Control de convertidor DC/DC para carga de Batería en Sistemas

Control de convertidor DC/DC para carga de
Batería en Sistemas Fotovoltaicos de Potencia
J.A. Ravelo, S. de Pablo, A. B. Rey, y S. Lorenzo
Departamento de Tecnología Electrónica. Universidad de Valladolid. Valladolid (España).
E-mail: jangel, sanpab @ dali.eis.uva.es
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+34 983 42 33 10
Resumen
La interconexión de un generador fotovoltaico y una
batería, conduce al punto de trabajo que resulta de
interceptar las características I-V de ambos. En general
este punto no tiene que coincidir con el de máxima
potencia del generador y, por ello, es necesario diseñar un
sistema de control para determinar el punto de operación
en el que trabajará el generador fotovoltaico para cada
Estado De Carga (EDC) de la batería. El objetivo de este
artículo es mostrar el algoritmo de control de un
convertidor DC/DC tipo booster cuyos resultados se
muestran a continuación.
1. Introducción
mundo de los sistemas fotovoltaicos, tales posibilidades
se reduzcan a la acumulación electroquímica, es decir, a
la batería recargable [2,6]. Las aplicaciones fotovoltaica
en el sector residenciales han sido tratadas en [5].
2. Configuración del sistema Solar
El circuito empleado en nuestro caso se muestra en
la Figura 1. El sistema consiste en emplear la energía
producida por los paneles solares para realizar la carga
de batería en función de su estado de carga (EDC) y el
suministro de energía a la carga alimentada por el
convertidor DC/AC, para ello se emplea un convertidor
elevador o booster.
El comienzo en 1974 de las ventas de módulos
fotovoltaicos destinados al mercado terrestre, han crecido
espectacularmente y su precio ha ido decreciendo.
L
Vsol
Desde el punto de vista técnico, los avances
tecnológicos de los últimos años han sido excepcionales.
Las eficiencias de las células en laboratorio han crecido
desde 15,5% hasta 24,2% en 1990 para células de silicio
a 1 sol [1].
Una parte significativa de la producción
fotovoltaica se destina a aplicaciones donde ni la
fiabilidad ni la estabilidad son importantes (relojes,
juguetes, calculadoras, etc.). Otras aplicaciones como el
bombeo de agua y la electrificación de lugares aislados
de la Red están llamados a constituir el grueso del
mercado, puesto que es en este sector donde la
tecnología fotovoltaica representa la mejor solución
posible en términos económicos.
Para los sistemas aislados de Red existe un amplio
abanico de posibles acumuladores de energía (volantes
de inercia que acumulan energía cinética, depósitos de
agua que acumulan energía potencial, etc.). Sin embargo,
las disponibilidades del mercado actual hacen que para el
Vcc
Isol
Icc
IL
Solar
Array
Ibat
+
Ce
Current Feedback
+
IGBT
Gate Drive
Digital Signal
Processor
Cb
+
Vbat
Current Feedback
Voltage Feedback
Analog /digital
circuit
Figura 1. Circuito para carga de batería en sistemas
fotovoltaicos
2. Características de la célula solar
De acuerdo con la ecuación (1), la corriente
eléctrica suministrada por una célula solar a una carga
viene dada por la diferencia entre la fotocorriente Ig y la
corriente de recombinación o de diodo ID(V), debida a la
polarización producida por el voltaje generado [1].

 q
(Vo + I o Rs ) − 1
I o = I g − I sat  exp 
 AKT
 

(1)
donde Isat es la corriente inversa de saturación, q es la
carga eléctrica, A es un factor adimensional, K es la
constante de Boltzmann, T es la temperatura en °K, Rs es
la resistencia en serie de las células.
La ecuación (1) nos permite obtener mediante
simulaciones en PC las características I-V de un panel
solar (Fig. 2).
ácido. Con menor frecuencia se utilizan baterías de
níquel-cadmio. Algunas veces, en vez de almacenar
energía, se recurre a almacenar directamente al producto
final del sistema: agua en los sistemas de bombeo, por
poner un ejemplo.
En nuestro caso el sistema de acumulación esta
constituido por una batería electroquímica de plomo
ácido. Es el tipo de batería más ampliamente utilizada, a
pesar de su baja densidad de energía, y constituye más
del 90% del mercado. Tiene a su favor su bajo coste, la
sencillez de fabricación, alta densidad de potencia y un
amplio rango de temperatura de operación.
Durante el proceso de descarga la energía química
almacenada en un acumulador plenamente cargado se
convierte en energía eléctrica. La caracterización de la
descarga en general se realiza a una corriente constante
produciéndose una disminución del voltaje, densidad y
estado de carga (EDC).
La carga es el proceso inverso a la descarga,
produciéndose la conversión de energía eléctrica en
energía potencial química por el paso de una corriente
directa.
Para obtener un rendimiento óptimo de operación
de la batería y un mayor tiempo de vida se necesitan
operar en unas condiciones apropiadas de carga.
En general la carga se realiza de una manera
controlada, verificando el voltaje, la temperatura y la
corriente de carga. En aplicaciones solares debido a
variaciones de insolación, puede resultar difícil alcanzar
estas condiciones. El voltaje de circuito abierto en una
batería cargada suele ser de 2.14 V por elemento a 25°C
y la densidad del electrolito de 1.24 g/cm3.
Figura 2. Curvas I-V de un panel solar
Características eléctricas de los paneles seleccionados:
Tipo
Fabricante
Potencia Nominal (w +/- 10%)
Funcionamiento típico
Corriente de Cortocircuito
Tensión en Circuito abierto
Número de paneles en serie
Número de grupos de paneles
en paralelo
NM110G/12
HELIOS
110
6.42A/17.1V
7.4A
21.64V
17
16
3. Características del sistema de
acumulación
El acumulador de energía es el que adapta los
diferentes ritmos de producción y de demanda
almacenando energía en los momentos en que la primera
es superior a la segunda, y entregándola en el caso
contrario. En la mayoría de los sistemas está constituido
por un acumulador electroquímico, o batería, de plomo
Se definen tres tipos de carga: carga de
mantenimiento (flotación), (re)carga normal después de
una descarga y carga de igualación.
Para la simulación se ha utilizado un modelo de
comportamiento externo de batería donde se incluyen
relaciones que describen las variaciones de corriente,
tensión y temperatura descrito en [1].
Conocer el estado de carga de la batería es útil para
prevenir la sobrecarga o la sobredescarga y poder
gestionar adecuadamente la capacidad disponible. El
estado de carga puede determinarse por diversos métodos
(medida de los amperios-hora, densidad del electrolito,
tensión de circuito abierto, resistencia interna, tensión
de una célula auxiliar de referencia, presión en el fondo
de la batería, etc.), pero no existe actualmente un
método preciso y económico para la determinación del
estado de carga en todas las condiciones de operación.
Esto es debido a los diversos factores y procesos que
ocurren simultáneamente y pueden afectar las medidas,
como la temperatura, el grado de envejecimiento, el
gradiente
de
concentración
del
electrolito
(estratificación), etc.. En la Figura 3 se dan datos
aproximados del estado de carga en función del voltaje
de circuito abierto [1].
Start
Sense Ibat, Icc, Vcc, Vca
V / elem.
Vref1=<Vca<Vref2
2.08
No
2.03
tmi < Tdes
Yes
Ibref = Icc
No
1.97
10%
50%
Estado De Carga
Tcont > Tdisp
Tcont = 0
100%
IL > Ibref
Figura 3. Estado de carga en función del voltaje de
circuito abierto (datos de catálogo de baterías
TUDOR).
Yes
No
Yes
S=1
Ecuaciones de Planta
Características de la batería seleccionada:
Tipo
Fabricante
Capacidad Ah en C100
Tensión por elemento
Número de elementos en serie
2 TSE 55
ATERSA
172
2V
200
Sistema de Control
El diagrama de bloques del sistema de control se
muestra en la Figura 4. El control consiste en la
implementación de tres lazos, el interior determinada el
estado del polo, es decir, cada cierto tiempo fijo
(Tcon) el IGBT conduce (S = 0), esto hace que la
corriente por la bobina (IL) se incremente rápidamente,
cuando IL > Ibref (corriente de referencia) el IGBT es
bloqueado (S = 1) produciéndose una disminución de IL
a medida que se entrega a la batería.
El lazo intermedio provoca que cada un tiempo
(tmi) se modifique el valor de la corriente de referencia
(Ibref), de manera tal que este sea igual al valor de la
corriente demandada por la carga de alterna (Icc), de esta
manera la corriente de la batería (Ibat) toma valores
próximos a cero o entre Imín e Imáx, lo cual nos permite
considerar que la tensión de circuito abierto de la batería
(Vca) es igual a la tensión medida en ese instante. En
función del EDC la Ibref tomará determinados valores y
puede suceder que en algunos de los casos el cambio de
Ibref = Icc no provoque valores de Ibat entre Imín e
Imáx, para esto se implementa una variable (tmf) que
provoca el final de este lazo.
El tercer y último lazo compara el valor de la
tensión de circuito abierto con una tensión de
referencia (Vref1 = < Vca < Vref2) y determina el EDC
de la batería y el valor de la corriente de referencia
( Ibref).
Imín < Ibat < Imáx
No
No
Yes
Vca =Vcc
Tdes = 0
tmf > Tdes
Yes
Tdes = 0
Figura 4. Sistema de Control
El valor de la corriente de referencia (Ibref) es una
función del Estado De Carga de la batería, cuando la
batería tiene valor de EDC ≈ 0, la Ibref toma su máximo
valor (Icmáx) y cuando EDC ≈ 1.0, Ibref toma su valor
mínimo (Icmín) produciendo una corriente de
mantenimiento o flotación. Como inconveniente tenemos
la posibilidad de que se produzca conducción discontinua
o de que no se alcance el valor máximo de corriente bajo
condiciones de baja irradiancia.
6. Simulación
Las simulaciones que se muestran se han obtenido
para valores del circuito convertidor que se muestran en
la Tabla1.
L (mH) Ce (µ f) Cb (µ f) fc (kHz)
40
1000
68
1
Tabla1. Parámetros del convertidor
En condiciones de irradiancia nula (Ig = 0) el IGBT
se encuentra bloqueado y solo cuando la corriente de los
paneles (IL) supera determinado valor es que comienza
el funcionamiento del booster transfiriendo energía a la
carga formada por la batería y el convertidor DC/AC que
alimenta una carga alterna aislada de la red. En la Fig. 7
se observa que para valores de irradiancia nulos (Ig = 0)
es la batería quien aporta la energía demandada por la
carga. Cada cierto tiempo se mide la tensión de circuito
abierto de la batería para determinar su EDC y el valor
de la Ibref.
Figura 9. Comportamiento del booster para
variaciones del EDC.
Figura 7. Comportamiento del booster para
variaciones de irradiancia (Ig)
En la Figura 8 se observa que a medida que
aumenta la corriente demandada por el convertidor
DC/AC (Icc) aumenta la IL y con ella la Isol, esta
situación se produce porque se debe ir buscando el punto
de trabajo adecuado de los paneles. Se observa que la
corriente de la batería mantiene su valor en todo instante
para un mismo valor de EDC, si este cambia se modifica
Ibref para aportar la Ibat adecuada y la Icc demandada.
Figura 10. Comportamiento del booster ante
variaciones de la irradiancia (Ig) y valores constantes
de Icc y EDC.
7. Conclusiones
Figura 8. Comportamiento del booster para
variaciones de Icc.
En la medida en que la batería se aproxima al
máximo EDC (EDCmáx = 1.0) la corriente de carga
(+Ibat) disminuye, hasta un valor mínimo que garantiza
una carga de flotación o mantenimiento. En el caso que
la batería se descargue (EDCmín= 0) el control garantiza
aumento de la corriente de referencia para que aumente
la corriente de carga (+Ibat), esto puede observarse en la
Figura 9.
Cuando la irradiancia varía, el control es capaz de
buscar el punto de trabajo de los paneles de manera que
se realice un correcto proceso de carga y se entregue toda
la energía que demanda la carga (Fig. 10).
Realizar un correcto control del sistema de
acondicionamiento de potencia (convertidor DC/DC) es
necesario para lograr ajustar el punto de operación de
campo colector a las condiciones atmosféricas, al Estado
De Carga de la batería y a la demanda de energía de la
carga. En este artículo se muestra un método para
determinar el EDC realizando la medición de la tensión
de circuito abierto de la batería. El sistema propuesto
está simulado para ser implementado con DSP, la
efectividad del sistema propuesto está confirmada por las
simulaciones mostradas.
Referencias
[1] E. Lorenzo, “Electricidad Solar. Ingeniería de los
Sistema Fotovoltaicos” Instituto de Energía Solar,
Universidad Politécnica de Madrid.1994
[2] S. Robert, “Solar Electricity”, Prentice Hall, 1991.
[3] S. de Pablo, S. Lorenzo, J.A. Domínguez and S.
Cáceres. “Real-time Voltage Control for Unbalanced
UPS”, 7th European Conference on Power
Electronics and Applications (EPE’97), Trondheim
(Norway), 1997, pp. 2121-2124.
[4] J. A. Domínguez Vázquez. “Control de Sistemas
Fotovoltaicos para Bombeo y Conexión a Red por
medio de La Teoría de Campo Orientado”. Tesis
Doctoral, Universidad de Valladolid, 1996.
[5] B.K.Bose, P.M.Szczesny and R.L.Steigerwald,
“Microcomputer Control of a Residencial
Photovoltaic Power Condictioning System”, IEEE
Trans. on Industry Applications, vol. IA - 21,
no. 5, pp1182~1191, Sep. 1985.
[6] T. Markvart, “ Solar. Electricity”, John Willy &
Sons, 1994