Diseño y construcción de una microrred de cc

INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN A LAS MICRORREDES DE CC

• Aplicaciones de las MRCC
• Telecomunicaciones
• Centro de procesamiento de datos
• Estaciones de carga rápida de vehículos eléctricos
• Electrificación residencial y rural
• Arquitecturas
• Bus simple con conexión directa de baterías
• Bus simple con conexión indirecta de baterías
• Múltiples niveles de tensión
• Normativa
• Comparación de la eficiencia con la CA

La arquitectura de bus simple con conexión directa de baterías es la topología más utilizada (Figura 2.1). La tensión de red depende de la corriente y del estado de carga de las baterías (State of Charge, SoC).

DISEÑO Y MONTAJE DE LA MICRORRED DE CC

Análisis de elementos

• Panel solar fotovoltaico
• Baterías
• Carga de baterías
• Tensiones características
• Circuito equivalente
• Ensayos y simulaciones
• Convertidor elevador
• Límite operativo
• Rendimientos
• Frecuencia de conmutación
• Cargas
• Motor universal
• Resistencias
• Carga electrónica

Para verificar esto, se utilizó un osciloscopio (Tektronix MSO 4034) (con una carga de batería resistiva) en la prueba de la Figura 3.20. La Figura 3.26 muestra la corriente del motor (curva celeste) a 26 Vcc (curva verde).

Diseño de la microrred

• Aprovechamiento de la energía
• Diseño del nivel de tensión
• Funcionamiento de la microrred

Primero, se analizó la capacidad del MRCC para utilizar la energía generada por el panel solar. En la Figura 3.27 se pueden ver dos diagramas representativos del diseño final del MRCC. La red debe ser capaz de consumir la potencia máxima de salida del panel, es decir, la potencia máxima configurada para el inversor (que es igual a la carga máxima de la batería) debe ser mayor o estar dentro del rango de la potencia máxima del panel. .

Durante el período en que la potencia máxima del panel sea superior a la potencia máxima establecida para el impulso, la red podrá utilizar aproximadamente el 95% de la energía. Este porcentaje está representado por la relación entre la energía desperdiciada (área gris) y la energía total (azul + área gris) en la Figura 3.28. Por este motivo, para definir el nivel de tensión del MRCC fue necesario analizar el comportamiento del convertidor para las diferentes relaciones de conversión a potencias máximas de funcionamiento.

Entonces la potencia máxima que el amplificador debe poder entregar proviene de la ecuación 3.13. La energía emitida por el panel fotovoltaico depende de las condiciones climáticas y de la demanda de la red. La tensión límite de salida y la corriente a configurar en el convertidor elevador se eligieron en base a la tensión flotante (54 V) y la corriente máxima de carga de la batería (4 A), correspondiente a una potencia máxima de salida de 216 W (equivalente a aproximadamente 255W). Panel W, por pérdidas en el convertidor).

Conductores y protecciones

• Selección de cables
• Verificación por corriente admisible
• Verificación por caída de tensión
• Cálculo de corrientes de cortocircuito
• Selección de protecciones
• Verificación de actuación de protecciones
• Verificación de cables al cortocircuito

Precisa que la sección nominal de los conductores debe calcularse a partir de su corriente máxima admisible y de la caída de tensión, con una verificación final de su tensión de cortocircuito térmico. Posteriormente, en base a un análisis técnico-económico de los proveedores para la instalación, se eligió el Plastix CF de la marca IMSA (Cuadro 3.9). Teniendo esto en cuenta, se procedió a verificar los cables elegidos, siguiendo las recomendaciones de la normativa AEA.

El catálogo sólo indica el valor de la resistencia eléctrica a 20 °C, por lo que debe calcularse a temperatura máxima. Para calcular las resistencias de la batería durante el cortocircuito, partimos del circuito correspondiente del apartado 3.1.2.3. La resistividad mínima de los cables se obtuvo del fabricante a 20 °C y la máxima de la ecuación (3.17) para 160 °C, temperatura permisible en un cable de PVC durante un cortocircuito.

Donde 𝑅𝐿 representa la resistencia de los cables y depende no solo de la temperatura sino también de la longitud del cable entre la falla y el banco de baterías. Por lo tanto, si la corriente mínima de falla es superior a 14 veces la nominal, se asegura la activación de la protección magnética. Se debe verificar que el valor permitido del cable sea mayor que la protección para asegurar que el cable no se dañe antes de la falla.

RESULTADOS EXPERIMENTALES

MRCC con emulador de panel fotovoltaico

• Funcionamiento del emulador
• Microrred ensayada

Dado que el VOC para el panel emulado tenía que ser como máximo de 22 V, aprox. la mitad de la tensión en circuito abierto del panel original, para tener el ratio de conversión correspondiente a la red construida se utilizó una tensión nominal de bus DC. V. Por esta razón el banco de baterías estuvo conformado por dos baterías en serie al momento de realizar las pruebas de microred con el emulador solar. Cabe señalar que al caracterizar el convertidor, se observó una menor tasa de respuesta cuando la operación estaba cerca del límite de operación del propio convertidor.

Por lo tanto, es necesario aclarar que los transitorios a 24 V probablemente fueron más rápidos que los que ocurrirían en la red a 48 V porque opera a menor potencia (ver Figura 3.29). Se utilizó la carga electrónica programable Twintex PPL-8613B2 como carga de potencia constante (CPC) en modo CPV. La alta corriente elegida se debió a la necesidad de alcanzar la máxima potencia de carga de la batería.

En las pruebas donde se cambiaron los parámetros de la placa emulada se explicaron los cambios realizados.

Ensayos de cambio de carga

• Control de corriente con cargas R-M
• Control de corriente con cargas R-M-CPC
• Control de corriente y tensión con CPC
• Control de corriente y tensión con cargas R-M
• Carga de baterías

Por otro lado, los cambios de voltaje de la microrred (curva verde) son consecuencia de la variación de la corriente de la batería, ya que la corriente está controlada por impulso. En este escenario, se fue aumentando gradualmente la carga de la red hasta alcanzar corrientes de casi 8 A, y luego se probó una pérdida abrupta de carga. La corriente suministrada alcanzó valores el doble de los suministrados por el emulador y la microrred no cambió su comportamiento.

Un aspecto a considerar es la caída de tensión del bus debido a la corriente de descarga de la batería. Debido al tiempo de reacción del inversor (relacionado con el ancho de banda de control) cuando cambia la potencia, las baterías proporcionan inmediatamente la corriente suministrada a la carga. Tenga en cuenta que la corriente de la batería siempre fue positiva ya que la carga no requería corrientes superiores a 4A.

La desconexión del CPC permitió cargar las baterías con mayor intensidad, por lo que Vflot volvió a alcanzar la Fase IX. Este escenario muestra el funcionamiento de una microrred con cargas resistivas y un motor universal (carga (A)). El convertidor limitó el voltaje para una carga Io baja y limitó la corriente de la conexión resistiva (Figura 4.9).

Ensayos de cambio en el emulador

• Conexión de panel
• Disminución de V OC
• Limitación de tensión
• Limitación de corriente
• Disminución de V OC e I SC
• Disminución de V OC límite

Al inicio de la prueba, el emulador se apagó para simular el comportamiento de la red cuando el panel estaba conectado (Figura 4.11). Como se muestra en la Figura 4.12, el inversor mantuvo un voltaje y una corriente de salida constantes con respecto a los cambios en el voltaje de entrada, de modo que los cambios en VOC no afectaron la microrred. Los puntos de funcionamiento del panel se alinearon con los analizados en la Figura 4.13, rotulados para cada caso.

En la Figura 4.14, se observan picos en la corriente de la batería debido a cambios de COV. En cualquier caso, esto no tiene un efecto significativo en el funcionamiento de la red. Como consecuencia, el panel cambió su punto de trabajo del punto I al punto II en la Figura 4.15.

Para todos los cambios analizados, la microrred mantuvo su correcto funcionamiento, prácticamente sin variar el voltaje de salida (Figura 4.16). Se probó el caso límite en el que, debido a una disminución del VOC del panel, el PMPP no fue suficiente para cubrir la demanda (Figura 4.18). Las curvas de potencia resultantes se pueden ver en la Figura 4.17, que también muestra la potencia que la red requería del panel.

CONTROL

• Análisis de diagrama en bloques
• Diseño del controlador de tensión
• Controlador PI
• Simulación del control de tensión
• Diseño del controlador de corriente
• Simulación control de corriente
• Análisis de resultados

La Figura 5-2 muestra el bucle de voltaje simple utilizado para determinar los diagramas de Bode usando Matlab (Apéndice VII). Se han analizado los casos extremos del sistema (Figura 5.3) para encontrar el controlador PI que proporcione un margen de fase aceptable con el mayor ancho de banda posible. La respuesta de la regulación de voltaje a los cambios de carga fue muy buena, ya que ambos picos no superan los 0,4 V.

La Figura 5.7 muestra que el pico de voltaje más alto fue de 0,5 V, con una variación de voltaje de entrada de 3,5 V. El diagrama de bloques del bucle de corriente (Figura 5.8) es similar al pico de voltaje, excepto que se agrega un bloque antes del voltaje de salida. , que representa la transferencia entre corriente y voltaje, ambas salidas. Los márgenes de ganancia y fase y el ancho de banda tendrán los mismos valores que para la regulación de tensión.

Para simular el control de corriente se utilizó el mismo diagrama de circuito que en el caso anterior, pero con diferentes cargas. Se utilizó un control de corriente con referencia variable en el primer caso y referencia fija de 4 A en el segundo caso. La Figura 5.10 muestra los resultados de la simulación del cambio de corriente de referencia (Tabla 5.6).

CONCLUSIONES

Discusión

• Convertidor tipo boost
• Emulador solar

Trabajo futuro

BIBLIOGRAFÍA

A comparative study of DC and AC microgrids in commercial buildings in different climates and operating profiles. Reduced-order thermal behavior of motor-driven universal household food mixers/grinders using AC and DC power supplies. Available at: https://magna-power.com/assets/docs/html_sl/index-operation_io.html [53] Magna-Power Electronics (2011).

ANEXOS

• Anexo I – Cálculo de parámetros del panel fotovoltaico
• Anexo II – Utilización del emulador de panel fotovoltaico
• Anexo III – Autodescarga de baterías
• Anexo IV – Resistencia serie del capacitor de salida del convertidor
• Anexo V – Esquema unifilar
• Anexo VI – Problemas del funcionamiento del convertidor
• Problemática 1
• Problemática 2
• Problemática 3
• Conclusiones
• Anexo VII – Obtención del diagrama de bode

Diseño y construcción de una microrred CC F. Diseño y construcción de una microrred CC F. 𝑁𝑂𝐶𝑇 = Temperatura nominal de funcionamiento de la celda, en [°C]. En este programa se requiere cargar una tabla punto por punto representativa de la corriente y voltaje del panel. La Tabla 8.2 muestra el archivo de texto correspondiente al panel emulado de la Figura 4.5.

En el apartado 3.1.3.3 podemos ver en la tensión de salida del convertidor (Figura 3.25) el salto de tensión en la onda que se produce al conmutar el MOSFET. Este comportamiento se debe a la resistencia en serie del capacitor de salida, que al cambiar la dirección de la corriente que ocurre en la conmutación, crea esa diferencia de voltaje instantánea. Durante las pruebas realizadas para verificar el funcionamiento del MRCC, se identificaron problemas en el funcionamiento del convertidor.

Este comportamiento no deseado en la operación de refuerzo se suma al límite de operación estudiado en el apartado 3.1.3.1. La Figura 4.3 presenta la microrred probada y para la medición también se utilizó el Osciloscopio Tektronix MSO 4034. Sin embargo, en la primera prueba (Figura 8.10a) se puede observar como en la etapa III la tensión se estabiliza en el valor límite sin problemas, mientras que en la segunda prueba (Figura 8.10b) hubo una transición cuando se alcanzó dicha tensión.