos muestran la utilización de convertidores resonantes para la optimización del rendimiento en la operación a velocidad variable de un motor asincrónico doblemente alimentado. La figura 1.14 b muestra otro convertidor resonante utilizado en aerogeneradores con generador asincrónico doblemente alimentado..

(25) Figura 1.14 Convertidor resonante a) NCC, b) Convertidor de Weigand.. 1.2 Energía fotovoltaica Una célula solar fotovoltaica está constituida generalmente por un disco monocristalino de silicio, de tal manera que una de las superficies sea de tipo n y el substrato de tipo p. De esta manera la unión p-n es paralela a la superficie iluminada de la célula. Sobre ambas caras de la célula se sitúan dos capas metálicas para que el semiconductor pueda tomar contactos eléctricos. Una de las dos capas metálicas debe tener forma de rejilla para que la luz pueda penetrar en el semiconductor. La luz entra por la cara donde se produjo la difusión. La corriente fotovoltaica generada sale por el contacto p, atraviesa la carga y vuelve a entrar por el contacto n. Las células solares son frágiles y generan poca energía, por tanto se precisa agruparlas para producir suficiente energía y proporcionar robustez. La unión de varias células solares da lugar al módulo fotovoltaico. Como es evidente este sistema solo funciona cuando se encuentra presente la luz solar, es por ello que se conectan unas baterías para que el sistema pueda funcionar aun cuando no se encuentra la luz presente..

(26) Un principal inconveniente que presenta este tipo de energía alternativa como también se le denomina es el alto coste de inversión inicial, pero el mismo ha ido bajando considerablemente al ir empleándose y desarrollándose nuevas técnicas modelos tanto en los materiales de construcción como en la parte electrónica del mismo lo cual conlleva a aumentar su rendimiento y a abaratar el mismo. Ejemplo de ello es que la producción de energía eléctrica hace 10 años por esta vía era 18 veces más cara que la producida por centrales de carbón mientras que ya en el 1997 era solo de 6 veces la diferencia entre una y otra según se dice en [8]. 1.3 Principales componentes de un sistema fotovoltaico:. El sistema fotovoltaico comprende alguno o todos los subsistemas siguientes según [8]: El subsistema fotovoltaico compuesto por la configuración serie-paralelo de módulos o celdas solares y sus protecciones. El subsistema de almacenamiento compuesto por la configuración serieparalelo de acumuladores o baterías. El subsistema de regulación de carga de los acumuladores, consistente en los circuitos electrónicos necesarios para procurar la carga correcta de los acumuladores e incluyendo las protecciones de sobrecarga y de descarga excesiva de los mismos. El subsistema de conversión consistente en los equipos electrónicos que convierten continua en continua entre dos valores de tensión, o continua en alterna para proporcionar al usuario una línea de 220 V eficaces. El subsistema de monitorización y registro consistente en los equipos de medida y registro necesarios para el seguimiento del funcionamiento del conjunto. En la figura 1.15 aparecen estos subsistemas interconectados.. Figura 1.15 Sistema Fotovoltaico..

(27) 1.3.1 Subsistema Fotovoltaico. Para simplificar el manejo, los fabricantes de celdas solares las entregan eléctricamente conectadas y encapsuladas en lo que se conoce como módulo fotovoltaico, o paneles solares. Estos son los bloques constituyentes del generador fotovoltaico. El módulo fotovoltaico debería proveer un voltaje y corriente adecuada para la aplicación que se utilice. El encapsulamiento protege las celdas contra las hostilidades del medioambiente, aislándolas eléctricamente y proporcionando resistencia mecánica. Siendo la celda fotovoltaica su principal componente. Celda Fotovoltaica. Una celda solar es un dispositivo que convierte la energía de la luz del sol en energía eléctrica en forma directa, sin la necesidad de piezas móviles o algún tipo de combustión. El efecto fotovoltaico, es decir, convertir la luz solar en electricidad se produce en materiales conocidos como semiconductores, los cuales son materiales cuya conductividad puede ser modificada, y además generar una corriente eléctrica con cargas negativas, positivas o ambas, siendo estos los elementos más importantes de la celda fotovoltaica y clasificándose los mismos de acuerdo a su composición física en cristal simple, policristalinos y amorfos. Hoy en día 25% a un 30% de las celdas solares son fabricadas con materiales policristalinos, son menos costosas de construir, por unidad de área, que las celdas solares de cristal simple; sin embargo tienen una menor eficiencia y a menudo una mayor sensibilidad a los cambios en las condiciones ambientales, por lo que en general son utilizados con concentradores ópticos de luz solar. Siendo las celdas de silicio las más producidas industrialmente y actualmente se hacen esfuerzos por conseguir silicio multicristalino con el que se pudieran producir celdas solares de rendimientos suficientemente altos [8]. 1.3.2 Subsistema de almacenamiento El subsistema de almacenamiento se compone de una batería de acumuladores electroquímicos. En aquellas aplicaciones de tipo residencial que necesitan capacidades de acumulación mayores, los acumuladores más utilizados son los de plomo-ácido. Estos acumuladores tienen una presencia.

(28) muy dilatada en el mercado. Básicamente se trata de dos electrodos sumergidos en un electrolito que es una solución de ácido sulfúrico. Siendo la capacidad de la batería factor para tener en cuenta tanto para la elección del tamaño del panel fotovoltaico influyendo así en el costo del sistema. 1.3.3 Subsistema de regulación El subsistema electrónico de regulación de carga está compuesto por aquellos elementos que permiten conocer cuál es el estado de carga de la batería de los acumuladores poniendo en marcha eventualmente una protección de sobrecarga de la misma. La detección del estado se hace mediante la medida de la tensión de la batería y la comparación de la misma respecto a una referencia. La acción de protección de la batería puede consistir en ofrecer un camino alternativo a la corriente del subsistema fotovoltaico de forma que no siga cargando la batería, o bien en implementar una interrupción del circuito de carga mediante la desconexión de los módulos fotovoltaicos.. Existen varios reguladores de carga entre lo que se encuentran los paralelos y los interruptores con histéresis o series [8]. El primero se usan en generadores de menos de 10A ya que el mismo no es muy eficiente debido a que posee un diodo de bloqueo para evitar que la batería se descargue si ocurre un fallo en el transistor pero esto a su vez, provoca pérdidas de energía en el transistor y disminución de corriente de carga. El segundo método es más usado en generadores fotovoltaicos grandes, el mismo puede ser electromecánico (relees y contactores magnéticos) o de dispositivos electrónicos (transistores bipolares y MOSFET) y se limita a la desconexión del generador solar del sistema de acumulación es decir interrumpe los circuitos entre los paneles y la batería según [9], evitando así que se sobrecarguen las misma. No siendo esta la única función del regulador ya que también es el encargado de desconectar las baterías del sistema de suministro evitando que se descarguen completamente y que se dañen.. 1.3.4 Subsistema de conversión Se trata de un dispositivo, cuya finalidad es la de adaptar las propiedades de la corriente eléctrica generada o acumulada a las de la corriente eléctrica requerida total o parcialmente por los consumos según se explica en [9]. Y se pueden hacer unas distinciones muy básicas: • Existen determinadas aplicaciones fotovoltaicas aisladas de la red eléctrica en las que se necesita un convertidor CC/CC. Un ejemplo: pueden existir consumos que precisen 12 Vcc en instalaciones que generan y acumulan a 24 V ó 48 Vcc. Y para resolver esta situación, el convertidor CC/CC adapta la energía disponible (a 24 V ó 48 V), a la exigida por la carga (a12V)..

(29) • En instalaciones autónomas, y en las utilidades que demandan de equipos y/o consumos de corriente alterna es necesaria la presencia dentro del sistema fotovoltaico de un convertidor CC/CA. Es decir, un convertidor que proporcione CA a partir del sistema de acumulación que es de CC. • Muchos de los fabricantes actuales tienen un modelo de convertidor que se denomina reversible. Es decir, no solamente extraen energía de la batería (CC/CA) como en el anterior apartado, también son capaces de inyectar energía a la batería para proceder a su carga (CA/CC). Se llaman entonces convertidores/cargadores o convertidores reversibles. En algunas ocasiones son una pieza fundamental en la instalación fotovoltaica no conectada a la red ya que proporcionan un número de combinaciones superior la normal. • En los generadores fotovoltaicos conectados a la red eléctrica, el convertidor de conexión a red es el corazón del sistema, siendo su función de una importancia extraordinaria. Es parecido a un convertidor CC/CA pero con prestaciones diferentes, como por ejemplo, la corriente alterna que proporciona se encuentra sincronizada con la existente en la red en ese momento. Las instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red tienen un futuro prometedor. Convertidores de CD-CD La conexión directa entre el generador fotovoltaico y la carga lleva a un punto de trabajo que la intersección de las características I.-V de cada uno. En general este punto no coincide con el punto de potencia máxima del generador, y las correspondientes pérdidas son llamadas pérdidas de operación.. Para evitar estas perdidas, se pueden usar convertidores DC-DC, o rastreadores de punto de potencia máxima. El caso de un generador fotovoltaico conectado a una pequeña carga resistiva, R, nos da un ejemplo de cómo funcionan estos convertidores. La figura 1.16 muestra los diferentes puntos de trabajo para conexión directa y conexión vía convertidor DC-DC..

(30) Figura 1.16 Puntos de trabajo. Convertidor autónomo de CD-CA Este convertidor se utiliza en instalaciones que se encuentran alejadas del suministro eléctrico y se conecta a las baterías de la instalación. Debe incorporar un circuito de arranque automático que detecte cuándo se conecta un consumidor. Mientras se encuentre en estado de espera y no esté alimentando ninguna carga, el convertidor consume muy poca energía. Se activa cuando detecta algún consumo por encima de un valor prefijado y una vez finalizada la demanda de energía el convertidor se detiene quedando de nuevo en espera. La potencia del convertidor y el tiempo que esté funcionando deben estar en concordancia con la capacidad nominal del acumulador. Generalmente en las baterías ácidas cuanto más corto es el tiempo de descarga, más pequeña es la cantidad de energía disponible. Por ello se debe elegir un sistema de acumulación de acuerdo al convertidor y viceversa.. Otra característica que se debe tener en cuenta para la selección del convertidor es el tipo de carga que se va a instalar las cuales se clasifican en resistivas e inductivas, las primeras no consumen alta corriente al inicio es decir su consumo es prácticamente constante, mientras que las cargas inductivas presentan un alto consumo de energía al inicio debido al arranque, mientras que posteriormente disminuye. En le mercado existen diversos tipos de convertidores autónomos entre los que se encuentran [9]: •. Convertidores de onda cuadrada, especialmente indicados para cargas resistivas. Son los más baratos..

(31) •. Convertidores de onda sinusoidal, indicados para cualquier aparato eléctrico, suministran una corriente alterna de gran calidad. Son los más caros.. •. Convertidores de onda cuadrada modificada o sinusoidal modificada. Se encuentran entre los dos anteriores, tanto en calidad de la onda suministrada como en precio.. •. Convertidor de CA-CD conectado a la red.. Convertidores en instalaciones fotovoltaicas conectadas al sistema eléctrico. El convertidor. conectado a red es el encargado de proporcionar corriente. alterna sinusoidal a partir de la energía entregada por los paneles fotovoltaicos. La corriente que. entrega el convertidor se encuentra sincronizada con la. existente en la red de abastecimiento. Es decir, a partir de la energía solar captada por las células fotovoltaicas, este convertidor proporciona una energía eléctrica ajustada a los requerimientos exigidos por la corriente alterna de la red. Los requerimientos de la señal eléctrica generada son, tensión, parpadeo, frecuencia y distorsión armónica.. En estos sistemas fotovoltaicos los convertidores deben ser seleccionados, no de igual capacidad nominal del generador sino un 15-20% inferior que el mismo ya que el generador fotovoltaico nunca alcanza su capacidad nominal y además la potencia nominal de los convertidores es la de salida por lo que el mismo tendría que demandar una potencia mayor que la que posee el panel ya que en el proceso de conversión de la energía suministrada por el panel al convertidor siempre ocurren perdidas. Estos convertidores tienen que convertir la corriente directa suministrada por el generador en corriente alterna, para ello dividen a través de dispositivos semiconductores la onda cuadrada en muchas ondas cuadradas simulando una onda lo más sinusoidal posible llamándose este método PWM. Los convertidores usados en estos esquemas son los mismos que se utilizan en los aerogeneradores con la diferencia que aquí no se utiliza control vectorial y que estos tienen que tener una alta eficiencia ya que la energía que se.

(32) genera con este sistema tiene un costo muy alto por lo que es de suma importancia disminuir sus pérdidas. 1.4 Generación híbrido (eólico-fotovoltaica) Los sistemas híbridos son aquellos que complementan la generación de electricidad a partir de dos o mas fuentes de energía, como por ejemplo eólicofotovoltaico, en este caso la energía que se produce se origina a partir de la energía cinética del viento y la solar, la implementación de estos sistemas de generación a. partir de energías renovables, produce numerosas ventajas. según [10]. 1) Adaptación a la climatología con mejor aprovechamiento de la energía que en los sistemas simples. 2) Entregan un nivel de energía más constante a lo largo del año. 3) Requieren menor cantidad de almacenamiento para alimentar la misma carga. 4) Ambas energías, solar y eólica, tienen la ventaja de complementarse entre sí. La radiación solar suministra energía los días despejados (por lo general días con poco viento), mientras que los días fríos y ventosos (generalmente nublados) es el viento el que proporciona la energía suficiente para hacer funcionar el aerogenerador.. 1.4.1. Componentes básicos de un sistema híbrido eólico-fotovoltaico: •. Generador solar fotovoltaico, compuesto de un número de módulos solares. interconectados. serie/paralelo. (dependiendo. del. voltaje. necesario), incluyendo elementos de la conexión y de protección (los diodos puente y de bloqueo).. Este elemento entrega la parte de. energía eléctrica convertida desde la energía solar. •. Generador Eólico, provee la parte de la energía eléctrica necesaria convirtiendo la energía mecánica del viento..

(33) •. Unidad. del. almacenaje. (baterías. de. acumulación).. Se. utilizan. generalmente baterías de Pb, pero también Ni-Cd o Ni-Fe. Hay que hacer notar que las baterías Ni-Cd serán eliminadas por la Directiva de la Unión Europea de Residuos Peligrosos. •. Unidad para el condicionamiento de la energía. Éste puede ser un convertidor de D.C./D.C. (para las cargas de C.C.) e inversores (para las cargas de A.C.).. Figura 1.17 Diagrama de bloques de una instalación híbrida eólico-fotovoltaica. 1.4.2. Requerimientos de un sistema híbrido eólico-fotovoltaico. •. Los parámetros eléctricos de la entrada deben ser compatibles con los parámetros eléctricos de la salida, considerando especialmente:. •. La amplia gama de la variación de los parámetros de salida eléctricos debido a la variación de intensidad solar de la radiación o de la velocidad del viento. •. La reducida gama de variación de las baterías en sus procesos de carga – descarga. Los parámetros eléctricos deben de ser controlados por medio de un regulador..

(34) •. Compatibilidad del regulador de carga en los varios modos de funcionamiento. de. conectando. interfaces. elementos de C.C. y para los de A.C.).. adecuados. (para. los.

(35) Capítulo 2 Introducción a los inversores multinivel Los convertidores multiniveles se han consolidado en los últimos años como una opción competitiva para la conversión de energía en el rango de media según se explica en la bibliografía [11] y alta potencia, tanto desde el punto de vista técnico como económico 2.1 Introducción a los convertidores multinivel La forma más general de entender los convertidores CC/CA multinivel consiste en considerarlos como sintetizadores de tensión. La tensión alterna de salida, de valor más pequeño, accionando apropiadamente los interruptores del convertidor. Esta es la diferencia básica entre un convertidor CC/CA convencional, donde la tensión continua de entrada presenta un único nivel. Esta característica le ofrece algunas ventajas. •. La disposición de la tensión de continua de entrada en múltiples niveles permite aumentar varias veces la tensión. de trabajo del convertidor. empleando los mismos interruptores que un convertidor convencional según se expresa en [12] •. Permite aumentar la potencia del convertidor sin necesidad de incrementar la corriente, conteniendo las pérdidas en conducción y de esta forma mejorando el rendimiento del convertidor.. •. La frecuencia de conmutación del convertidor puede ser mayor que la frecuencia de conmutación de los interruptores[13]. •. La tensión de salida obtenida presenta un contenido de armónico inferior a la obtenida con un inversor convencional [12].. •. La forma escalonada de la tensión de salida limita los transitorios de tensión, que son causa de problemas, especialmente en bobinados de motores.. •. La respuesta dinámica del convertidor es más rápida, por tener más niveles de tensión de salida y emplear filtros de menor tamaño.. A pesar de sus ventajas estos convertidores no están exentos de desventajas, ellas son:.

(36) •. Se emplea un número de interruptores elevado, por tanto la complejidad del control se incrementa significativamente lo cual aumenta con el incremento de los niveles.. •. Es necesario disponer de diferentes niveles de tensión continua de entrada, que pueden obtenerse mediante varias fuentes de continua o bien mediante capacitores. Utilizando esta variante se simplifica notablemente en el circuito de en el lado de continua, pero es indispensable mantener constantes el valor de las tensiones de los capacitores en cualquier estado de carga del convertidor.. 2.2 Topologías de convertidores multinivel A continuación se presentarán las topologías multinivel más usadas así como las ventajas e inconvenientes que presentan. En la actualidad la investigación y desarrollo de los convertidores multiniveles se centra en las topologías que se mencionan a continuación [11].. •. Convertidor con fijación por diodos (Diode –Clamped Converter). •. Convertidor con capacidades flotantes (Flying-Capacitor Converter). •. Convertidor medio puente. •. Convertidor puente completo o tipo H. •. Convertidor conexión en cascada de puentes monofasicos(Cascada Full-Bridge Converter). 2.2.1 Convertidor Diode –Clamped La figura 2.1 muestra un convertidor Diode-Clamped de tres niveles. Este es el convertidor presentado en 1980, también conocido como Neutral- PointClamped Converter (NPC) [14], y que puede considerarse como el origen de la conversión multinivel reciente. Este convertidor ha sido, hasta el momento, el más estudiado y aplicado del conjunto de los convertidores multinivel en la actualidad, con un peso significativo..

(37) Figura 2.1 Convertidor trifásico Diode-Clamped de tres niveles. En este circuito, la tensión del bus de continua Vpn se divide mediante dos capacitores, donde el punto medio “o” suele definirse también, como el punto neutro del bus de continua. La tensión de salida para cada fase puede tomar tres niveles: Vpn/2, 0 y –Vpn/2.. La tabla 2.1 muestra, a modo de ejemplo, el accionamiento adecuado de los interruptores para obtener los tres niveles de tensión a la salida del convertidor. En cada rama se encuentran dos pares complementarios, definiendo como tal, aquel par de interruptores que, estando uno cerrado, obliga al otro a estar abierto. Para éste convertidor, son pares complementarios S1-S11 y S22-S2.. Interruptores Conectados. Tensión Vao. {S1 - S22}. Vpn/2. {S2 - S11}. 0. {S11 - S2}. -Vpn. Tabla 2.1 Interruptores a conmutar para obtener los tres niveles de tensión de salida en el convertidor Diodo –Clamped..

(38) En la figura 2.2 se puede apreciar como se obtienen los diferentes niveles de voltaje de salida con el accionamiento de los interruptores.. Figura 2.2 Voltaje de salida del inversor.. Los diodos conectados al punto medio del bus de continua “o”; son los elementos claves que diferencian a este circuito de un inversor convencional, siendo su función la de fijar las tensiones de bloqueo de los interruptores, a una fracción de la tensión del bus de continua, es decir, a la tensión de un capacitor Vpn/2 en este caso. Los diodos de fijación, también deben bloquear la misma tensión. Si se considera como tensión de salida la existente entre fase y negativo “n”, por ejemplo Van, se obtienen tres niveles de tensión positivos (Vpn, Vpn/2 y 0), y el convertidor trabaja como convertidor CC/CC. En una aplicación de continua, la corriente de salida es unidireccional, y no es posible mantener equilibrado el punto medio del bus de continua si se emplea una sola rama, de aquí que ésta topología no sea viable para la conversión CC/CC, a menos que se empleen dos ramas. Esta topología deja ver una serie de ventajas las cuales se expresan a continuación..

(39) •. La tensión de bloqueo de los interruptores es la tensión de un capacitor de entrada, Vpn/(n-1). •. El número de capacitores es pequeño en comparación con otras topologías.. •. Se puede conectar directamente a un bus de continua, sin necesidad de crear otros buses adicionales.. •. No requiere transformadores. •. Cambia de un estado a otro accionando un solo interruptor.. Estas ventajas no impiden que el mismo tenga las desventajas que se mencionan a continuación. •. Se requiere que los diodos de fijación sean de recuperación rápidas y capaces de conducir la corriente nominal del convertidor, además de estar sometidos a una recuperación inversa exigente [15]. Así mismo, los interruptores internos de cada rama pueden llegar a soportar picos de tensión en el instante de la conmutación, provocadas por las inductancias parásitas.. •. En topologías de más de tres niveles, los diodos de fijación requieren bloquear diferente tensión, en función de su posición en el convertidor. •. Es necesario que las tensiones de los capacitores se mantengan equilibradas en cualquier punto de trabajo, complicando el sistema de control.. 2.2.2 Convertidor con capacidades flotantes (Flying-Capacitor Converter) La figura 2.3 muestra un convertidor trifásico Flying –Capacitor Converter de tres niveles [16]. La función de las capacidades flotantes C3, C4 y C5 consisten en fijar la tensión de bloqueo de los interruptores a la tensión de una capacidad. Para el convertidor de la figura 2.3, la tensión de cualquier capacidad es de Vpn/2, por tanto la tensión de bloque de los interruptores es la mitad de la tensión del bus de continua Vpn..

(40) Figura 2.3 Inversor Flying –Capacitor Converter de tres niveles.. La tensión de salida obtenida presenta tres niveles de tensión (Vpn/2, 0, -Vpn). La misma se puede observar en la tabla 2.2 [16] obtenida en función de los interruptores conectados, donde se tiene dos combinaciones posible para obtener el nivel de salida cero (S1-S11 y S22-S2). Son pares complementarios S1-S2 y S22-S11. Por otro lado, asumiendo que la tensión de los capacitores flotantes es Vpn/2, la tensión de bloqueo de los interruptores queda fijada a Vpn/2. La tensión de los capacitores flotantes se mantiene constante, escogiendo apropiadamente la combinación de interruptores correspondiente al nivel cero de tensión la combinación de interruptores correspondiente al nivel cero de tensión de salida.. Interruptores Conectados. Tensión Vao. {S1 - S22} {S2 - S11} ó {S22 - S2} {S11 - S2}. Vpn/2 0 -Vpn. Tabla 2.2 Interruptores a conmutar para obtener los tres niveles de tensión a la salida del convertidor.. Ventajas del inversor Flying –Capacitor Converter. •. Debido a la presencia de los capacitores flotantes, la tensión de bloqueo de los interruptores es Vpn/(n-1), igual que en el convertidor DiodoClamped.. •. No hay diodos de fijación en el convertidor, eliminando la problemática asociada a estos diodos.. •. El control de la tensión de los capacitores flotantes se realiza mediante el uso apropiado de los estados redundantes del convertidor. Algunas.

(41) transiciones entre estados obligan a conmutar más de un interruptor a la vez (incluso hasta cuatro conmutaciones), y es preferible evitarlas siempre y cuando el equilibrado de las tensiones de los capacitores lo permita. •. Puede emplearse como convertidor CC/CC, sin que el equilibrio de las tensiones de los capacitores sea un problema.. Inconvenientes del convertidor Flying-Capacitor: •. Emplea un número elevado de capacitores lo que eleva el costo del mismo [17].. •. Los capacitores flotantes deben soportar la corriente de carga, por tanto deben seleccionarse adecuadamente, con el objeto de no generar excesivas pérdidas y para no condicionar la corriente mínima del convertidor [16].. •. Existe un peligro de potencial resonancia a causa de los capacitores del sistema.. 2.2.3 Inversor puente completo o tipo H El inversor tipo puente completo (figura 2.2...) está constituido por cuatro interruptores (S1, S2, S3 y S4), y la estrategia de control se realiza de la siguiente forma: cuando los interruptores S1 y S4 se activan simultáneamente, el voltaje aparece a través de la carga. Si los interruptores S2 y S3 se activan al mismo tiempo el voltaje a través de la carga se invierte y adquiere el valor de –Vs.. Figura 2.4 Inversor puente H.

(42) Las posibilidades de conmutación se muestran en la tabla 2.3 Interruptores Conectados {S1 - S4} Todos abiertos {S2 - S3}. Tensión Vab +Vs 0(tiempo muerto) -Vs. Tabla 2.3 Posibilidades de conmutación de convertidor puente. La forma de onda del voltaje a la salida de se muestra en la figura 2.5. Figura 2.5.Forma de onda del convertidor tipo puente.. 2.2.4 Convertidor con conexión cascada de puentes H o Cascada FullBridge Converter) Esta topología se basa en al conexión de puentes H. Las tensiones continuas de entrada deben estar aisladas entre ellas, obteniéndose normalmente a través de un transformador con secundarios aislados o transformadores independientes, acompañados de su respectivo rectificador a diodos [4]. No obstante, en aplicaciones de filtrado activo o corrección del factor de potencia, las fuentes de continua se pueden sustituir por capacitores. En aplicaciones de energía solar fotovoltaica, la fuente de continua representará los paneles solares [5]. En estos casos se simplifica la estructura del convertidor y se rebaja el costo al prescindir del transformador. Por otro lado, se puede sustituir el rectificador a diodos por un puente de IGBT conmutando a alta frecuencia, habilitando así la posibilidad de un flujo de potencia bidireccional [18]..

(43) En la figura 2.6 se presenta un convertidor Cascaded Full-Bridge trifásico de tres niveles. En este caso sólo es necesario emplear un puente por fase. El valor de la tensión de cada fase (Van, Vbn, Vcn) puede ser +Vcc, 0, -Vcc.. Figura 2.6 .Inversor trifásico tipo Cascada Full-Bridge Converter de tres niveles. Las ventajas que ofrece este tipo de convertidor son: •. Al estar constituidos por asociación de etapas en puente, la construcción puede ser modular, rebajando complejidad del montaje y costos. En consecuencia, el número de niveles se puede incrementar fácilmente añadiendo nuevas etapas iguales [19], sin necesidad de incorporar nuevos componentes. Además, la modularidad facilita el mantenimiento del sistema.. •. Requieren menor número de componentes que otras topologías multinivel, para alcanzar el mismo número de niveles. No necesitan diodos de fijación o capacitores flotantes.. •. La topología es tolerante a fallos, puesto que el convertidor puede continuar funcionando con un menor nivel de tensión, aunque una de sus etapas está cortocircuitada..

(44) •. El sistema de control no debe velar por el equilibrado de los capacitores del convertidor, simplificando su realización. Deben exceptuarse aquellos casos en que las fuentes de continua se sustituyen por capacitores, por ejemplo en aplicaciones de corrección del factor de potencia o filtrado activo.. Como las demás topologías antes expuestas esta no está exenta de desventajas, las mismas son las siguientes: •. Se requieren fuentes de continua aisladas para cada etapa en puente. Por tanto, sería necesario emplear un transformador con múltiples secundarios o bien múltiples transformadores independientes para cumplir este requisito, provistos de sus correspondientes rectificadores para suministrar la tensión continua. Si bien se pueden cancelar determinados armónicos del lado de la red mediante la elección apropiada. de. transformadores. los con. grupos. horarios. múltiples. de. los. secundarios. secundarios,. aislados. los. presentan. inconvenientes que impiden su más amplia implantación. •. Las características del transformador hacen que el costo del convertidor se incremente de forma notable.. 2.3 Estrategias de conmutación de inversores multiniveles Casi la totalidad de las técnicas de modulación empleadas en los convertidores multiniveles pueden asignarse a unas de las categorías mostradas en la clasificación que se muestra a continuación. Conmutación a frecuencia fundamental •. Modulación en escalera. •. Cancelación selectiva de armónicos. Conmutación a alta frecuencia •. PWM senoidal. •. Modulación vectorial.. Los objetivos principales de las estrategias de conmutación la para conversión CC/CA son, aparte de la regulación de al amplitud y frecuencia de salida, la minimización de los contenidos de armónicos de la tensión de salida del.

(45) inversor y el equilibrio. de la tensión instantánea de las capacidades del. convertidor, si la topología del convertidor así lo requiere. 2.3.1 Modulación en escalera Las primeras estrategias de conmutación. de los inversores multinivel se. limitaban a la síntesis de formas de onda escalonada [11], como se muestra en la figura 2.7 Las ventajeas de esta modulación son la simplicidad para su realización física y su baja frecuencia de conmutación, que permite su aplicación en convertidores con GTO. No obstante es fácil comprobar que la tensión obtenida no presenta un buen espectro armónico, además de ofrecer una respuesta dinámica lenta, todo ello causando por un buen espectro armónico, además de ofrecer una respuesta dinámica lenta, todo ello causado por su baja frecuencia de conmutación. A sí mismo es necesario disponer de una tensión continua de entrada variable para poder regular la tensión de salida. Su aplicación principal se encuentra en convertidores de muy alta potencia (sistemas de distribución de potencia, accionamiento de motores), donde se busca minimizar las pérdidas en conmutación mediante la reducción de la frecuencia de conmutación..

(46) Figura 2.7 Tensión de salida escalonada multinivel para una referencia senoidal.. 2.3.2 Cancelación selectiva de armónicos La figura 2.8 muestra una forma de onda genérica con simetría de cuarto de período, donde se tienen m ángulos de conmutación (α1. α2.. αm ) . Aplicando el desarrollo en serie de Fourier a esta señal, y escogiendo apropiadamente los m ángulos de conmutación (α1. α2.. αm ), se puede cancelar hasta m-1 armónicos, reservando un grado de libertad para regular la amplitud del armónico fundamental. En general, se suele escoger la cancelación de los armónicos más significativos de baja frecuencia, mientras que se recurre a filtros si se desea eliminar los de alta frecuencia. Para conseguir la cancelación efectiva de los armónicos, los m ángulos de conmutación deben estar comprendidos entre 0 y π/2, lo que supone que el margen del índice de modulación disponible suele ser estrecho, lo que representa una limitación de este tipo de modulación.. Figura 2.8 Tensión de salida escalonada generalizada con m ángulos de conmutación..

(47) El sistema de ecuaciones a resolver para obtener los ángulos de conmutación es no lineal, su cálculo es muy complejo y dificultoso de aplicar en tiempo real. Por ello, el mismo se. suele hacer de forma previa al funcionamiento del. sistema, para almacenarlo y ser reproducido en línea por el modulador, lo que resta flexibilidad al sistema. 2.3.3 Modulación PWM senoidal La modulación del ancho de pulso senoidal (Sinusoidal Pulse Width Modulation –sinusoidal PWM), también conocida como PWM subarmónica (Sub-harmnica PWM), es una de las técnicas de modulación más ampliamente estudiada y empleada en aplicaciones industriales, debido a su simplicidad y a los buenos resultados que garantizan en todas las condiciones de trabajo incluida la sobremodulación. Esta técnica consiste en comparar una señal de consigna senoidal, denominada moduladora, con señal denominada portadora, usualmente de forma de onda triangular, en algunos casos tipo diente de sierra [20]. La comparación de estas dos señales da como resultado las órdenes de conmutación de los interruptores del convertidor. Este método de modulación es flexible, permite emplear diferentes moduladoras y portadoras, que se pueden dividir en dos bloques: 1.. Estrategia de conmutación basada en portadora modificada. 2.. Estrategia de conmutación basada en múltiples moduladoras.. Esta modulación presenta algunas ventajas frente a las demás. •. Simplicidad. •. Contenido armónico reducido. •. Buen resultado incluso en sobremodulación.. 2.3.4. Modulación vectorial (SVM) La modulación basada en los vectores espaciales de tensión SVM es bien conocida y ampliamente utilizada en convertidores CC/CA convencionales y multinivel. Cada uno de los posibles estados del convertidor se representa mediante un vector de tensión, y el conjunto de todos estos vectores de estado configuran el diagrama vectorial de tensiones del convertidor. La tensión de salida deseada se puede expresar como un vector de frecuencia o modulación dentro del diagrama vectorial de tensiones cuyo módulo se relaciona con la amplitud de la tensión de salida, en la cual la velocidad de giro es igual a la pulsación deseada de la tensión de salida y su fase coincide con la fase de salida. La figura 2.9 muestra el diagrama de vectores de estado para un convertidor de tres niveles, con 27 estados posibles expresados por 19 vectores de estado diferentes, junto con un posible vector de modulación. Algunas de las características de al modulación SVM son: •. Los valores de las tensiones de salida con SVM son hasta un 15% superiores a los obtenidos empleando una modulación PWM senoidal.. •. Seleccionando apropiadamente la secuencia de los vectores escogidos, pueden reducirse las pérdidas de conmutación del convertidor.. •. La modulación se puede abordar fácilmente desde el dominio de Park o D-Q, lo que facilita su empleo junto con técnicas de control vectorial..

(48) •. El cálculo requerido es simple y poco extenso, por tanto es fácil de realizar en un dispositivo de control digital.. •. La complejidad de la selección de los vectores de estado y de los estados redundantes se incrementa de forma severa con el número de niveles..

(49) Capítulo. 3:. Simulación. de. un. sistema. híbrido. eólico-. fotovoltaico. En este capítulo se realizará un análisis de la forma de onda de salida de dos convertidores back-to-back conectados a un sistema híbrido de generación como se puede apreciar en la figura 3.1 donde la parte del rectificador es común para ambos siendo el mismo, un rectificador trifásico tipo puente controlado y el inversor, un inversor trifásico multinivel de dos y tres niveles respectivamente. 3.1 Entorno de simulación Para su simulación del sistema híbrido se utilizará el Matlab 7.4 y se utilizarán principalmente los demos de este software y el simulink, debido a que este programa aporta diferentes ventajas con respecto a los demás existentes como son:. • Es un entorno muy utilizado y fácil de obtener. • Su uso es simple y amigable. • Permite, de forma simple, conjuntar circuitos (o como mínimo sus modelos) y control en la misma simulación. • Es posible aproximar el sistema simulado al sistema real, incorporando algunas no idealidades y la discretización temporal consecuencia del empleo de un control digital o discreto. • Permite la simulación de sistemas y controladores en tiempo continuo y discreto. • Las simulaciones se realizan en un tiempo relativamente corto (entre algunos segundos y pocos minutos). La simulación se dividirá en tres bloques fundamentales: Generador eólico y fotovoltaico Convertidor Carga.

(50) Figura 3.1 Diagrama de bloques del sistema híbrido eólico-fotovoltaico. 3.2 Descripción de los bloques que componen el sistema híbrido. Bloque Generador eólico Para. poder. realizar. este. bloque. se. estudiaron. varios. modelos. de. aerogeneradores que aparecen en los demos del Matlab simulink y se escogió el bloque que contiene un sistema híbrido diesel-eólico al cual se le quita el generador diesel ya que el mismo carece de sentido para la simulaciones que se desean realizar. Este modelo que se puede observar en la figura 3.2 esta formado por un aerogenerador asincrónico jaula de ardilla, además consta de un banco de capacitores de 75 kVAr para el consumo de energía reactiva, ya que estos generadores tienen como desventaja que son incapaces de generar reactivo, además les hace falta para su consumo en el arranque, ya que pueden provocar grandes caídas de voltaje durante el mismo. Otro elemento del sistema es la turbina, la misma cuenta con tablas de valores de torques de salida en función de la velocidad de salida de la misma y del viento, lo que permite irla variando para obtener diferentes puntos de potencia de salida en el aerogenerador..