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Centro Nacional de Investigacin y Desarrollo Tecnolgico

Departamento de Ingeniera Electrnica

TESIS DE MAESTRA EN CIENCIAS

Convertidor Integrado para Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red Elctrica

presentada por

Juan Carlos Vega Rodrguez Ing. Elctrico Electrnico por la UNAM

como requisito para la obtencin del grado de: Maestra en Ciencias en Ingeniera Electrnica

Director de tesis: Dr. Jorge Hugo Calleja Gjumlich

Cuernavaca, Morelos, Mxico. 7 de agosto de 2009

1

NDICE

INTRODUCCIN I

1. ANTECEDENTES 1.1. Demanda energtica en la actualidad 1

1.2. Justificacin 2

1.3. Ubicacin del problema 4

1.4. Objetivos generales 5

1.4.1. Objetivos particulares 5

1.5. Aportaciones 6

1.6. Alcances 6

1.7. Referencias 6

2. ESTADO DEL ARTE 2.1. Tipos de sistemas fotovoltaicos 7

2.2. Sistemas fotovoltaicos conectados a la red elctrica 8

2.2.1. Seguimiento del punto de mxima potencia 10

2.2.2. Desacoplamiento de potencia 12

2.2.3. Calidad de la energa y sistema de protecciones 16

2.3. Configuraciones de sistemas fotovoltaicos con conexin a la red 16

2.4. Convertidores integrados (Mdulos de CA) 17

2.5. Esquemas de control CCM y VCM 19

2.6. Vida til de los mdulos de CA 20

2

2.7. Diseo basado en confiabilidad 21

2.7.1. Temperatura de operacin 21

2.7.2. Aspectos trmicos 22

2.7.3. Topologas y sus componentes 24

2.8. Topologas para mdulos de CA 25

2.9. Referencias 29

3. DISEO DEL MDULO DE CA PROPUESTO 3.1. Especificaciones del panel fotovoltaico C125PI 32

3.2. Seleccin de la topologa 33

3.3. Tercera etapa: El Inversor 34

3.3.1. Seleccin de la estrategia de control 34

3.3.2. Modulacin de dos niveles 34

3.3.3. Modulacin de tres niveles 36

3.3.4. Simulaciones del inversor 39

3.4. Conexin en cascada de convertidores elevadores 42

3.4.1. Diseo de la primera etapa 43

3.4.2. Diseo de la segunda etapa 44

3.4.3. Seguimiento del punto de mxima potencia 45

3.4.4. Simulaciones del MPPT 46

3.5. Desacoplamiento de Potencia 48

3.6. Simulaciones del sistema completo 48

3.6.1. Funcionamiento del mdulo de CA 48

3.6.2. Esfuerzos en los componentes del mdulo de CA 54

3.7. Referencias 57

4. IMPLEMENTACION Y PRUEBAS 4.1. Factores limitantes en la implementacin 58

4.1.1. Disipadores de calor 58

4.2. Controladores digitales de seales 59

4.3. Seleccin de componentes para los convertidores elevadores 59

3

4.3.1. Inductores 59

4.3.2. Capacitores 60

4.3.3. Elementos semiconductores 60

4.3.4. Drivers de compuerta 60

4.4. Monitoreo del panel fotovoltaico 61

4.5. Construccin de los convertidores elevadores 62

4.6. Pruebas realizadas con los convertidores elevadores 63

4.6.1. Eficiencia 63

4.6.2. Caractersticas del panel fotovoltaico 63

4.6.3. Elevacin de tensin 64

4.6.4. MPPT y Feedforward 65

4.7. Seleccin de componentes para el inversor 67

4.7.1. Inductor de salida 67

4.7.2. Elementos semiconductores 67

4.7.3. Drivers de compuerta 68

4.8. Electrnica de control para el inversor 68

4.8.1. Amplificador diferencial 70

4.8.2. Amplitud de la seal de referencia y potencimetro digital 71

4.8.3. Sensor de corriente 71

4.8.4. Protecciones 73

4.8.5. Control por banda de histresis 75

4.9. Construccin del inversor 77

4.10. Pruebas realizadas con el inversor 77

4.11. Pruebas al sistema completo 79

4.12. Referencias 80

5. RESULTADOS Y CONCLUSIONES 5.1 Topologas sin transformador 81

5.2. Incremento de la vida til 83

5.2.1. Convertidor de bajo perfil 83

5.2.2. Solucin para el manejo de la temperatura 83

4

5.3. Confiabilidad de capacitores electrolticos 84

5.4. Convertidores elevadores en cascada 90

5.5. El inversor 91

5.6. Trabajos Futuros 93

5.6.1. Estudio de la Vida til 93

5.6.2. Convertidores Elevadores 93

5.6.3. El inversor: conexin a la red elctrica 94

5.7. Referencias 96

APNDICES

Apndice A (Circuitos Impresos)

Apndice B (Software en lenguaje ensamblador)

Apndice C (Hojas de datos)

5

CAPTULO 1 ANTECEDENTES

Este captulo enfatiza la urgencia e importancia de valorar los sistemas de generacin de energa elctrica basados en fuente renovables. Se enfoca principalmente en los sistemas de generacin fotovoltaicos, para finalmente establecer los puntos que definen el porqu resulta interesante ste trabajo de investigacin. 1.1. Demanda energtica en la actualidad

Desde hace unas dcadas, todos los das aparece en la prensa alguna noticia relacionada con el petrleo, con la generacin de electricidad, la inauguracin de una nueva central hidroelctrica o nuclear, etc. La energa est en boca de todos porque nuestra civilizacin se caracteriza por un enorme consumo de energa. A principios del siglo XX comenz el uso en gran escala del petrleo. No es una casualidad que este hidrocarburo se haya impuesto en tan pocos aos, ya que es lquido y, por lo tanto, su transporte y almacenamiento es relativamente sencillo; adems, tiene mayor poder calrico por kilogramo que el carbn. La alimentacin de las calderas y de otras fuentes generadoras de calor es ms fcil puesto qu puede automatizarse el flujo de combustible. Estas caractersticas llevaron al incremento vertical del consumo de petrleo que, en solo tres dcadas desplaz totalmente al carbn en los usos industriales y domsticos. Este ascenso se realiz sobre la base de consumos cada vez mayores, que eventualmente llegaron a ser excesivos.

6

Los depsitos subterrneos de petrleo tienen capacidad limitada, pero la extraccin se

llev a cabo como si fueran inagotables. Grave error. Un da, al perfilarse su escasez, los pases que guardan en sus entraas el preciado mineral comenzaron a demandar ms y ms dinero por l, con efectos inflacionarios sobre la economa. Mientras que, desde 1900 hasta 1970, el precio se mantuvo prcticamente constante; entre 1970 y 1980 (es decir, en solo 10 aos) se multiplic por 25. En 1970 un barril de petrleo costaba 1.40 dlares, en la actualidad (datos de 2007) cuesta entre 50 y 65 dlares. Una escalada escalofriante. Esta inflacin aparentemente sin fin ha producido un descalabro en la economa de las naciones que dependen de las importaciones de crudo. Estos pases tienen que pagar cada da ms dinero por la misma cantidad de energa.

Aunado a esto, se encuentran los problemas ambientales relacionados con la generacin

de energa elctrica. De acuerdo con el Energy Information Administration de los Estados Unidos, el consumo de energa elctrica se incrementar de 13,934 TWh en el 2001, a 24,637 TWh en el 2025, a una taza promedio anual de 2.4% [1]. Debido a que cada vez ms pases han aceptado el acuerdo de Kyoto que apunta a la reduccin de emisin de gases de efecto invernadero, las exigencias para incrementar la capacidad de generacin de energa elctrica no pueden satisfacerse en su totalidad con los mtodos tradicionales de generacin, los cuales consisten en la quema de combustibles fsiles.

Es por esto que las energas alternas, sobre todo las de naturaleza renovable, empiezan a

jugar un papel importante: se vuelven econmicamente atractivas. El costo de la tecnologa para aprovechar las energas renovables se ha ido reduciendo, y se espera que se reduzca todava ms conforme se incremente su demanda y produccin.

1.2. Justificacin

El uso de sistemas fotovoltaicos para la generacin de electricidad es una prctica cada vez ms comn en el mbito internacional. Durante los ltimos 30 aos, el desarrollo tecnolgico en este campo ha permitido una reduccin de 95 % en el costo de los mdulos fotovoltaicos comerciales, a la par de un incremento cercano al 200% en su eficiencia [2,3,4]. Un dato que puede servir como referencia para dimensionar el nivel de penetracin de esta tecnologa en estos ltimos aos son los ms de 2000 MW de potencia pico instalada a nivel mundial, ver figura 1.1. Esta capacidad instalada se ha dado con una tasa de crecimiento anual del orden de 16 %, slo superada por la energa elica, como se muestra en la figura 1.2 [2,3].

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Figura 1.1. Potencia pico instalada a nivel mundial [2].

Figura 1.2. Crecimiento de diferentes fuentes de energa en los ltimos aos [2].

Muchos de los sistemas que se emplean actualmente para la generacin de energa elctrica consisten en unidades generadoras distribuidas, conectadas a la red elctrica en el nivel de distribucin. Para el caso especfico de energa fotovoltaica, se estima que los sistemas con mayor demanda en un futuro inmediato son los de tipo distribuido, interconectados a red, con potencias entre 1 kW y 5 kW [4,5]. Ver figura 1.3.

8

Figura 1.3. Tendencia de los sistemas de generacin de energa elctrica [4].

En trminos generales, los generadores fotovoltaicos conectados a la red pueden aportar beneficios importantes a los sistemas de distribucin, dependiendo de las caractersticas y condiciones operativas de la red elctrica, y de la localizacin de stos dentro de la misma. Los beneficios potenciales ms importantes son [5]:

Suavizar los picos de demanda cuando existe cierto grado de coincidencia entre el perfil de

generacin fotovoltaica y el perfil de consumo del inmueble o alimentador.

Alivio trmico a equipos de distribucin, lo que implica tambin la posibilidad de postergar inversiones de capital para incrementar su capacidad o reemplazo.

Disminucin de prdidas por transmisin y distribucin.

Soporte de voltaje en alimentadores de distribucin.

Compensacin de potencia reactiva en el alimentador.

Pese a las ventajas que ofrecen los sistemas fotovoltaicos interconectados a la red elctrica y la constante reduccin en su costo, existen barreras de naturaleza no tecnolgica que frenan su crecimiento. Las siguientes son algunas de las barreras no tecnolgicas identificadas con mayor frecuencia [6]: Alto costo en las tecnologas disponibles para energas renovables, en comparacin con las

disponibles para fuentes de energa convencional.

Opciones de financiamiento inadecuadas en proyectos que involucran energas renovables.

Falta de conciencia en los consumidores.

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Difcil instalacin.

Falta de fuerza laboral calificada para realizar las instalaciones.

Alto costo de mantenimiento.

Necesidad de reparar o sustituir viejos sistemas.

Falta de compatibilidad entre componentes, lo que dificulta el incrementar la capacidad de generacin del sistema instalado.

Falta de cdigos adecuados y estndares para las instalaciones.

Carencia de esttica en las instalaciones de sistemas fotovoltaicos. 1.3. Ubicacin del problema

Con lo comentado hasta ahora es posible identificar ciertos problemas, cuya solucin puede abordarse desde el punto de vista del diseo de la etapa de potencia del sistema fotovoltaico. En concreto, es necesario explorar soluciones a los puntos que se listan a continuacin: Costo del sistema fotovoltaico, tanto de fabricacin como de mantenimiento.

Complejidad de las instalaciones, que requieren mano de obra calificada.

Falta de modularidad, lo que dificulta el expandir la capacidad de generacin del sistema fotovoltaico.

Con base en la problemtica en torno a la demanda de energa elctrica y a las barreras no

tecnolgicas que tienen que romper los sistemas fotovoltaicos interconectados a red para continuar con su crecimiento, se ubican los siguientes problemas a resolver. Conseguir que los sistemas fotovoltaicos sean ms sencillos de instalar.

Dotar a los sistemas fotovoltaicos con la posibilidad de expandirse con facilidad, para lograr instalaciones de mayor potencia.

Incrementar la vida til.

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Figura 1.4. Problemtica en sistemas fotovoltaicos. 1.4. Objetivo general

Identificar la problemtica asociada con los mdulos de CA, con la finalidad de desarrollar un convertidor integrado que pueda utilizarse en aplicaciones fotovoltaicas interconectadas a la red elctrica. 1.4.1. Objetivos particulares

El desarrollo del convertidor se realizar tomando en cuenta los siguientes factores: Confiabilidad del sistema fotovoltaico, tomando en cuenta que un mdulo integrado por lo

general se ubica contiguo al panel solar y, por lo tanto, est sujeto a condiciones extremas de operacin (principalmente altas temperaturas).

Conjuntando el hecho de que el tiempo promedio a la primera falla en la etapa de potencia es de 5 aos y que estudios econmicos arrojan datos dudosos sobre las ventajas de extender demasiado la vida til de la etapa de potencia se encuentra razonable lograr vidas tiles para el inversor de entre 10 y 15 aos.

Cumplimiento de la normatividad aplicable a sistemas fotovoltaicos.

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1.5. Aportaciones

La aportacin principal consiste en identificar los problemas y dificultades que existen para el desarrollo de un sistema fotovoltaico basado en mdulos de CA (convertidores integrados). Esto permitir, en una etapa posterior, el desarrollo de un producto de altas prestaciones con posibilidades slidas de transferencia tecnolgica.

Por otro lado, este trabajo contina con la lnea de investigacin en materia de sistemas fotovoltaicos existente en la institucin, y adems, deja la puerta abierta a la posibilidad de colaboracin con otras instituciones. 1.6. Alcances

El prototipo que se desarrolle ser a nivel de laboratorio, y tendr una potencia mxima de 125W, acorde a las capacidades tpicas de los paneles fotovoltaicos. 1.7. Referencias [1] Developing a next generation PV inverter Sandia National Laboratories Report SAND

2002-1673C.

[2] Miroslav Bejovic. Green Power: Status and Perspectives. Proceedings of the IEEE, vol 89, No.12, December 2001. Pages(s): 1374-1743.

[3] A Review of PV Inverter Technology Cost and Performance Projections, National Renewable Energy Laboratory, January 2006.

[4] Muhammad H. Rashid. Power electronics Handbook. Academic Press. 2001 [5] Frede Blaabjerg. Power Electronics as Efficient Interface in Dispersed Power

Generation Systems Power Electronics, IEEE Transactions on Volume 19, Issue 5, Sept. 2004 Page(s):11841190

[6] Nontechnical Barriers to Solar Energy Use: Review of Recent Literature National Renewable Energy Laboratory, January 2006.

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CAPTULO 2 ESTADO DEL ARTE

En este captulo se presentan los resultados de la revisin del estado del arte, de la que se desprenden las conclusiones que permitirn plantear alternativas de solucin a los puntos definidos en la ubicacin del problema. 2.1. Tipos de sistemas fotovoltaicos

Los sistemas de generacin de energa elctrica por medios fotovoltaicos se pueden clasificar de la siguiente manera [1]: Sistemas autnomos, tambin conocidos como tipo Stand alone

Sistemas hbridos

Sistemas conectados a la red elctrica

Los sistemas autnomos se usan en reas remotas donde no existe posibilidad de conexin a la red elctrica convencional, ver figura 2.1a. Algunos de estos sistemas con frecuencia se basan en generadores diesel que operan continuamente, o slo por algunas horas. La operacin prolongada de este tipo de generadores bajo condiciones de baja carga incrementa significativamente los costos de mantenimiento y reduce su vida til. Las fuentes de energa renovable, como la fotovoltaica, pueden combinarse con los generadores diesel para suministrar energa a lo largo del da de una forma econmica y eficiente; a este tipo de sistemas de generacin se les conoce como hbridos, ver figura 2.1b. En aplicaciones fotovoltaicas conectadas a la red elctrica, los paneles se conectan a la red a travs de inversores; estos sistemas pueden prescindir de bateras, ver figura 2.1c. Los inversores que interactan con la red elctrica deben estar sincronizados con sta tanto en frecuencia como en tensin. En este trabajo slo se abordan los conceptos relacionados con los sistemas fotovoltaicos con conexin a la red elctrica.

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Figura 2.1. Tipos de sistemas fotovoltaicos

2.2. Sistemas fotovoltaicos conectados a la red elctrica

Los principales componentes de un sistema fotovoltaico conectado a la red son [1, 2]: el arreglo fotovoltaico, que es el elemento encargado de transformar la luz del sol en electricidad, y un elemento acondicionador de la potencia producida (un inversor CD/CA), cuya funcin es adecuar la energa generada por el arreglo a las caractersticas elctricas de la red y poder as realizar la conexin. Ver figura 2.2.

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Figura 2.2. Componentes bsicos de un sistema fotovoltaico.

Un arreglo fotovoltaico est constituido por un conjunto de mdulos o unidades

fotovoltaicas individuales. El nmero de unidades depende de la potencia nominal requerida en el arreglo y de la potencia pico de los mdulos seleccionados. La potencia nominal de los mdulos comerciales normalmente est entre 50 y 200 W, aunque hoy en da algunos fabricantes ofrecen mdulos con potencias superiores a los 200 W [1, 2, 3, 4]. El material ms comnmente usado en la fabricacin de los mdulos es el silicio. La eficiencia tpica en condiciones estndar de irradiancia y temperatura (i.e., 1,000W/m2, 25C) se encuentra entre 12 y 15% para silicio monocristalino, entre 11 y 14 %, para silicio policristalino; y entre 5 y 7 % para los de silicio amorfo [1].

Dado que la potencia elctrica que es posible obtener de los paneles fotovoltaicos se ve

afectada por la temperatura e irradiancia en el ambiente, es necesario incluir en el sistema un mecanismo que se encargue de extraer, bajo cualquier condicin de operacin, la mxima potencia disponible en el arreglo fotovoltaico. Debido a esto, el inversor incorpora entre sus funciones un elemento de control que sigue permanentemente el punto de mxima potencia del arreglo fotovoltaico (Maximum Power Point Tracking) mediante un ajuste continuo de la impedancia de carga [5].

Otro elemento importante con el que debe contar un sistema fotovoltaico, en caso de

encontrarse conectado a una red monofsica, es un elemento de desacoplamiento de potencia. La necesidad surge por el hecho de que la potencia que se transfiere a la red elctrica es pulsante, con una frecuencia del doble de la tensin presente en esta [6, 7, 8]. Si no se evitan o minimizan estas fluctuaciones de potencia los paneles fotovoltaicos no podrn operar en el punto de mxima potencia [1].

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El acondicionamiento de la potencia elctrica generada por el arreglo fotovoltaico (un voltaje de directa) se realiza mediante un inversor que se encarga de convertir la corriente directa producida por el generador fotovoltaico en corriente alterna, en fase y a la frecuencia de la red para transferir potencia activa [2, 4]. Tradicionalmente, es un solo inversor de la capacidad adecuada el que maneja la potencia nominal de todo un arreglo fotovoltaico. Sin embargo, cada vez es ms popular el uso de varios inversores conectados en paralelo, cada uno manejando una fraccin de la potencia total del arreglo. Incluso, en algunos casos, el inversor se monta directamente en el respaldo del mdulo de manera individual (mdulos de CA) [2, 4, 9].

Finalmente, debe mencionarse que todo sistema fotovoltaico conectado a la red elctrica

debe ser capaz de garantizar que la forma de onda a la salida del inversor cumpla con lo que se encuentra establecido en estndares tales como el IEEE-929 [10]. 2.2.1. Seguimiento del punto de mxima potencia

Dado el costo inicial elevado, uno de los objetivos que se persiguen al recurrir a sistemas fotovoltaicos, sobre todo en reas residenciales, es minimizar el tiempo de recuperacin de la inversin. Por ello, el convertidor encargado de acondicionar la potencia del sistema de generacin debe garantizar que el panel, o arreglo de paneles fotovoltaicos, estn operando siempre en el punto de mxima potencia MPP, que es la condicin de operacin en la cual se conseguir la mayor transferencia de energa hacia la red elctrica. Uno de los aspectos a cuidar para conseguirlo, es que tanto las fluctuaciones de tensin como de corriente en las terminales del mdulo fotovoltaico sean pequeas [2], ver figura 2.3.

Figura 2.3. Curvas tpicas del comportamiento de un panel fotovoltaico.

Para valorar la importancia de implementar el MPPT con la mayor eficiencia posible, a

modo de ejemplo, en la figura 2.4 se comparan dos sistemas de generacin, ambos de 3kW. Con base en estos dos sistemas se evala, aunque de una manera muy simplificada, el impacto econmico producido por ambos sistemas. El impacto econmico desde luego, depende de los recursos energticos de la regin en que se encuentre instalado el sistema fotovoltaico, lo que provoca que el costo del kWh difiera bastante de una a zona a otra, ver tabla 2.1.

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Tabla 2.1. Previsin de cadas de precios de la electricidad en algunas ciudades del mundo. Energa solar fotovoltaica.

Ciudad 2005 /kWh 2010 /kWh 2015 /kWh 2020 /kWh Berln 0,40 0,30 0,26 0,19 Pars 0,36 0,27 0,24 0,18 Washington 0,30 0,23 0,20 0,15 Hongkong 0,28 0,21 0,18 0,13 Sidney 0,26 0,19 0,17 0,13 Bombai 0,26 0,19 0,17 0,13 Bangkok 0,23 0,17 0,15 0,11 Dubai 0,20 0,15 0,13 0,10

Fuente: Solar Generation (EPIA www.epia.org)

Figura 2.4. Importancia de realizar el MPPT con la mayor eficiencia.

El primer sistema realiza el seguimiento del MPP con una eficiencia del 99.7% mientras que el segundo lo hace con una eficiencia del 95%. Por simplicidad, la diferencia en la potencia de salida de ambos sistemas de generacin se mantendr constante a lo largo del tiempo de operacin (12 horas). Finalmente se consideran dos casos para el precio del kWh para sistemas fotovoltaicos: el primero ser de 0.4 Euros, que es el caso de la ciudad de Berln; y el segundo de 0.2 Euros, que es el caso de Dubai, un pas con una riqueza en materia energtica considerable. Cabe resaltar que el resultado obtenido para el caso de Dubai bien puede ser similar al de nuestro pas.

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En la figura 2.4 se muestra el razonamiento seguido para el caso de la ciudad de Dubai; evidentemente el de la ciudad de Berln se obtiene de manera similar. Para la ciudad de Dubai se tendra una perdida en pesos mexicanos de 35,478 mientras que para la ciudad de Berln la prdida econmica sera del doble. Ahora bien, esto es para el caso de un solo sistema de 3kW; si hablramos ahora de varios sistemas y adems con mayor capacidad de generacin, las prdidas econmicas cobraran cada vez ms relevancia.

Para el seguimiento del punto de mxima potencia existen numerosas tcnicas reportadas en la literatura. A los mtodos de MPPT que ms se recurre son:

a) perturbar y observar,

b) conductancia incremental,

c) control de cada de tensin en el bus de CD, y

d) control en un solo ciclo.

De manera breve se puede decir que los mtodos ms populares son el de perturbar y observar y el de conductancia incremental, debido a la facilidad de implementacin, el sencillo principio de operacin e independencia del deterioro de las celdas. El mtodo de control de tensin en el capacitor del bus de CD es el mas econmico ya que slo requiere de mediciones de tensin; sin embargo, al estar sujeto a las oscilaciones en el bus de CD y la lentitud en la respuesta, se convierte en el mtodo de seguimiento ms ineficiente de los tres. Finalmente, el control en un solo ciclo es el que requiere un diseo ms complejo; adems, se ve afectado por el deterioro de las celdas. En [5] se puede encontrar un buen resumen de ellas para la diversidad de aplicaciones fotovoltaicas. 2.2.2. Desacoplamiento de potencia

En inversores que interactan con la red elctrica monofsica se genera una potencia pulsante en el bus de CD con una frecuencia del doble de la existente en la red. Esto ocurre como una consecuencia de la relacin entre la potencia proveniente del panel fotovoltaico y la potencia transmitida a la red elctrica. Esta relacin se explica a continuacin [8]:

Si el nivel de irradiancia se mantiene constante sobre un panel fotovoltaico, la potencia de entrada que entrega el panel tambin lo es; por otro lado, la potencia de salida hacia la red

es variante en el tiempo y, como ya se dijo, presenta una frecuencia del doble de la existente en la red, ver figura 2.5. Matemticamente se tiene:

inp

outp

)sin()( tVtv mac = (2.1)

)sin()( tIti mac = (2.2)

18

)(sin)()()( 2 tPtitvtp macacout == (2.3)

Las variables , y mV mI son la tensin pico, la corriente pico y la frecuencia angular de la red, respectivamente; = ( ) es la potencia pico instantnea en la red. La figura 2.5 ilustra la relacin entre y . En rgimen permanente el valor promedio de es igual a . Esto es:

mP mV mI

inp outp outp inp

22)(

21

2

0

mmmoutin

IVPdttpp ===

(2.4)

Figura 2.5. Consecuencias de la relacin entre Pin y Pout.

Por otra parte, el capacitor Cdc a la entrada del inversor acta como un elemento que absorbe la

diferencia de energa generada entre y . La figura 2.5 describe el perfil de baja frecuencia

de la tensin en Cdc, con variando entre los valores lmite inp outp

)(tvdc MINdcV _~ y MAXdcV _

~ alrededor de un nivel constante . Entonces: dcV

dcdcMAXdc vVV +=_~ (2.5)

dcdcMINdc vVV =_~ (2.6)

donde:

2

~~__ MINdcMAXdc

dc

VVv

= (2.7)

19

Como se muestra en la figura 2.5, el voltaje vdc se incrementar si > , y viceversa.

Entonces: inp outp

outin pp > para ,43 t ,

44 t t

43

outin pp < para ,443 t

43

4 t

Consideremos el intervalo de tiempo ,44 t : aqu se incrementa de )(tvdc MINdcV _

~ a

MAXdcV _~ . De este modo, la diferencia de energa en el capacitor, en el intervalo

44 t

queda como:

[ ] ( )[ ]tsinPdt)t(p)t(pV~C)t(vC mt

outinMIN_dcdcdcdc 21

421

21

4

22 +==

(2.8)

Sustituyendo 4 =t y MAXdcdc Vv _

~)4

( = en 2.8 se puede mostrar que

dcdc

mdc VC

Pv4

= (2.9)

Ms aun:

)2sin()( tvVtv dccddc += (2.10)

Las oscilaciones de baja frecuencia en el bus de CD traen consigo dos consecuencias

principales. La primera es que pueden propagarse hasta las terminales del arreglo de paneles fotovoltaicos, comprometiendo de manera importante el seguimiento del punto de mxima potencia. La segunda consecuencia toma importancia cuando se utiliza un inversor de fuente de voltaje como medio para transferir energa a la red elctrica, ya que ste requiere que la tensin en el bus de CD sea en todo momento superior a la tensin instantnea en la red elctrica; las oscilaciones antes mencionadas pueden provocar que esta condicin no se satisfaga en todo momento.

Para salvar estas dificultades, la electrnica encargada de acondicionar la energa de los paneles debe contar con un mecanismo que realice la funcin de desacoplamiento de potencia. Para esta tarea se puede recurrir a mtodos pasivos o activos, o a una combinacin de ambos. El mtodo de desacoplamiento pasivo ms comn consiste en colocar un capacitor en el bus de CD. A

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partir de la ecuacin 2.9 se puede obtener una expresin que permita calcular el valor de la capacitancia en el bus de CD. Esta ecuacin se muestra a continuacin.

dcdc

mdc Vv

PC

=4

(2.11)

A modo de ejemplo, consideremos las dos topologas de la figura 2.6. En la topologa de

la figura 2.6a el capacitor de desacoplamiento de potencia se encuentra ubicado justo en las terminales del panel fotovoltaico, mientras que en la topologa de la figura 2.6b se encuentra en el bus de CD que alimenta a un inversor puente completo.

Figura 2.6. Mtodo pasivo para lograr el desacoplamiento de potencia.

Para la topologa de la figura 2.6a consideremos lo siguiente:

potencia fotovoltaica disponible de 125W, frecuencia de la lnea es de 60Hz, tensin en el bus de CD (i.e.: la tensin en terminales del panel fotovoltaico) es de 17V, y que las oscilaciones en el bus sern del 5% de la tensin nominal en l.

Con estos datos y aplicando la expresin 2.11 se obtiene que el capacitor del bus de CD debe tener un valor mnimo de 5800 uF.

Ahora bien, para la segunda topologa slo cambia la tensin en el bus de CD y se tendr ahora un

valor de 220V. Con estos datos se obtiene que el valor mnimo del capacitor del bus de CD es de 35 uF. En ambos casos, para lograr tales valores de capacitancia de un modo prctico es necesario recurrir a capacitores electrolticos. Cabe mencionar que en numerosos artculos se les seala como los principales responsables de la limitada vida til de la etapa de potencia en sistemas fotovoltaicos. Estos valores de capacitancia, desde luego, slo son un indicativo de por dnde se encuentra el valor mnimo necesario para lograr el desacoplamiento, ya que hay otros factores que pueden ayudar a minimizar este valor de capacitancia; por ejemplo, los mecanismos encargados del MPPT y el control del inversor.

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Para minimizar las fluctuaciones de potencia, los mtodos activos de desacoplamiento, como los propuestos en [4,5], se valen de redes auxiliares y algoritmos de control complejos. Estas estrategias de desacoplamiento prometen reducir el valor de capacitancia con respecto al calculado mediante la expresin 2.11. 2.2.3. Calidad de la energa y sistema de protecciones

Para conectar un sistema de generacin fotovoltaico a la red elctrica es necesario cumplir con ciertos parmetros relacionados con la seguridad del sistema y con la calidad de la forma de onda que se inyecte a la red.

Lo referente a la calidad de la forma de onda se verifica a travs de tres parmetros. El primero es el contenido armnico de la corriente que inyecta el inversor, especificado individualmente para cada armnico, y a travs del %THD (Total Harmonic Distorsion) que debe ser inferior al 5%; ambos son indicativos de en qu medida se asemeja la salida del sistema fotovoltaico a una sinusoide ideal de frecuencia fija. El segundo parmetro es el factor de potencia, que cuantifica el defasamiento entre la tensin de la red y la corriente que inyecta el inversor; el factor de potencia debe ser superior a 0.85. Finalmente, el tercer parmetro se relaciona con la generacin de corriente directa, cuya magnitud no debe ser mayor al 0.5% de la corriente nominal del inversor.

Por otra parte, el sistema de generacin tambin debe ser capaz de detectar anomalas en las condiciones de operacin de la red elctrica: variaciones en la tensin y en la frecuencia de la red, y la condicin conocida como islanding. En el ltimo caso es necesario detectar la ausencia de la tensin de la red elctrica y ordenar al inversor que deje de transferir energa a la red.

En estndares como el IEEE-929 [10] se detallan los parmetros relacionados con la calidad de la energa y los mrgenes permisibles para las variaciones de tensin y frecuencia que hay que monitorear. Se especifica tambin el nmero mximo de ciclos en los que se debe llevar a cabo el proceso de desconexin entre el inversor y la red elctrica. 2.3. Configuraciones de sistemas fotovoltaicos con conexin a la red

De acuerdo al nivel de potencia que generan, al nmero y forma de conexin de los

paneles fotovoltaicos, y a la electrnica usada para realizar el acondicionamiento de energa, los sistemas fotovoltaicos se pueden clasificar en sistemas centralizados, sistemas en cadena y en mdulos de CA. En la tabla 2.2 se listan algunas de las caractersticas ms relevantes y distintivas de las diferentes configuraciones [2, 3, 7, 9, 13].

Tabla 2.2. Caractersticas distintivas de las diferentes configuraciones en sistemas PV.

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Tipo Esquema centralizado

Esquema Serie (String)

Mdulos de CA

Topologa de circuito acondicionador de potencia

Bus de CD Alto voltaje Alta Corriente

Alto voltaje Baja Corriente

Alto Voltaje Baja Corriente

Caractersticas -Instalaciones de gran potencia. -Sistemas robustos y poco flexibles -Alto costo -Instalaciones complejas -Altas perdidas de potencia

-MPPT independiente para cada cadena -Sistemas medianamente robustos y poco flexibles. -Instalaciones complejas -Gran eficiencia a costos razonables.

- Seguimiento del MPPT de manera individual -Alta modularidad -Alto costo ?. Se apuesta por un gran volumen de produccin. -Fcil instalacin. -Buena eficiencia.

Aplicacin Potencias mayores a 5kW

Potencias entre 2 y 5kW

Potencias entre 90 y 500W

2.4. Convertidores integrados (Mdulos de CA)

Un mdulo fotovoltaico de CA, o simplemente mdulos de CA, consta en un solo panel fotovoltaico dotado de su propio convertidor CD-CA montado en la parte trasera del panel y con capacidad de interactuar con la red elctrica, ver figura 2.7. Esta idea ya tiene tiempo de haber sido concebida; sin embargo, es hasta los ltimos aos, con los avances en electrnica de potencia, circuitos integrados, microprocesadores, etctera, que ha ido cobrando forma [11, 12].

23

Figura 2.7. Mdulo fotovoltaico de CA.

Muchos autores opinan que los mdulos de CA se convertirn en un producto de consumo

masivo en el sector domstico y tendrn una contribucin importante en la cada vez ms creciente demanda de energa elctrica en todo el mundo [2, 4, 11].

Los mdulos de CA ofrecen numerosas ventajas sobre otros esquemas, muchas de las cuales se enfocan a superar barreras tanto de tipo tecnolgico como no tecnolgico. Con los mdulos de CA se busca que la introduccin al mercado de los sistemas de generacin fotovoltaicos sea cada vez ms fcil. A continuacin se listan algunas de las ventajas que ofrecen. El tamao reducido que los caracteriza facilitara su introduccin en el mercado.

No existen restricciones en cuanto a la orientacin del arreglo, exposicin solar o a la sombra; ya que cada mdulo cuenta con su propio mecanismo encargado del seguimiento del punto de mxima potencia.

Se evitan perdidas al no tenerse la conexin en cadena de paneles.

Con la produccin masiva de inversores es posible una reduccin considerable de costos en el proceso de manufactura.

Debido a la estandarizacin del producto, se reduce el costo relacionado con el diseo e instalacin.

Al existir interactividad entre los mdulos de CA y la red elctrica no se desaprovecha energa aun cuando la carga que se alimente localmente sea menor que la capacidad de generacin del sistema fotovoltaico.

Los mdulos de CA son inherentemente ms seguros que los sistemas fotovoltaicos convencionales que utilizan tensiones de CD elevadas.

Los mdulos de CA mejoran la confiabilidad del sistema de generacin debido al hardware distribuido.

24

Ahora bien, los mdulos de CA tambin tienen desventajas. Algunos estudios concluyen que esquemas fotovoltaicos como el centralizado resultan ser una mejor opcin, desde el punto de vista del convertidor CD-CA. Esto sucede en instalaciones cuya capacidad de generacin no requiera incrementarse y supere los 50kW [11, 12].

Los convertidores integrados sufren de un intervalo de operacin limitado ante variaciones en

el voltaje de entrada, lo que podra comprometer el desempeo del sistema. Otra caracterstica en contra de este tipo de convertidores es la baja capacidad de potencia que pueden manejar de manera individual; sin embargo, mediante la conexin en paralelo de varias de estas unidades se pueden conseguir instalaciones de mayor potencia [13, 14]. Ver figura 2.7.

Probablemente uno de los retos ms grandes para los mdulos de CA es el relacionado con la vida til de la electrnica encargada de acondicionar la potencia proveniente del panel fotovoltaico. Este tema se tratar con mayor profundidad en el apartado 2.7. (Vida til de los mdulos de CA). 2.5. Esquemas de control CCM y VCM

Para inyectar tanto potencia activa como reactiva a la red elctrica, los inversores cuentan con controladores, ya sea en modo tensin (VCM) o en modo corriente (CCM) segn la idea bajo la que se hayan concebido. El controlador debe contar con un cierto nivel de precisin, a fin de evitar problemas en la transferencia de potencia hacia la red elctrica debido a errores en la sincronizacin, ya que stos pueden provocar condiciones de sobrecarga en el inversor. El controlador tambin debe responder rpidamente ante las perturbaciones en la tensin que alimenta al inversor (ver apartado 2.2.2)

En la literatura existen estudios comparativos entre los dos tipos de controladores [16, 20]. Con frecuencia se concluye que en aplicaciones que demandan regulacin de corriente, como es el caso de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red elctrica, el control en modo corriente ofrece mayores ventajas, sobre todo desde la ptica de la trasferencia de potencia debido a errores en la sincronizacin, la respuesta ante perturbaciones en el bus de CD y la calidad de la forma de onda generada, por lo que con frecuencia se le seala como la mejor opcin.

Existen varias tcnicas de control en modo corriente para inversores de fuente de voltaje, las que se pueden clasificar como tcnicas de control lineal o no lineal [18].

Los controladores lineales generan un voltaje variable que alimenta a un bloque modulador de

ancho de pulso (PWM) para generar las seales de conmutacin para las ramas del inversor. Los controladores lineales se caracterizan por una frecuencia de conmutacin constante, lo que resulta conveniente desde el punto de vista del diseo del filtro a la salida del inversor. Por otro lado, presentan limitaciones en su dinmica provocadas principalmente por retrasos asociados con el clculo de seales de error y el proceso de modulacin.

Por su parte, los controladores no lineales basan su funcionamiento en bandas de histresis y su operacin consiste en obtener una seal de error (restando la corriente de referencia con la corriente proveniente de algn sensor), y mantenerla dentro de una banda de histresis. Estas tcnicas

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producen frecuencias de conmutacin variables, a menos que se apliquen estrategias que varen el ancho de la banda de histresis [19]; por otra parte, ofrecen tiempos de respuesta rpidos ante eventos transitorios, independencia de los parmetros de la carga y buena estabilidad. La implementacin resulta sencilla salvo que se opte por esquemas que persiguen una frecuencia de conmutacin constante.

2.6. Vida til de los mdulos de CA

A menudo se cuestiona el tiempo de vida esperado para los mdulos de CA, ya que normalmente se montan en la parte trasera del arreglo fotovoltaico, en donde fcilmente se alcanzan temperaturas superiores a 80C. Tomando tambin en cuenta la disipacin del mismo inversor, la temperatura de operacin de los mdulos de CA puede llegar a los 100C. Es bien sabido que el funcionamiento a altas temperaturas tiene un efecto negativo sobre el tiempo de vida de los circuitos electrnicos.

Por otra parte, la confiabilidad de la etapa de potencia tiene un impacto considerable en el

costo de la vida til del sistema fotovoltaico. Los inversores contribuyen con un 10-20% del costo inicial del sistema y a menudo necesitan remplazarse cada 5 aos. Por otro lado, los mdulos fotovoltaicos y otros componentes del sistema de generacin tienen vidas tiles de hasta 25 aos, 5 veces mas que la etapa de potencia [21]. Es por esto que en la actualidad los esfuerzos se enfocan a extender de 3 a 5 veces la vida til de la etapa de potencia. Claro est que los beneficios de incrementar la confiabilidad deben ponderarse a la luz del costo agregado para lograr esta meta ya que, como se observa en la figura 2.8, el precio de los inversores tambin se reduce con el paso de los aos. Por esta razn, muchos fabricantes no encuentran conveniente el lograr vidas tiles del orden de 20 aos en la etapa de potencia [21].

Figura 2.8. Flujo de efectivo tpico requerido por un sistema fotovoltaico.

Conjuntando el hecho de que el tiempo promedio a la primera falla en la etapa de potencia es

de 5 aos y que algunos estudios econmicos arrojan datos dudosos sobre las ventajas de

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extender demasiado la vida til de la etapa de potencia, se encuentra razonable lograr vidas tiles para el inversor de entre 10 y 15 aos. Para incrementar la vida til de los mdulos de CA es necesario identificar los puntos dbiles y utilizar la informacin en combinacin con un enfoque de diseo basado en criterios de confiabilidad. 2.7. Diseo basado en confiabilidad

La confiabilidad es la probabilidad de que un producto funcione bajo condiciones dadas y por un periodo de tiempo especificado sin exceder los niveles aceptables de fallas [22, 23]. Un diseo basado en confiabilidad toma en consideracin los siguientes puntos: Seleccin de la topologa.

Seleccin y calidad de componentes.

Confiabilidad de los componentes en la aplicacin.

Diseo trmico.

Degradacin y esfuerzos en los componentes.

Consideraciones de diseo (PCB y diseo mecnico).

Entonces, para conseguir una mayor longevidad en los convertidores integrados, es necesario identificar los fenmenos fsicos, qumicos y mecnicos que puedan mermar la vida til del convertidor y, lo ms importante, identificar sobre qu elementos se puede ejercer alguna accin desde la ptica del diseo de la electrnica de potencia.

Durante la revisin del estado del arte se identificaron varios puntos que atentan contra la vida

til de los mdulos de CA. Estos puntos se pueden englobar en dos grupos: el primero trata los aspectos relacionados con la temperatura de operacin, mientras que el segundo involucra a las topologas y a los componentes. 2.7.1 Temperatura de operacin

Resulta difcil definir la temperatura de operacin en los mdulos de CA ya que, como se mencion, estn pensados para ubicarse en la parte trasera del panel fotovoltaico, por lo que constantemente se encuentran sometidos a severos esfuerzos termomecnicos. Para tener una mejor idea, la figura 2.9 muestra la frecuencia con la que se alcanzan ciertos niveles de temperatura en la parte trasera de los paneles [24].

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Figura 2.9. Comportamiento de la temperatura en la parte trasera de los paneles.

Para los aspectos relacionadas con el anlisis y el diseo del mdulo de CA conviene asumir este mismo intervalo de temperatura de operacin, ya que as se estar diseando para las condiciones extremas. En el siguiente apartado se tratarn los aspectos relacionados con la geometra del gabinete que albergue al inversor y el montaje de este en el panel fotovoltaico. 2.7.2. Aspectos trmicos

La temperatura juega un papel muy importante en la vida til de los sistemas electrnicos y los mdulos de CA no son la excepcin. Durante la revisin del estado del arte se encontr que pueden seguirse varios enfoques para reducir la temperatura a la que los mdulos de CA se encuentran sometidos; dichos enfoques se pueden englobar en los siguientes tres puntos:

a) montaje del convertidor en el panel fotovoltaico,

b) seleccin del material para encapsular al mdulo de CA, y

c) convertidor de bajo perfil [24, 25]. Montaje del convertidor

Muchos fabricantes no recomiendan utilizar pegamento para adherir el inversor al panel fotovoltaico, ya que se puede contribuir al deterioro de las celdas del panel. Otra razn es que no se garantiza la confiabilidad y duracin de las uniones hechas con pegamento. En contraposicin, al atornillar el inversor al marco del panel fotovoltaico se obtiene estabilidad y confiabilidad a largo plazo en las conexiones, ya que el convertidor puede retirarse fcilmente y remplazarse en caso de falla. Adems, se aprovecha la buena conductividad trmica del marco del panel ya que ste usualmente est hecho de aluminio; se ha encontrado que la temperatura en el marco del panel puede ser hasta 10C menor a la de las celdas del panel, ver figura 2.10.

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Figura 2.10. Montaje del mdulo de CA en el panel fotovoltaico. Materiales para encapsular

Al encontrarse unido al panel fotovoltaico, el convertidor integrado tambin se encuentra sometido a las inclemencias del clima. Por esta razn, debe encapsularse convenientemente para dotarlo de resistencia a la humedad; aunado a esto, resulta altamente deseable que el material utilizado para el encapsulado cuente con alta conductividad trmica. Sin embargo, algunos anlisis comparativos entre materiales utilizados para encapsular tarjetas electrnicas muestra que existe un compromiso entre la conductividad trmica y la resistencia a la humedad, ver figura 2.11. Convertidor de bajo perfil

Desde la ptica del desempeo trmico, el desarrollo de un convertidor de baja altura tiene consecuencias interesantes. En la figura 2.11 se muestran los resultados de un estudio que evala el impacto que tiene la altura del convertidor integrado (altura) sobre la temperatura interna del mismo.

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Figura 2.11. Consecuencias de optar por un convertidor de bajo perfil.

Tomando en cuenta estos tres aspectos, en el diseo se podra duplicar la vida til de los

mdulos de CA si se considera la bien conocida regla Cada reduccin de 10C en la temperatura lleva a un incremento del 100% en el tiempo de vida 2.7.3. Topologas y sus componentes

La seleccin adecuada de una topologa confiable es el primero y ms importante paso durante el diseo. Aunque es posible utilizar diversas topologas para llevar a cabo una misma tarea, cada una de estas tiene sus limitaciones y desventajas; puntos que con seguridad impactarn en la confiabilidad del convertidor. Al escoger una topologa debern tomarse en cuenta los siguientes factores: lmites del ciclo de trabajo, caractersticas de aislamiento, EMI, nmero de salidas, tipo de operacin (continua o discontinua), modo de control (voltaje o corriente), tipo de conmutacin (dura o suave) y esfuerzos en los dispositivos [22]. Sin importar qu topologa se utilice en el diseo, un convertidor de potencia est conformado principalmente por uno o varios dispositivos de conmutacin (p.e. MOSFET, IGBT), circuitos integrados, transformadores, inductores, capacitores etctera. La figura 2.12 indica que los capacitores de tipo electroltico (No.1) son los elementos ms propensos a fallar y aportan la mayor contribucin a la tasa de fallo global. En orden de importancia le siguen los dispositivos de conmutacin (No.2), Circuitos integrados (No.3) y capacitores cermicos (No. 4).

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Figura 2.12. Tasa de fallo de componentes en convertidores de potencia.

As pues, para alargar la vida til del convertidor, es imprescindible una bsqueda minuciosa en materia de dispositivos semiconductores, sobre todo en cuestin de encapsulados; y tambin de elementos pasivos, principalmente en capacitores de tipo electroltico. Todo esto con la finalidad de explotar las nuevas tecnologas, en donde se han logrado avances importantes en lo que atae al desempeo trmico [27].

Resulta curioso el hecho de que en numerosos artculos no se consideren las mejoras que ha sufrido el sector de los dispositivos electrnicos con el paso de los aos [27, 28, 29] llegndose incluso, en muchas ocasiones, a subestimar su desempeo. Un claro ejemplo de esto son los capacitores electrolticos. En el capitulo 5 se presentan una serie de clculos cuya intencin es demostrar que resulta viable el recurrir a capacitores de tipo electroltico en aplicaciones como la que persigue este trabajo. 2.8. Topologias para mdulos de CA

Gran parte de este trabajo se enfoc en la bsqueda y, en la medida de lo posible, el estudio de las topologas reportadas en la literatura. Esto se hizo as con la finalidad de identificar los problemas asociados con la implementacin de los mdulos de CA, y de establecer un criterio para seleccionar la topologa que mejor satisficiera los requerimientos de los sistemas fotovoltaicos tipo mdulos de CA. Los requisitos mnimos con los que debe cumplir un mdulo de CA se establecieron y definieron a lo largo de este captulo. A modo de resumen se presentan a continuacin en forma de lista.

Seguimiento del MPP

Tiempo de vida til de al menos 10 aos

Evitar el efecto de islanding

Protecciones contra variaciones en la tensin y frecuencia de la red elctrica

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Mantener un compromiso con la densidad de potencia

Calidad de la forma de onda generada de acuerdo a los estndares existentes

Mantener un compromiso con la eficiencia total del sistema de generacin

Funciones de desacoplamiento de potencia

Tensin en el bus de CD que alimenta al inversor en todo momento superior a la tensin existente en la red.

En un principio se estableci que el mdulo de CA estara conformada por una o dos

etapas de conversin de energa; sin embargo, despus de revisar algunas de las topologas existentes en la literatura (alrededor de 15), se encontr que muchas de ellas no satisfacen los requisitos bsicos de un sistema fotovoltaico con mdulos de CA. Algunas no cuentan con un seguimiento eficiente del MPP, o parten de variables de entrada relativamente ms favorables (p.e. tensiones de entrada alrededor de 50V) reduciendo as el nmero de convertidores necesarios para elevar la tensin. Tambin se recurre a elementos como los capacitores electrolticos que amenazan la longevidad del inversor. Adems, muchas de las topologas pueden resultar engaosas si se les considera slo desde el punto de vista de los convertidores de potencia. ya que la electrnica extra necesaria para implementarlas puede resultar ms compleja que otras topologas no tan atractivas a primera vista. Para seleccionar la topologa adecuada es necesario un criterio que permita descartar las topologas menos apropiadas. Evidentemente, no se puede ser muy inflexible al momento de evaluar las topologas, ya que difcilmente existir alguna que cumpla con todos los parmetros establecidos en el criterio de seleccin. Los puntos que se definieron para realizar la seleccin de la topologa son los siguientes: Cumplimiento de los requerimientos que exigen los sistemas fotovoltaicos

Compromiso con la densidad de potencia

Sencillez en el principio de operacin

Facilidad de implementacin

Confiabilidad de la topologa

Aplicacin de algunos criterios de diseo basados en confiabilidad (v.g.: esfuerzos en semiconductores, tipo de capacitores, cantidad de circuitos integrados, etctera).

La aplicacin de los puntos establecidos anteriormente al total de las topologas revisadas dio

origen a las siguientes cuatro propuestas: Propuesta 1

Se recurre a un convertidor elevador para realizar el seguimiento del MPP y a un inversor puente completo para generar la forma de onda sinusoidal que se inyectar a la red elctrica, ver figura 2.13.

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Figura 2.13. Convertidor elevador mas inversor puente completo.

Esta propuesta permite dos formas de operacin; la primera consiste en operar el convertidor

elevador en modo de conduccin continua y al inversor puente completo bajo alguno de los muchos esquemas de modulacin PWM; la segunda consiste en operar el convertidor elevador de tal forma que genere a su salida una onda de corriente con la forma de una sinusoide rectificada, algo similar a lo que se hace en la correccin del factor de potencia, y utilizar el inversor puente completo para desdoblar dicha forma de onda.

El inconveniente de la propuesta radica en la limitada capacidad del convertidor elevador para incrementar la tensin en el bus que alimenta al inversor. En la prctica, el convertidor elevador pierde su capacidad de elevar tensin cuando el valor del ciclo de trabajo supera el 80% [32], ver figura 2.14.

Figura 2.14. Comportamiento de la ganancia en el convertidor elevador.

La solucin a esta dificultad est en la eleccin del panel fotovoltaico. ste debe presentar un nivel de tensin en terminales superior a los 50V.

Propuesta 2

Esta consiste en la conexin en cascada de dos convertidores elevadores operando en modo de conduccin continuo, los cuales, de manera conjunta, realizan el seguimiento del MPP. La generacin de la onda de corriente que se inyecta a la red elctrica corre por cuenta de un inversor puente completo que puede gobernarse con alguno de los mltiples esquemas de modulacin existentes, ver figura 2.15.

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Figura 2.15. Dos convertidores elevadores en cascada ms inversor puente completo.

Esta topologa se puede aplicar a paneles fotovoltaicos que presentan niveles de tensin

inferiores a los 50V; el inconveniente, desde luego, es que consta de tres etapas de conversin de energa, lo que puede deteriorar de manera importante la eficiencia del sistema fotovoltaico; adems, si no se eligen adecuadamente los componentes, la densidad de potencia tambin puede verse afectada. Propuesta 3

Esta propuesta se encuentra conformada por un convertidor push-pull alimentado en corriente, a cargo del seguimiento del MPP, y de un inversor puente completo que generar la forma de onda de corriente que se inyectar a la red elctrica, ver figura 2.16.

Figura 2.16. Push-Pull alimentado en corriente ms inversor puente completo.

Esta topologa permite las mismas dos formas de operacin que la propuesta 1 y no presenta

problemas relacionados con la elevacin de tensin gracias a la presencia del transformador, lo que permite la conexin de paneles fotovoltaicos con tensiones inferiores a los 50V. Esta propuesta, aunque consta de slo dos etapas de conversin de energa, requiere prcticamente el mismo nmero de componentes que la propuesta 2, por lo que los detalles relacionados con la eficiencia y densidad de potencia se encuentran latentes. Propuesta 4

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La ltima propuesta consiste en una modificacin del convertidor elevador tradicional. La

modificacin permite ganancias ms elevadas (la misma que los dos convertidores elevadores en cascada) para el mismo valor de ciclo de trabajo que el convertidor elevador original con un solo interruptor. El convertidor elevador modificado, operando en modo de operacin continua, se encarga de realizar el seguimiento del MPP mientras que el inversor puente completo, como en las propuestas anteriores, se encarga de producir la forma de onda de corriente que se inyectar a la red, ver figura 2.17.

Figura 2.17. Convertidor elevador modificado mas inversor puente completo.

Debido a la ganancia que se logra, es posible trabajar con paneles fotovoltaicos que presenten tensiones inferiores a los 50V en sus terminales. Sin embargo, esta topologa tambin puede resultar engaosa desde la ptica de la eficiencia y la densidad de potencia ya que, a pesar de ser de dos etapas, el nmero de elementos requerido para su implementacin es muy similar al de las propuestas 2 y 3. Por otra parte, el interruptor se encuentra sometido a una combinacin de esfuerzos de tensin y corriente que resultan menos convenientes que en las topologas mostradas en las propuestas 2 y 3, lo que podra impactar desventajosamente en la confiabilidad. 2.9. Referencias [1] Muhammad H. Rashid. Power electronics Handbook, Academic Press, 2001. [2] Frede Blaabjerg. Power Electronics as Efficient Interface in Dispersed Power

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37

CAPTULO 3 SELECCIN Y DISEO DEL

MDULO DE CA

En este capitulo se selecciona y disea la topologa que dar origen al mdulo de CA. El diseo se har con la intencin de que el mdulo sea capaz de manejar la potencia mxima que el panel fotovoltaico pueda proveer. Esto ltimo puede resultar obvio; sin embargo, algunos autores manejan la conveniencia de involucrar en el diseo los estudios climatolgicos de la zona en donde operar el sistema FV, con la finalidad de dimensionar mejor el diseo. Evidentemente, esto se refiere a la potencia de operacin, lo que se traducira en una mejor seleccin de componentes y mejoras en la eficiencia. Claro est que este enfoque resulta poco prctico.

Resulta complicado establecer los parmetros de diseo del mdulo de CA propuesto, ya que

debe manejar un margen relativamente amplio de potencia. Adems, dependiendo de las condiciones climticas del sitio en donde se instale el sistema fotovoltaico, se puede llegar, o no, a trabajar con la mxima potencia que el panel fotovoltaico es capaz de proveer. 3.1. Especificaciones del panel fotovoltaico C 125PI Como punto de partida es necesario atender a las especificaciones del panel fotovoltaico con el que se va a trabajar, el modelo C125PI de Conergy. Con base en ellas se seleccionar la topologa que mejor satisfaga los requerimientos listados en el apartado 2.8. Las caractersticas relevantes se muestran en la tabla 3.1. En el apndice C, ubicado dentro del disco, se encuentra la ficha tcnica del panel mencionado.

Tabla 3.1. Caractersticas del panel fotovoltaico.

Datos tcnicos Conergy C 125PI Potencia mxima (Pmax) 125W

Tensin MPP (Vmpp) 17.2V Corriente MPP (Impp) 7.3A

Tensin en circuito abierto (Voc) 21.7V Corriente de cortocircuito (Isc) 8.14A

38

Resulta interesante observar que la tensin mxima disponible en las terminales del panel

fotovoltaico es de 17.2V, lo que puede resultar un inconveniente en el caso de utilizar un inversor de fuente de voltaje (Voltage Source Inverter) sin transformador, ya que, para poder inyectar corriente a la red, la tensin en el bus de CD siempre debe ser superior a la tensin pico de la red elctrica, para nuestro caso 180V. Asumir, por ejemplo, un bus de CD de 220V implica elevar la tensin en las terminales del panel en un factor de 13.

Otro aspecto que salta a la vista es la corriente que es capaz de entregar el panel y que, aunque

no es muy elevada, puede crear dificultades relacionadas con el aspecto de la densidad de potencia, ya que los elementos magnticos y disipadores de calor pueden resultar voluminosos. 3.2. Seleccin de la topologa

En el apartado 2.8 se presentaron 4 opciones que pudieran dar origen al prototipo que se desea construir; por la caracterstica de baja tensin que ofrece el panel FV, la primera propuesta automticamente queda descartada. Por su parte la propuesta 4, aunque ofrece la ventaja de utilizar un interruptor, tiene el detalle de que la combinacin de esfuerzos de tensin y corriente que sufre el interruptor resulta menos confiable que las exhibidas por las propuestas 2 y 3, lo que seguramente llevar a la seleccin de encapsulados ms grandes y, posiblemente, tambin a requerir un disipador de calor de mayor tamao.

Es difcil decidir a priori entre las topologas 2 y 3, ya que para ello sera necesario realizar un

anlisis ms completo que establezca los pros y contras entre estas dos topologas. No obstante, al final se opt por la propuesta 2, que se muestra nuevamente en la figura 3.1, debido a las siguentes razones:

a) La primera se debe a que, en la revisin del estado del arte, con frecuencia se encontr que

las topologas que recurren a transformadores reportan una menor eficiencia que las topologas que no requieren de estos elementos [2].

b) En otras instituciones del pas se ya se estudia la problemtica alrededor de los mdulos de

CA con topologas que recurren a transformadores de alta frecuencia.

c) La segunda radica en que el diseo de un convertidor elevador resulta ms sencillo que el de un push-pull alimentado en corriente.

En los apartados siguientes se muestran el diseo de las tres etapas de la propuesta seleccionada y una serie de simulaciones cuya intencin, desde luego, es mostrar que la idea propuesta para el mdulo de CA es funcional, y poder as proseguir con la construccin del prototipo.

39

Figura 3.1. Convertidores elevadores en cascada ms inversor puente completo.

3.3. Tercera etapa: El Inversor

En el captulo 2 se estableci la relacin existente entre la potencia proveniente del panel fotovoltaico y la que se transfiere a la red elctrica, y es precisamente el inversor el encargado de lidiar con esta relacin. As pues, para poder establecer los parmetros de diseo para los convertidores CD/CD, es necesario iniciar el diseo del mdulo de CA partiendo de la corriente que se inyecte a la red y, por ende, del inversor mismo.

En esta seccin se presenta el diseo de un control por banda de histresis con modulacin de

dos y tres niveles para el inversor. Adems, se establecen las ventajas y desventajas que ofrece este tipo de control en sistemas fotovoltaicos tipo mdulos de CA.

3.3.1. Seleccin de la estrategia de control

En el apartado 2.5 se estableci que el control en modo corriente ofrece mayores ventajas en aplicaciones como la que persigue este trabajo. A su vez, los controladores que basan su comportamiento en bandas de histresis (control no lineal) reportan un mejor desempeo que los controladores lineales.

La regulacin de corriente mediante banda de histresis para sistemas monofsicos a menudo utiliza una modulacin de dos niveles, debido principalmente a que la electrnica requerida para generar las seales de control es muy sencilla. Sin embargo, se sabe que el contenido armnico de la modulacin de dos niveles es inferior al producido por la modulacin de tres niveles [3, 4], lo que obviamente resulta perjudicial desde el punto de vista de la calidad de la onda de corriente que se inyectar a la red elctrica. Otra razn para optar por una modulacin de tres niveles es que la frecuencia mxima de conmutacin en el inversor es menor que la que se obtiene con la modulacin de dos niveles para el mismo inductor de salida. 3.3.2. Modulacin de dos niveles

Si esta estrategia se usa para generar la corriente que habr de inyectar a la red elctrica un inversor como el de la figura 3.2 a travs de un inductor, entonces la frecuencia de conmutacin

40

puede determinarse de la siguiente manera. Segn la figura 3.2, en cualquier instante la razn de cambio de la corriente de fase est dada por la expresin 3.1, donde es la tensin en el bus de CD, es la tensin de la red elctrica y L es el inductor a la salida del inversor.

CDV

LineV

LVV

tI

dtdI LineCD =

= (3.1)

Figura 3.2. Formas de onda tpica de una modulacin de dos niveles.

Un ciclo de conmutacin abarca de . De se tiene que = +V, Tt 10 10 t CDV I =B y = . Por lo tanto de la expresin 3.1 obtenemos: t 1t

LineCD VVBLt

=1 (3.2)

Para el intervalo que va de se tiene que = -V, Tt 1 CDV I =-B y t = T- . Por lo tanto, de

la expresin 3.1 obtenemos: 1t

LineCD VVBLtT

= 1 (3.3)

Combinando las expresiones 3.2 y 3.3 se obtiene la expresin que define el periodo y por ende

a la frecuencia de conmutacin. Esta queda definida por la siguiente expresin.

BLVVVfs

CD

LineCD

2

22 = (3.4)

41

Tomando la derivada de la frecuencia de conmutacin con respecto a la tensin de la lnea se obtiene que la frecuencia de conmutacin mxima ocurre cuando = 0. De esta manera la frecuencia de conmutacin mxima queda definida por la expresin 3.5.

LineV

BLVfs CDMAX 2

= (3.5)

3.3.3. Modulacin de tres niveles

La frecuencia de conmutacin para un inversor de tres niveles se obtiene de manera similar, ver figura 3.3.

Figura 3.3. Formas de onda tpicas de una modulacin de tres niveles.

La expresin 3.1 conserva su validez independientemente de la estrategia de modulacin

utilizada. Un ciclo de conmutacin va de . De se tiene que = 0, Tt 10 10 t CDV I =-B y = . Por lo tanto, de la expresin 3.1 obtenemos: t 1t

LineVBLt

=1 (3.6)

Para el intervalo que va de se tiene que = +V, Tt 1 CDV I =B y t = T- . Por lo tanto, de

la expresin 3.1 obtenemos: 1t

LineCD VVBLtT

= 1 (3.7)

Combinando las expresiones 3.6 y 3.7 se obtiene la expresin que define el periodo y por ende

a la frecuencia de conmutacin para una modulacin de tres niveles, definida por la siguiente expresin.

42

( )BLV

VVVfsCD

LineCDLine = (3.8)

Tomando la derivada de la frecuencia de conmutacin con respecto a la tensin de la lnea se

obtiene que la frecuencia de conmutacin mxima ocurre cuando = /2. De esta manera, la frecuencia de conmutacin mxima queda definida por la expresin 3.9.

LineV CDV

BLVfs CDMAX 4

= (3.9)

De las expresiones 3.5 y 3.9 se concluye que la frecuencia de conmutacin en un inversor de

tres niveles es menor que en la modulacin de dos niveles para el mismo inductor, ancho de la banda de histresis y nivel de tensin en el bus de CD. En la figura 3.4 se muestra grficamente el comportamiento de la frecuencia de conmutacin para ambos esquemas de modulacin a lo largo de un ciclo de lnea.

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.0180

1

2

3

4

5

6

7x 104

Tiempo [s]

Frec

uenc

ia d

e C

onm

utac

ion

[Hz] Modulacin de

dos niveles

Modulacin de tres niveles

Figura 3.4. Frecuencia de conmutacin en la modulacin de 2 y 3 niveles.

Es necesario recalcar el hecho de que, en las grficas anteriores, se asumi que la tensin en el

bus de CD permanece constante. Ya se mostr que en inversores monofsicos que interactan con la red elctrica esto no siempre sucede, por lo que, para tener una mejor aproximacin del comportamiento de la frecuencia de conmutacin bajo el esquema de control por banda de histresis, se sustituy la expresin 2.10, que define el comportamiento variable de la tensin en el bus de CD para un valor de capacitancia de 15uF, en las expresiones 3.4 y 3.8. La figura 3.5 muestra el comportamiento de la frecuencia de conmutacin para ambos esquemas de modulacin con esta modificacin.

43

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.0160

1

2

3

4

5

6

7x 104

Tiempo [s]

Frec

uenc

ia d

e C

onm

utac

ion

[Hz]

Modulacin de dos niveles

Modulacin de tres niveles

Figura 3.5. Frecuencia de conmutacin con tensin variable en el bus de cd.

Al comparar las figuras 3.4 y 3.5 se puede apreciar un ligero incremento en la frecuencia de conmutacin para la modulacin de tres niveles; sin embargo, este no resulta demasiado grande como para causar alguna preocupacin. Generacin de los tres niveles

Para agregar el tercer nivel (cero) a la forma de onda de tensin que entrega un inversor puente completo como el de la figura 3.6, es necesario modificar la manera en que se comandan los interruptores.

Figura 3.6. Inversor puente completo monofsico.

La tabla 3.2 muestra todos los posibles estados (validos) en los que pueden estar los

interruptores que conforman el inversor de la figura 3.6. Ahora bien, mientras que para generar una forma de onda de dos niveles slo es necesario utilizar los estados 1 y 2, para generar el tercer nivel es necesario trabajar con los estados 1, 2, 3 y 4.

Tabla 3.2. Estados de los interruptores en un inversor puente completo monofsico.

Estados de los interruptores Estado Tensin de salida

44

A+ A- B+ B- (Vo) 1 0 0 1 1 VCD 0 1 1 0 2 - VCD 1 0 1 0 3 0 0 1 0 1 4 0 0 0 0 0 5 HiZ

Sean CH la salida del comparador de histresis, y ZC una seal que indica si la tensin de la red elctrica se encuentra en el semiciclo positivo o en el negativo. La tabla 3.3 indica el estado en que se deben encontrar los interruptores del inversor de la figura 3.6, dependiendo del estado de los parmetros CH y ZC. Con base en esta tabla se obtiene el circuito lgico encargado de controlar los interruptores A+, A-, B+ y B- para generar los tres niveles.

Tablas 3.3. Tabla de verdad para el diseo de la lgica de control. CH ZC A+ A- B+ B- 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1

Las funciones lgicas para las seales de mando a los transistores son las siguientes:

A+ = ZCCHZCCH +_____

A- = ZCCHZCCH + B+ = ZCCHZCCH + B- = ZCCHZCCH +

En la figura 3.7 se muestra la electrnica encargada de controlar los interruptores del inversor. Est conformada por un comparador de histresis, un detector de cruce por cero y los circuitos lgicos resultantes de la tabla 3.3. Iref e Isens son tensiones que representan la corriente de referencia y la corriente que el inversor inyecta a la red elctrica respectivamente, obtenida esta ltima del sensor de corriente.

45

Figura 3.7. Circuito electrnico encargado del control del inversor. 3.3.4. Simulaciones del inversor

Considrese que el panel fotovoltaico se encuentra en el mayor MPP posible, que es la condicin en la que se encontraran disponibles los 125W, y que no existen prdidas de potencia en ninguna de las etapas de conversin. Recurriendo a la expresin 2.4, se tiene que el inversor del sistema fotovoltaico propuesto tiene la capacidad de generar una sinusoide de corriente con una amplitud mxima de 1.4A aproximadamente.

En el bus de CD se aplicar una tensin de 220V; para la red elctrica se considera una sinusoide con amplitud de 180V a una frecuencia de 60Hz, y el ancho de la banda de histresis ser de 0.4. Con la finalidad de mantener el inductor a la salida del inversor (L) en un tamao aceptable se propone una frecuencia de conmutacin mxima de 35Khz, lo que nos da un inductor de 4mH aproximadamente. La figura 3.8 muestra el diagrama esquemtico realizado en PSIM para las simulaciones relacionadas con el inversor.

46

Figura 3.8. Diagrama esquemtico del inversor elaborado en PSIM.

En la figura 3.9 se muestran la corriente que inyecta el inversor a la red elctrica, sincronizada con la onda de tensin de la red, y la tensin de tres niveles presente a la salida del inversor. La amplitud de la onda de corriente inyectada, como ya se dijo anteriormente, queda establecida por la variable Iref; para el caso de la simulacin Iref tiene una amplitud de 1.4V.

47

Figura 3.9. Formas de onda a la salida del inversor.

Segn el anlisis anterior, se sabe que la frecuencia de conmutacin mxima ocurrir cuando

la tensin de la lnea tenga un valor de Vcd/2; es decir, 110V. Cuando la tensin de la lnea alcanza los 110V se tiene una frecuencia de conmutacin de 35Khz, tal y como se propuso en el diseo. Esto se muestra en la figura 3.10.

Figura 3.10. Frecuencia de conmutacin mxima del inversor.

Finalmente, la figura 3.11 ilustra el contenido armnico de la corriente inyectada. Prcticamente no se perciben componentes de orden superior al de la fundamental, que es de 60Hz, con una amplitud de 1.4A.

48

Figura 3.11. Contenido armnico de la corriente inyectada a la red. 3.4. Conexin en cascada de convertidores elevadores

Para continuar con el diseo del mdulo de CA es necesario saber qu sucede tanto con la corriente como con la tensin a la entrada del inversor, ya que ambas variables son proporcionadas por la conexin de los dos convertidores CD/CD. La figura 3.12 muestra la forma de onda de la corriente a la entrada del inversor. Como se puede apreciar, sta tiene la forma de una sinusoide rectificada. Esta forma de onda tiene una amplitud ligeramente superior a la de la corriente inyectada a la red, es decir, 1.4A, y presenta un valor promedio de 555mA.

49

Figura 3.12. Corriente a la entrada del inversor puente completo.

En las simulaciones la tensin se fij de manera arbitraria a 220V. Sin embargo, no hay que olvidar que la tensin en el bus de CD depender de la ubicacin del MPP. Ahora bien, si consideramos que los convertidores elevadores slo proporcionan el nivel de tensin constante en el bus de CD, ver ecuacin 2.10, y que adems no existen prdidas de potencia en ellos, tenemos que la relacin entre la corriente promedio obtenida (555mA) y la corriente que se demanda a la fuente (7.3A), ver apartado 3.1, da una ganancia en corriente de 0.076. Como la tensin de entrada a los convertidores CD/CD es de aproximadamente 17V, ver apartado 3.1, obtenemos que la tensin en el bus de CD debe estar alrededor de 225V. No est de ms recalcar que esta combinacin de tensin y corriente promedio a la entrada del inversor corresponden al mximo MPP que puede lograr el panel fotovoltaico.

Procediendo de manera similar se desarroll la tabla 3.4 para diferentes niveles de potencia

fotovoltaica disponible (Ppv), con la finalidad de poder establecer referencias de comparacin con simulaciones posteriores y tener una mejor idea de cmo se comporta la tensin en el bus de CD, ya que esta tensin se encuentra ntimamente ligada a la ganancia que deben proveer ambos convertidores CD/CD.

Tabla 3.4. Simulaciones para diferentes niveles de potencia de entrada. Ppv [W] Ired [A] Ibus_CD [A] Vbus_CD [V]

125 1.4 0.555 225 110 1.22 0.477 230 100 1.11 0.434 230 90 1 0.391 230 80 0.89 0.348 229

50

70 0.77 0.301 232 60 0.66 0.258 232 50 0.55 0.215 232

Para nomenclatura ver fig. 3.8. 3.4.1. Diseo de la primera etapa

Para el primer convertidor elevador lo primordial es conseguir un rizo de corriente de entrada reducido, con la finalidad de seguir al MPP de manera ms eficiente. Por esta razn se propone una amplitud para el rizo de 5 y 10% de la corriente de entrada. En principio, el rizo de tensin a la salida del convertidor no es tan importante ya que el producto final de la etapa de potencia es una forma de onda de corriente y, como se ver en simulaciones posteriores, el rizo de tensin en el bus de CD no afecta de manera crtica el desempeo del inversor.

Las expresiones utilizadas en el diseo del convertidor elevador, el que se muestra en la

figura 3.13, son las siguientes [5, 6, 7].

Figura 3.13. Convertidor elevador

out

in

VVD = 1 (3.10)

fsiDVL

L

in

= (3.11)

fsVVDPC

outout

out

= (3.12)

( )DVDPI

out

outQ =

1 (3.13)

out

outD V

PI = (3.14)

LfsDV

DIi inoutpk 21

+

= (3.15)

Partamos de que en el bus de CD se deben tener 225V y 555mA (valores promedio) cuando el sistema fotovoltaico se encuentra operando en el mximo MPP, ver tabla 3.4. Esto indica que la conversin CD/CD debe lograr una ganancia de 13, ya que la tensin en el mximo MPP es de 17.2V. Adems, la seal de control que se aplica a ambos convertidores elevadores es la misma;

51

tambin se considerar que no hay prdidas de potencia. Los requerimientos del primer convertidor elevador quedan definidos de la siguiente manera:

Vin = 17.2V (Vmpp)

Ganancia = 3.61

Vout = 62.2V

Po = 125W

Vout = 5V

Iin = 5% y 10% de Iin

fs = 100kHz

Los resultados del diseo se muestran en la tabla 3.5.

Tabla 3.5. Resultados del diseo del primer convertidor elevador. Iin %D L1 C1 I_Q1 I_D1 Ipk 5% 72.3 340uH 3uF 5.2A 2.06A 7.44A 10% 72.3 172uH 3uF 5.2A 2.06A 7.6A

3.4.2. Diseo de la segunda etapa

El segundo convertidor contribuye con la elevacin de la tensin de salida de la primera etapa a un nivel superior al pico de la forma de onda de tensin de la red elctrica (180V). En esta etapa el rizo de corriente ya no es relevante, por lo que se pueden proponer variaciones de corriente ms grandes con la finalidad de reducir el tamao del inductor. Los requerimientos de esta etapa son:

Vin = 62.2V

Ganancia = 3.61

Vout = 225V

Po = 125W

Vout = 10V

In = 10% de Iin

Los resultados se muestran en la tabla 3.6.

Tabla 3.6. Resultados del diseo del segundo convertidor elevador. Iin %D L2 C2 I_Q2 I_D2 Ipk 10% 72.3 2.2mH 400nF 1.45A 0.555A 2.11A

52

Cabe mencionar que el capacitor de la tabla anterior no ser capaz de realizar la tarea de desacoplamiento de potencia, por lo que deber reemplazarse por un valor ms apropiado. El clculo de este valor de capacitancia se presenta en el apartado 3.6.

3.4.3. Seguimiento del punto de mxima potencia

Idealmente, la conexin en cascada de ambos convertidores elevadores transferir toda la potencia disponible en el panel fotovoltaico a la entrada del inversor, por lo que la seal de control producida por el mecanismo encargado de realizar el MPP se aplicar a ambos convertidores elevadores.

Para el seguimiento del MPP se opt por el mtodo de Perturbar y Observar, la principal razn

es la sencillez que ofrece su implementacin. Adems, el realizar el seguimiento del MPP directamente desde las terminales del panel fotovoltaico provee al sistema de inmunidad ante las oscilaciones existentes en el bus de CD. Esto resulta benfico, ya que permite que el valor de capacitancia en el bus de CD se reduzca y que el seguimiento del MPP se haga con mayor eficiencia. Mtodo de Perturbar y Observar

Este mtodo relaciona los cambios en la potencia del mdulo FV con cambios en la variable de control del convertidor encargado de extraer la potencia al mdulo. Este algoritmo es muy popular debido a que no requiere de un estudio previo o de un proceso de modelado de las caractersticas de la fuente; adems, puede lidiar con fenmenos como envejecimiento de la celda u ocurrencias de sombreado La figura 3.14 muestra el diagrama de flujo correspondiente al algoritmo de este mtodo en una de sus formas ms simples.

53

Figura 3.14. Algoritmo del mtodo perturbar y observar.

Naturalmente, existen algoritmos ms sofisticados como los propuestos en [8, 9]; sin embargo, para los fines de este trabajo el algoritmo bsico de la figura 3.14 es suficiente.

3.4.4. Simulaciones del MPPT

Una vez diseados los convertidores elevadores y descrito el mecanismo que se utilizar para seguir el MPP, resulta conveniente ejecutar una serie de simulaciones que muestren la operacin de esta parte del mdulo de CA. La figura 3.15 muestra el diagrama esquemtico utilizado para las simulaciones de este apartado.

Figura 3.15. Diagrama esquemtico para realizar el MPPT.

54

Por facilidad y falta de disponibilidad de curvas que describan la forma en la que se comporta

el panel fotovoltaico, la tensin en las terminales de ste se mantiene constante en todas las simulaciones (17.2V), salvo que se indique lo contrario, y el parmetro que se vari fue la potencia disponible Pref que es el set point, ver figura 3.15. Para empezar, la figura 3.16 muestra el aspecto de la corriente que se extraera del panel en el mximo MPP; esta corriente tiene un valor promedio de 7.26A, valor muy cercano al 7.3A que se encuentra en las especificaciones del panel. Esto indica que se estaran extrayendo los 125W del panel fotovoltaico.

Figura 3.16. Corriente demandada a la fuente.

Otro aspecto de inters en esta seccin de simulaciones consiste en ver la forma en la que se transfiere la potencia del panel hacia la carga, ya que, en simulaciones posteriores, dicha carga se sustituir con el inversor. La figura 3.17 muestra la corriente en la resistencia de carga, con un valor promedio de 555mA, valor que coincide con el de las simulaciones del inversor para la misma cantidad de potencia disponible, ver tabla 3.4.

55

Figura 3.17. Corriente en la resistencia de carga.

Procediendo de manera similar, se llen la tabla 3.7 para diferentes niveles de potencia fotovoltaica disponible, con la finalidad de establecer una comparacin con los requerimientos a la entrada del inversor de la tabla 3.4.

Tabla 3.7. Resultados de la simulacin del MPPT. Ppv[W] Vout [V] Ipv[A] R_carga [ohms] Iout [A]

125 225 7.26 405 0.555 110 230 6.39 480.9 0.478 100 230 5.8 529 0.435 90 230 5.23 587.77 0.390 80 229 4.65 655.51 0.349 70 232 4.06 768.91 0.301 60 232 3.48 897.01 0.258 50 232 2.9 1076.48 0.213

Para nomenclatura ver fig. 3.15.

Comparando la corriente promedio que demanda el inversor Ibus_CD, ver tabla 3.4, con la corriente promedio que entrega la conexin en cascada de convertidores elevadores para el mismo nivel de potencia Iout, ver tabla 3.7, se puede afirmar que los convertidores CD/CD, en conjunto con el mecanismo para seguir el MPP propuesto, tienen la capacidad de alimentar la terminales del inversor de manera apropiada.

56

3.5. Desacoplamiento de potencia

En el captulo 2 se establecieron los conceptos relacionados con este fenmeno, as como las consecuencias que puede traer el realizar esta tarea de manera inadecuada (ver apartados 2.2 y 2.2.2). Para lograr el desacoplamiento de potencia en el mdulo de CA se opt por el mtodo pasivo que, como ya se mencion, consiste en colocar un capacitor de valor adecuado en el bus de CD. Este capacitor absorber la diferencia entre la energa generada por el panel y la que se transfiera a la red elctrica. Capacitancia en el bus de CD

Utilizando la expresin 2.11, (vase el capitulo 2), se puede calcular de manera aproximada la capacitancia necesaria en el bus de CD. Se considerar que la potencia disponible es de 125W, que la frecuencia de la lnea es de 60Hz, que la tensin en el bus de CD es de 225V; si se permite que la amplitud de las oscilaciones en ste sean de 30