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Universidad Autónoma de San Luis Potosí

Doctorado en Ingeniería Electrónica

Facultad de Ciencias

Control de Inyección de Potencia a la Red Eléctrica Utilizando Convertidores NPC sin Transformador

M.I.E. Juan Felipe Martínez García.

Asesores: Dr. Andrés Alejandro Valdez Fernández Dr. Pánfilo Raymundo Martínez Rodríguez

El presente trabajo de investigación se enfoca en el control de sistemas de inyección de potencia a la red eléctrica mediante topologías con enclavamiento al punto neutro, sin transformador, basados en sistemas fotovoltaicos considerando filtro de red Inductor-Capacitor-Inductor (LCL).

1 Objetivo general  Desarrollar un esquema de control para un inversor con enclavamiento al punto neutro sin transformador de aislamiento con filtro LCL, que haga posible la inyección de corriente a la red, cumpliendo con las normas de conexión con la red eléctrica, que permita balancear el voltaje de los capacitores del bus de corriente directa para redes trifásicas. 1.1 Objetivos específicos (enero-abril 2016)  

a. Realizar un estudio del estado del arte enfocado al control de convertidores de potencia para sistemas de inyección de corriente a la red eléctrica mediante sistemas fotovoltaicos sin transformador.

b. Obtener el modelo matemático del convertidor NPC tipo puente monofásico con filtro LCL.

2 Introducción

En la actualidad, gran parte de las actividades que realiza el ser humano dependen del uso de energía eléctrica, y la producción de esta depende en gran medida de los combustibles fósiles. Sin embargo, este modelo energético provoca un considerable impacto ambiental debido a derrames de combustibles, accidentes nucleares, fugas de gas metano, emisiones de dióxido de carbono, etc. [1]. Además, la demanda de energía eléctrica es cada vez mayor y las reservas de petróleo, carbón y gas natural han disminuido significativamente. Estas condiciones provocarán un incremento notable en el costo de los

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combustibles con lo que se prevén escenarios de crisis económica, energética y ambiental [2]. Por este motivo, es de vital importancia el desarrollo de sistemas de producción de energía eléctrica que permitan satisfacer la demanda energética, sean de carácter renovable y amigables con el medio ambiente. Una solución a esta problemática es el uso de sistemas fotovoltaicos ya que permiten la generación de energía eléctrica de una forma limpia, confiable y libre de emisiones de dióxido de carbono [3], [4].

Los sistemas fotovoltaicos pueden clasificarse en sistemas aislados y con interconexión a la red eléctrica [5]. Los últimos tienen las siguientes ventajas: pueden utilizar de manera más eficientemente la energía eléctrica generada, son más económicos que su contraparte aislada, además de ser más compactos y ligeros [6]. A su vez, las topologías con interconexión a red pueden ser clasificadas en sistemas con aislamiento y sin aislamiento galvánico. En los primeros se utiliza un transformador que permite mejorar la seguridad, sin embargo, su eficiencia disminuye debido a las pérdidas adicionales causadas por los transformadores y otros componentes auxiliares. Si el transformador es removido, se puede tener un incremento de entre 1% y 2% en la eficiencia [7], además el costo se reduce al prescindir de dicho componente, sin embargo, las topologías no aisladas son vulnerables a corrientes de fuga por variaciones en el voltaje de modo común [4], [8]. Por tal motivo es de importancia el desarrollo de estrategias modulación y control para sistemas fotovoltaicos sin transformador. 3 Estado del arte en sistemas para inyección de potencia.

Como se mencionó anteriormente, cuando el transformador de aislamiento es removido, se originan corrientes de fuga debido a que las partes activas de los paneles fotovoltaicos están aisladas eléctricamente del marco aterrizado. Lo anterior ocasiona que se forme una capacitancia parásita entre dichos elementos [8], esta capacitancia da origen a un voltaje de modo común y junto con él se crean corrientes de fuga a través del inversor que incrementan el contenido armónico de la corriente inyectada a la red eléctrica, las pérdidas del sistema y la interferencia electromagnética; además, esta capacitancia parásita representa un importante problema de seguridad [3], [8].

Entre los inversores menos susceptibles a las corrientes de fuga antes citadas destacan las topologías H5, Highly Efficient and Reliable Inverter Concept (HERIC) (ambas patentadas por SMA y Sunways, respectivamente) y aquellas con enclavamiento al punto neutro (NPC) [9]. La topología NPC de 3 niveles ha sido ampliamente estudiada en aplicaciones de inyección de potencia a la red [5], [9], [10], se destaca por tener una alta eficiencia y corrientes de fuga reducidas, sin embargo, la mayor desventaja que presenta el inversor NPC es que el voltaje máximo que puede generar es la mitad del bus de corriente directa del que se alimenta, lo cual hace necesario que dicho voltaje sea dos veces mayor. En la literatura han sido propuestos diversos inversores de 5 niveles basados en la topología NPC que no presentan el inconveniente antes mencionado, entre los que destacan las configuraciones: Asymmetrical-Neutral Point Clamped (Asymmetrical-NPC) [11], Five Level Active Neutral Point Clamped (5L-ANPC) [12], [13] y Full Bridge Neutral Point Clamped (FB-NPC) [14], esta última se caracteriza por su alta flexibilidad debido a que puede generar estados redundantes, lo cual ayuda a mantener constante el voltaje de modo común y disminuir las corrientes de fuga.

Las topologías de inversores mencionadas anteriormente han sido estudiadas con diferentes filtros de conmutación. Por mencionar un par de ejemplos en [15] y [16] se implementan dos sistemas de inyección de potencia a la red eléctrica sin transformador, con filtro L de primer orden, con topología NPC y de puente completo, respectivamente. En [17], [18] se presentan sistemas de inyección a la red con filtro LCL de tercer orden. En [19] se presenta una comparativa de los filtros antes mencionados para sistemas de inyección de potencia a la red sin transformador.

En términos generales, el objetivo primordial de un sistema de inyección de potencia a la red

eléctrica es forzar a que la forma de onda de la corriente siga a una señal de referencia que habitualmente

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es puramente sinusoidal y se encuentra en fase con la componente fundamental del voltaje de red [16]. En las topologías en que se utiliza un bus de corriente directa con divisor capacitivo es necesario agregar un lazo de balance para los capacitores, en este caso, se asume que la dinámica de corriente es más rápida que la de voltaje, basado en el principio de separación de escalas de tiempo el diseño del control se puede dividir en dos lazos; uno interno de seguimiento de corriente y otro externo para el balance de los capacitores [20].

Entre los controladores más utilizados para inversores fotovoltaicos destacan el Proporcional-Integral (PI) y PI con realimentación de estado para el balance de capacitores; el Proporcional-Resonante (PR) y PR con Compensador de Armónicos, para el seguimiento de corriente. La principal ventaja de este tipo de controladores es que mantienen una frecuencia de conmutación constante, lo cual es deseable particularmente cuando se utilizan filtros de línea de tercer orden debido a que los esquemas con frecuencia de conmutación variable pueden generar armónicos que coincidan con la frecuencia de resonancia del filtro. Una de las estrategias más simples para implementar el lazo de seguimiento de corriente es el control proporcional-Integral, sin embargo este tipo de controlador no garantiza que se cumpla el objetivo de seguimiento de corriente, esto es, se presenta un error en estado estacionario [21]. El desempeño de dicho controlador consigue mejorar si se incrementa la ganancia proporcional, sin embargo esta medida puede causar inestabilidad en el sistema [16]. El controlador Proporcional-Resonante es capaz de corregir el error en estado estacionario sin comprometer la estabilidad del sistema [22]. Gracias a su buen desempeño ha sido ampliamente estudiado en la literatura: en [23] se propone un esquema proporcional con banco de filtros resonantes para un filtro activo en paralelo con inversor trifásico de medio puente con lazo de balance y regulación, en [15], [24] se presenta un controlador proporcional con un banco de filtros resonantes para un inversor NPC de tres niveles sin transformador con filtro de primer orden en [17] se presenta el diseño y análisis de un controlador en modo corriente para inyección de corriente mediante filtro de LCL de tercer orden para inversores en sistemas fotovoltaicos. En [20] se emplea un controlador PR basado en el modelo con lazo de balance y regulación para filtro activo en paralelo con topología FB-NPC monofásica de cinco niveles, en [25] se propone un controlador para un rectificador basado en la topología con enclavamiento al punto neutro trifásica de tres niveles, incluye los lazos de balance y regulación de voltaje de los capacitores del bus de C.D.

El controlador con histéresis es una estrategia no lineal en la que la corriente de salida se encuentra confinada dentro de dos bandas que envuelven a la señal de referencia. No requiere esquema de modulación PWM ya que cuando la corriente inyectada alcanza la banda superior se apagan los interruptores y viceversa, por lo que es un sistema bastante simple, tiene una respuesta dinámica rápida, es bastante robusto y estable, sin embargo presenta una frecuencia de conmutación variable, que como se mencionaba anteriormente, puede inducir problemas de resonancia con otros componentes [26]. En [27] se presenta un controlador Proporcional-Resonante con histéresis para un sistema fotovoltaico sin transformador. Por otro lado están los controladores predictivos que son capaces de determinar la forma de onda de la señal de corriente que se inyectará basándose en los parámetros de estados anteriores, de tal forma que en condiciones ideales se puede reducir el error en estado estacionario a cero, sin embargo son más susceptibles a inestabilidad y oscilaciones [28]. En [29] se emplea control predictivo para inyección de corriente mediante sistemas fotovoltaicos, empleando la topología FB-NPC y filtro L de primer orden. Cabe resaltar que además de las antes mencionadas existen otras estrategias de control basadas en lógica difusa [30], redes neuronales [31], entre otras que si bien presentan un buen desempeño en términos de control de inyección de corriente, en algunos casos su diseño e implementación son complicados y requieren mayor procesamiento de cómputo [26].

En virtud de lo antes dispuesto el presente trabajo de investigación se enfoca en el control de sistemas fotovoltaicos, basados en el modelo matemático para inyección de potencia a la red eléctrica mediante topologías NPC tipo puente (FB-NPC), sin transformador con filtro de red de tercer orden. Para esto se utilizará el principio de separación de escalas para estudiar las dinámicas de corriente y voltaje como dos

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dinámicas desacopladas. Creemos que la solución de la dinámica de corriente es un esquema PR más algún término para compensar el desfasamiento debido al inductor de salida. Por otro lado, la solución del lazo de voltaje sería un integrador más un proporcional con ancho de banda reducido. 4 Modelado del Sistema

En la Figura 1 se muestra el diagrama del inversor FB-NPC a estudiar en este trabajo de tesis. Este inversor es capaz de generar 5 niveles de voltaje mediante el encendido/apagado de sus dispositivos de conmutación, de acuerdo con lo dispuesto en la Tabla 1,

Figura 1: Sistema de inyección de corriente a la red con topología FB-NPC y filtro LCL.  

en donde 𝑣! es el voltaje de línea, 𝑣!! y 𝑣!! representan en el voltaje de los capacitores del bus de corriente directa, 𝑣!" = 𝑣!! + 𝑣!! es el voltaje de corriente directa proveniente de una cadena de paneles fotovoltaicos (asumido constante en este trabajo de tesis), 𝐿! y 𝐿! son los inductores de entrada y salida del filtro LCL, respectivamente, mientras que 𝑖 e 𝑖! son las corrientes a través de los mismos y 𝑣!!, es el voltaje en el capacitor del lado de AC.

Tabla 1: Estados de conmutación del inversor FB-NPC Estado e δ1 δ2 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8

1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 2 vPV 1 -1 1 1 0 0 0 0 1 1 3 vPV/2 0 -1 0 1 1 0 0 0 1 1 4 vPV/2 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 5 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 6 - vPV/2 -1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 7 - vPV/2 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 8 - vPV -1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 9 0 -1 -1 0 0 1 1 0 0 1 1

Mediante las leyes de Kirchhoff de corriente y voltaje se puede determinar el modelo matemático de

la topología FB-NPC con filtro LCL. Las ecuaciones que describen la dinámica del sistema son:

L!x! = −x! + e (1)

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L!x! = x! − 𝑣! (2)

Cx! = x! − x! (3)

C!"x! = u!x! +

x!R (4)

C!"x! = u!u!x! +

x!R (5)

u! ≜ δ! − δ! (6)

u! ≜ δ! + δ! (7)

en donde 𝑥! = 𝑖, 𝑥! = 𝑖!, 𝑥! = 𝑣!! , 𝑥! ≜ 𝑣!" + 𝑣!" es la suma de los capacitores del bus de C.D. mientras que 𝑥! ≜ 𝑣!" − 𝑣!" es su diferencia, 𝑒 es el voltaje a la salida del inversor cuya ecuación puede construirse en base a las funciones de conmutación dispuestas en la Tabla 1 de la siguiente manera:

𝑒 =12   𝛿! − 𝛿! 𝑣!" + 𝑣!" +

12  (𝛿!! − 𝛿!!)(𝑣!" − 𝑣!") (8)

5 Cronograma de actividades

Durante el periodo comprendido entre el 25 de enero y 29 de abril del año 2016 se realizó un estudio del “estado del arte” de temas relacionados con los sistemas para inyección de potencia a la red sin transformador de aislamiento basados en sistemas fotovoltaicos; las estrategias de control, los esquemas de modulación y los diferentes tipos de filtros de red para esta clase de sistemas.

Se determinó el modelo matemático promedio del sistema de inyección a la red para la topología

NPC monofásica tipo puente con filtro LCL. Con el objetivos de adquirir conocimientos esenciales en lo relativo a sistemas digitales (los cuales

son de bastante utilidad para la implementación de esquemas de modulación) se está tomando el curso “Electrónica Digital” en el presente semestre.

A continuación se muestra el cronograma de actividades del presente trabajo de investigación.

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Actividades Realizadas Seminarios: Sem. 1: Seminario de Comunicación Oral Sem. 2: Seminario de Escritura Técnica y Científica Sem. 3: Seminario de Protocolos de Investigación Sem. 4: Seminario de Protocolos de Ética Profesional Asignaturas: E.D.* Electrónica Digital P.S.T.R.** Procesamiento de Señales en Tiempo Real A.P.*** Automatización de Procesos Referencias

[1] Martínez de Alegría I, Díaz de Basurto P, Martínez de Alegría I, Ruiz de Arbulo P. “European Union’s renewable energy sources and energy efficiency policy review: the Spanish perspective” Renewable and Sustainable Energy Reviews 2009;13:100–114.

[2] Scheer H. “Economía solar global: estrategias energéticas para la modernidad” Galaxia Gutenberg; 2000.

Actividade f m a m j j a s o n d e f m a m j j a s o n d e f m a m j j a s o n d e f m a m j j a s o n d

T.D. 8T.D. 7T.D. 6T.D. 5

Diseño de ley de control del inversor NPC trifásico

Diseño y construcción del prototipo experimental

Someter un artículo de revista indexada

Obtener resultados de simulación para el convertidor NPC trifásico

Obtención de resultados experimentales para el inversor NPC trifásico

Redacción del documento de tesis

Redacción de artículos para congreso internacional

Sem. 4

T.D. 4

Examen de Candidatura

Sem. 3

T.D. 3

2016 2017 2018 2019

Obtener el modelo matemático del inversor tipo puente

Revisión del estado del arte

Diseño de una ley de control para el inversor tipo puente

Obtener el modelo matemático del inversor NPC trifásico

Estudio de sistemas de inyección con inversor NPC

Estudio de controladores para inversores PV multinivel

Validar por medio de simulaciones el controlador propuesto

Obtención de resultados experimentales para el inversor NPC tipo puente

Diseño y construccion del prototipo experimental

P.S.T.R.**E.D.*

Curso de preparación para examen TOEFL institucionalSeminarios

Asignaturas "Tesis Doctoral" 1-8

Asignaturas

Sem. 1 Sem. 2

T.D. 2T.D. 1

A.P.***

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[3] Islam M, Mekhilef S. “An Improved Transformerless Grid Connected Photovoltaic Inverter with Reduced Leakage Current” Renewable and Sustainable Energy Reviews2014; 88: 854-862.

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[24] P. R, Martínez, G. Vazquez Guzmán, J. M: Sosa, A. A: Valdez-Fernandez and J. F. Martínez “Model-based controller for current injection with a single phase NPC inverter”, IEEE-ROPEC 2013, ISBN: 978-1-4799-2371-72, November 2013, Morelia, México.

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