Convertidores CC/CA para la conexión directa a la red de sistemas fotovoltaicos Pág. 1. Resumen

Transcripción

1 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág. Resumen El presente proyecto tene como objeto establecer una comparata entre las topologías e os y tres neles en conertores e corrente contnua (CC) a corrente alterna (CA), tambén conocos como nersores, para sstemas fotooltacos con conexón recta a la re eléctrca. En prmer lugar se realza un estuo preo e la stuacón actual, normata y nueas tenencas en nersores fotooltacos, recogo en los anexos, y se explca la arqutectura e las topologías e os y tres neles escogas para realzar la comparata en sstemas monofáscos y trfáscos. El nersor e os neles es el conertor CC/CA en fuente e tensón (VSI, Voltage Source Inerter) y puente completo conenconal, mentras que el nersor e tres neles, tambén VSI, presenta la topología conoca con el nombre e Neutral Pont Clampe (NPC). Se esarrollan los moelos matemátcos necesaros para smular el comportamento e los nersores en el entorno e smulacón que proporcona el programa e cálculo numérco MATAB/Smulnk. Una ez obtenos los moelos, se establecen las concones e trabajo y se mensonan los componentes el sstema y los parámetros e control. Posterormente se mplementan los moelos en el entorno gráfco Smulnk y se llean a cabo ersas smulacones para poer estuar el comportamento estátco y námco e los nersores en ferentes stuacones e funconamento. a erfcacón expermental ha confrmao que los moelos esarrollaos a lo largo e este proyecto se ajustan al comportamento real el sstema, lo cual confere alez a las smulacones realzaas. os resultaos obtenos a lo largo e las ferentes smulacones muestran que la metoología e control empleaa resulta ála para regular nersores e os y e tres neles NPC con conexón recta a la re y a una certa carga, lneal o no, conectaa en paralelo; que la topología e tres neles NPC es mejor que la e os neles en cuanto a storsón armónca, lo cual nfluye en la reuccón e los fltros e sala, y a mayor eloca en su respuesta námca; y que estas entajas epenen rectamente e la metoología e moulacón empleaa, seno la Space Vector Moulaton (SVM) mejor que la Pulse Wth Moulaton (PWM). Como propuesta futura se plantea la erfcacón expermental e los resultaos obtenos y la mofcacón el algortmo e control para mplementar la moulacón SVM. Tambén se propone emplear los moelos esarrollaos para esarrollar nueas técncas ant-slanng.

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3 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág. 3 Sumaro Resumen... Sumaro...3. Glosaro Prefaco Orgen el proyecto Requstos preos Introuccón Objetos el proyecto Alcance el proyecto Descrpcón e los conertores CC/CA Topología e los conertores CC/CA Conertor CC/CA monofásco e os neles Conertor CC/CA monofásco e tres neles Conertor CC/CA trfásco e os neles Conertor CC/CA trfásco e tres neles Prncpales elementos consttutos Interruptores e potenca Doos Construccón e los moelos en MATAB/Smulnk Descrpcón el sstema solar fotooltaco Moelao e los nersores monofáscos Moelo el nersor monofásco VSI e os neles Moelo el nersor monofásco NPC e tres neles Moelao e los nersores trfáscos Moelo el nersor trfásco VSI e os neles Moelo el nersor trfásco NPC e tres neles Moelos el espaco e estaos e gran señal en coorenaas -q-o Ecuacones en régmen permanente en coorenaas -q-o Moelos el espaco e estaos e pequeña señal en coorenaas -q-o Concones e funconamento Influenca e las cargas... 43

4 Pág. 4 Memora 5.6. Dseño e los componentes pasos Conensaor el bus e contnua Fltro e sala Sstemas e Control Control el sstema monofásco Control el sstema trfásco Verfcacón e los moelos Implementacón el sstema Régmen permanente Cambo en la tensón total el bus e contnua Obseracones sobre los resultaos obtenos Estuo estátco Comportamento estátco e los nersores monofáscos Sstema monofásco sn carga Sstema monofásco con cargas conectaas Comportamento estátco e los nersores trfáscos Sstema trfásco sn cargas Sstema trfásco con cargas conectaas Estuo námco Comportamento námco e los nersores monofáscos Transtoro e conexón en el sstema monofásco Transtoro e carga en el sstema monofásco Islanng en el sstema monofásco Comportamento námco e los nersores trfáscos Transtoro e conexón en el sstema trfásco Transtoro e carga en el sstema trfásco Islanng en el sstema trfásco Concusones y líneas e trabajo futuras...95 Agraecmentos...97 Bblografía...99 Referencas bblográfcas Bblografía complementara...

5 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág. 5 VOUMEN II ANEXO A. Análss e anteceentes 5 A.. Eolucón e los nersores fotooltacos 5 A.2. Stuacón en el mercao actual 8 A.2.. Tenenca actual en el campo e las energías renoables 8 A.2.2. Inersores fotooltacos comercalzaos para conexón recta a re 9 ANEXO B. Conertores CC/CA multnel 7 B.. Descrpcón general 7 B.2. Prncpales topologías 8 B.2.. Inersor Doe-Clampe 8 B.2.2. Inersor Flyng Capactor 2 B.2.3. Inersor en cascaa 22 B.2.4. Móulos multnel generalzaos 23 B.2.5. Topologías multnel emergentes 24 B.3. Aplcacones actuales 26 B.3.. Aconconamento para motores e nuccón 26 B.3.2. Aplcacones en sstemas e potenca 28 B.4. Ejemplos e nersores e tres neles comercales 29 B.4.. Moelo ACS e ABB 29 B.4.2. Moelo Smoert MV e Semens 3 ANEXO C. Normata y legslacón 33 C.. Conexón a la re públca 33 C.2. Armóncos y factor e potenca 34 C... Defncones y conceptos preos 34 C..2. Problemátca actual 35 C..3. Estánares y recomenacones 36 C..4. Necesa e mejorar la nterfaz e la re 4 ANEXO D. Cambo e sstema e referenca (-q-o) 43 D.. Representacón ectoral e magntues físcas 43 D.2. Transformacón e Park 46 ANEXO E. Moelos en MATAB/ Smulnk 49 E.. Requstos 49 E.2. Metoología 5

6 Pág. 6 Memora E.3. Descrpcón e los moelos 5 E.4. Dagramas e bloques 59 E.4.. Twoleel_ph.ml 59 E.4.2. Twoleel_ph_slanng.ml 67 E.4.3. Threeleel_ph.ml 74 E.4.4. Threeleel_ph_slanng.ml 84 E.4.5. Twoleel_3ph.ml 93 E.4.6. Twoleel_3ph_slanng.ml 6 E.4.7. Threeleel_3ph.ml 23 E.4.8. Threeleel_3ph_slanng.ml 36 E.4.8. Threeleel_3ph_sm.ml 53 E.5. Programas 62 E.5.. Calculok2.m 62 E.5.2. Calculok2.m 63 E.5.3. Ftransf.m 64 ANEXO F. Descrpcón el equpo expermental 65 F.. Entorno e control basao en DSP sobre plataforma PC 65 F.2. Moulaor PWM 66 F.3. Panel e conexones 68 F.4. Generacón e señales, tempos muertos y amplfcacón 68 F.5. Conertor NPC, rers y bus e contnua 69 F.6. Sensores e tensón y corrente 73 F.4. Equpo completo 74 ANEXO G. Islanng 77 G.. Defncón 77 G.2. Descrpcón físca el fenómeno 77 G.3. Causas 78 G.4. Consecuencas 79 G.5. Inersor ant-slanng 8 G.6. Métoos e proteccón ant-slanng 8 G.6.. Métoos pasos 8 G.6.2. Métoos actos 83 G.7. egslacón actual en matera ant-slanng 87 G.7.. Stuacón actual 87

7 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág. 7 G.7.2. Futuro marco e actuacón 88 G.7.3. Estánares, cógos y pautas nternaconales 89 ANEXO H. Estuo económco 9 H.. Comparata económca entre nersores e os y tres neles 9 H.2. Coste total el proyecto 93 H.2.. Coste e los recursos humanos 93 H.2.2. Coste e los equpos 93 H.2.3. Gastos en materal 95 H.2.4. Gastos aros 95 H.2.5. Coste total 95 ANEXO H. Soporte nformátco 97

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9 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág. 9. Glosaro C c, C, C 2 : CA : CC : CENEEC : CSI DEE : j : f c : f s : FFT : FP : FPD : GREP HF a, b, c : : sa, sb, sc : s : c, p, n, o : IGBT : IEA : IEC : IEEE : Conensaores el bus e contnua Corrente Alterna Corrente Contnua Comté Europeo e Normalzacón Electrotécnca Current Source Inerter Departament Engnyera Electrònca Funcones uty-rato Frecuenca e conmutacón Frecuenca e re Fast Fourer Transformaton Factor e Potenca Factor e Potenca Desplazao Grup e Recerca en Electrònca e Potènca Hgh Frecuency Correntes e fase e sala el nersor trfásco Corrente e sala el nersor monofásco Correntes e fase nyectaas en la re por el nersor trfásco Corrente nyectaa en la re por el nersor monofásco Correntes característcas el bus e contnua Insulate Gate Bpolar Transstor Internatonal Energy Agency Internatonal Electrotechncal Commsson Insttute for Electrcal an Electroncs Engneers

10 Pág. Memora KP, KI : q : : s : m : MOSFET : MPPT : NPC : NTVSV PWM: PWM : PCC : R : SVM : S j : THD : UNIPEDE : Coefcentes e la funcón e coste e los controlaores Inuctanca e la carga Inuctanca el fltro e sala Inuctanca nterna e la re eléctrca Móulo el ector e referenca normalzao Metal Ox Semconuctor Fel Effect Transstor Maxmum Power Pont Tracker Neutral-Pont-Clampe Nearest Three Vrtual Space Vector PWM Pulse Wth Moulaton Pont of Comon Couplng (punto e conexón) Resstenca e carga Space Vector Moulaton Funcones e conmutacón Total Harmonc Dstorton Unón e prouctores y strbuores e energía eléctrca V a N, V b N, V c N : Tensones smples trfáscas en el PCC V pcc : V s : V pn, V p, V n, V o : VSI : ω : Tensón compuesta en el PCC Tensón e la re Tensones característcas el bus e contnua Voltaje Source Inerter Veloca angular e la tensón a la sala el conertor

11 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág. 2. Prefaco 2.. Orgen el proyecto El presente proyecto se enmarca entro el ámbto e la nestgacón con conertores e tres neles lleaa a cabo por el Grup e Recerca en Electrònca e Potènca (GREP) el Departament Engnyera Electrònca (DEE) e la ETSEIB. Actualmente, las prncpales líneas e nestgacón están orentaas haca aplcacones en energías renoables, un sector con granes expectatas e crecmento a corto y meo plazo. Dentro e las energías renoables, cabe estacar el crecente nterés por los conertores CC/CA e tres neles frente a los conertores e os neles conenconales, para el aproechamento e la energía solar fotooltaca meante la conexón recta a la re eléctrca. El proyecto surge por el nterés e estuar las bonaes e los nersores e tres neles en aplcacones fotooltacas con conexón a la re, analzar cómo afecta la conexón e una carga a la sala el nersor, y e establecer unos moelos y una línea futura el la nestgacón el comportamento e estos conertores frente a un fenómeno emergente en sstemas e conexón a la re conoco con el nombre e slanng Requstos preos En el presente proyecto se han utlzao metoologías e control y moulacón esarrollaas por el GREP. El sstema e control empleao en los nersores trfáscos ha so el control multarable basao en la técnca QR esarrollao por Salaor Alepuz, el cual plantea una nuea técnca e regulacón para nersores con fuente e tensón (VSI) e tres neles. Entre las metoologías e regulacón empleaas, fgura la técnca Space Vector Moulaton (SVM), conoca con el nombre e Nearest Three Vrtual Space Vector PWM (NTVSV PWM) planteaa por Serg Busquets Monge en su proyecto: Propuesta e una metoología e estuo e estrategas e moulacón meante la técnca Space Vector Moulaton para conertores trfáscos multnel: aplcacón a la síntess e una nuea estratéga para conertores e tres neles.

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13 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág Introuccón 3.. Objetos el proyecto El objeto e este proyecto es esarrollar unos moelos para estuar y establecer una comparata meante smulacón numérca entre las topologías e os neles y tres neles en nersores fotooltacos con conexón recta a la re eléctrca. El estuo teórco, recogo en los anexos A y B, pretene mostrar la stuacón actual e los nersores con conexón recta a la re en el mercao actual, así como analzar las prncpales topologías multnel actualmente exstentes. Con la comparata entre topologías, recoga en la memora, se pretene, en prmer lugar, analzar el comportamento e un nersor e tres neles Neutral-Pont-Clampe (NPC) frente a uno e os neles conenconal, tanto en sstemas monofásco como trfáscos, y obserar cómo nfluye la conexón aconal e stntos tpos e cargas en los resultaos, así como la moulacón empleaa Alcance el proyecto Para establecer el alcance el proyecto se procee a efnr las partes que lo forman. En prmer lugar se realza una etapa teórca en la que se estua la topología, moelao y control e los nersores e os y tres neles empleaos en este estuo. Seguamente, se establecen las concones e trabajo, se mensonan los componentes e los nersores y se construyen los moelos en el entorno e cálculo numérco MATAB/Smulnk. Una ez elaboraos los moelos, se erfcan meante un montaje expermental y se realzan ferentes smulacones para analzar el comportamento estátco y námco e caa topología con ersos tpos e carga. Pese a que se han erfcao los moelos esarrollaos bajo las concones e trabajo que permtían los equpos el laboratoro el DEE, quea fuera el alcance e este proyecto la comprobacón expermental e los resultaos obtenos en las smulacones, con los parámetros e funconamento fjaos para un sstema real.

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15 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág Descrpcón e los conertores CC/CA 4.. Topología e los conertores CC/CA En este apartao se escrbe el funconamento y topología e los nersores VSI para aplcacones solares fotooltacas estuaos en este proyecto Conertor CC/CA monofásco e os neles a topología más extena en aplcacones solares fotooltacas e baja potenca es la el nersor en fuente e tensón (VSI) monofásco en puente completo, cuya estructura ene esquematzaa en la fgura 4.(a). Para facltar la comprensón el sstema, la fgura 4.(b) muestra el moelo equalente con conmutaores. p p S S 3 a S ap a pn C c A B b pn Cc S an A B S bp b S bn - n S 2 S 4 (a) - n (b) Fgura 4.. Inersor monofásco e 2 neles: (a) moelo con nterruptores y (b) conmutao. El nersor consta e un conensaor e capaca C c en la entraa e corrente contnua (tambén llamaa bus e contnua), cuya tensón ebe mantenerse constante. El nersor monofásco está formao por os ramas, A y B, caa una e ellas consttuas por os nterruptores y os oos conectaos en antparalelo cuya funcón es permtr que la crculacón e corrente a lo largo e la rama sea brecconal. En el moelo equalente e la fgura 4.(b) los nterruptores se moelan meante sus funcones e conmutacón, S j, que permten conectar caa fase al punto p o al punto n. Con este montaje, se puee consegur que la tensón e sala sea nula, s las os ramas están conectaas al msmo punto, posta V pn o negata -V pn, según cómo estén conectaas a p y n.

16 Pág. 6 Memora El número e estaos que puee presentar un conertor se efne como el número e posbles combnacones entre las poscones e sus conmutaores. Para etermnar el número e estaos que se puee llegar a alcanzar, hay que establecer las restrccones que eben cumplr sus funcones e conmutacón, S j, efnas en la ecuacón (4.). =, s rama conectaa al punto j, s no S, { a, b}, j { p, n} j (4.) a prmera restrccón establece que una msma rama no ebe conectarse a os puntos e tensón ferentes smultáneamente, ya que se proucría un cortocrcuto en la fuente e tensón. Para etar esta stuacón se mpone que sólo conuzca uno e los os nterruptores e caa rama, concón que matemátcamente ene expresaa por la ecuacón (4.2). S S, { a, b} (4.2) p n a seguna restrccón establece que nnguna rama quee sn conexón al bus e contnua, ya sea al punto p ó n, e manera que sempre crcule corrente por una e ellas y la carga no quee en crcuto aberto. Este requsto ene reflejao en la expresón (4.3), one al menos uno e los nterruptores e caa rama conuce para permtr el paso e corrente. S S, { a, b} (4.3) p n a ecuacón (4.4) combna estas os restrccones y etermna la relacón exstente entre las funcones e conmutacón e caa rama. S S =, { a, b} (4.4) p n S se consera por ejemplo la rama A el nersor, cuano el nterruptor S ap conuce (S ap = ), el nterruptor S an ebe estar aberto (S an = ), e manera que la corrente e sala crcule a traés e S ap, s es posta, o e su oo en antparalelo, s es negata, fjano el punto a al potencal el punto p, es ecr, = V. a p

17 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág. 7 Análogamente, s el nterruptor S ap está aberto (S ap = ), S an permanece cerrao (S an = ), e moo que la corrente e sala crcula a traés e S an s es negata o e su oo en antparalelo s es posta, y el punto a se fja a la tensón el punto n, es ecr, = V. a n En funcón e cómo estén conectaos los nterruptores e la rama B, habrá un etermnao alor e tensón a la sala el nersor (V ab = a - b ). a tabla 4. recoge los cuatro posbles estaos que puee presentar el nersor en funcón e la poscón e sus conmutaores. Nº e estao Funcones conmutacón Conexón rama Tensón e sala S ap S an S bp S bn a b V ab n n 2 n n -V pn 3 n p V pn 4 n p Tabla 4.. Estaos e conmutacón e un nersor monofásco e 2 neles. Puesto que la tensón alterna e sala sólo puee tomar los alores, V pn y V pn, su forma e ona es screta y cuaraa, stano mucho e la senoe que se esea obtener. Para solentarlo se ncorpora un fltro en la sala el nersor. Este fltro permte suazar la forma e ona, fltrano los armóncos e alta frecuenca para ejar pasar, teórcamente, sólo la componente funamental a la frecuenca e trabajo (en este caso la frecuenca e la re). El tamaño el fltro está íntmamente lgao a la estratega e moulacón empleaa. a moulacón tene por objeto controlar la apertura y cerre e los conmutaores para obtener unas etermnaas formas e ona, tan próxmas a una senoe como sea posble. En cuanto al moelo físco con nterruptores, en un nersor e os neles las funcones e conmutacón e los nterruptores el sstema físco concen con las el moelo conmutao, según muestra las expresones e (4.5). S ap = S, S bp = S 3 S an = S 2, S bn = S 4 (4.5)

18 Pág. 8 Memora No obstante, en el sstema físco las conmutacones e los nterruptores e una msma rama no se proucen a la ez. Para etar que urante la transcón se llegue a un estao ntermeo no eseao que puea proocar un cortocrcuto, se mpone que antes e cerrar el seguno nterruptor el prmero ya esté aberto. a fgura 4.2 esquematza la transcón ála entre os estaos e conmutacón para la rama A, seno la e la rama B smétrca a ésta. Transtoro S aberto S2 aberto Estao S aberto S2 cerrao Estao 2 S cerrao S2 aberto Fgura 4.2. Transcones álas entre os estaos e conmutacón Conertor CC/CA monofásco e tres neles Exsten ersas topologías para nersores e tres neles, como son por ejemplo la topología Neutral-Pont-Clampe (NPC) [], la Flyng Capactor, o los nersores en cascaa [2] (er el Anexo B). a topología el nersor e tres neles utlzao en este proyecto es la NPC, que actualmente es una e las más extenas entre los nersores e tres neles. a fgura 4.3 muestra la estructura e un nersor VSI monofásco e tres neles NPC en puente completo. p - C S S 22 a S 3 S 44 p pn 2 - C S ao S ap a pn - o - C 2 n S S 2 (a) S 33 S 4 b pn pn 2 - o - n C 2 o S an (b) S bp S bo S bn b Fgura 4.3. Inersor monofásco e 3 neles: (a) moelo con nterruptores y (b) conmutao.

19 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág. 9 En este conertor, caa rama, aemás e poer conectarse a los puntos p y n, tambén se puee conectar al punto central o. Este punto conce con el neutro el bus e contnua, y está conectao al bus a traés e os conensaores, C y C 2, e gual capaca. a tensón en bornes e caa conensaor es la mta e la tensón e entraa, es ecr, V pn /2. as funcones e conmutacón el nersor monofásco e os neles enen efnas en la ecuacón (4.6). =, s rama conectaa al punto j, s no S, { a, b, c}, j { p, o, n} j (4.6) Estas funcones e conmutacón eben cumplr los msmos requstos que las el nersor e os neles, tal y como representa la ecuacón (4.7). S S S =, { a, b} (4.7) p o n a expresón anteror mplca que caa rama puee estar conectaa a tres puntos ferentes en funcón el estao e sus nterruptores, aqureno el oltaje e esos puntos ( p =V pn /2, o =, n =-V pn /2). Puesto que caa una e las os ramas puee aqurr tres alores e tensón, el nersor puee presentar los 3 2 = 9 estaos e conmutacón que recoge la tabla 4.2. Nº estao Funcones conmutacón Conexón rama Tensón e sala S ap S ao S an S bp S bo S bn a b V ab n n 2 n o -V pn /2 3 n p -V pn 4 o n V pn /2 5 o o 6 o p -V pn /2 7 p n V pn 8 p o V pn /2 9 p p Tabla 4.2. Estaos e conmutacón e un nersor monofásco e 3 neles.

20 Pág. 2 Memora Al tener ahora tres neles e tensón y un número e estaos mayor que el obteno para el nersor trfásco e os neles, la tensón e sala se porá aproxmar mucho más al alor eseao. Para consegurlo, se porán aplcar estrategas e moulacón Pulse Wth Moulaton (PWM) [3] o las eraas e la teoría Space Vector Moulaton (SVM). A pesar e que esta topología ntrouce una mayor aproxmacón a la tensón e sala eseaa, la forma e ona obtena aún stará bastante e ser senoal, por lo que se ebe ncorporar un fltro a la sala el nersor, e moo que se neutralcen los armóncos e mayor frecuenca y las formas e ona se suacen. El tamaño e este fltro epene e la cala e la estratega e moulacón utlzaa. En la fgura 4.2(a), que mostraba la estructura el real el nersor con la sposcón físca e nterruptores y oos, aparecían unas funcones e conmutacón ferentes a las efnas para el moelo conmutao. Estas nueas funcones e conmutacón corresponen a los nterruptores reales y se pueen relaconar con las el moelo conmutao meante operaores lógcos, tal como muestra la ecuacón (4.8). Pese a que las funcones e conmutacón que realmente controla la moulacón son las el moelo físco, por smplfcacón suelen utlzarse las corresponentes al moelo conmutao. S ap = S AND S 22, S bp = S 3 AND S 44 S ao = S 22 AND S, S bo = S 44 AND S 33 (4.8) S an = S AND S 2, S bn = S 33 AND S 4 Con estas nueas funcones e conmutacón surge e nueo el problema e transcón entre estaos. S por ejemplo se esea que una rama conectaa al punto p pase a estarlo al punto n, los os nterruptores nferores e la rama eben abrrse y los os superores cerrarse. Esta transcón mplca conmutar aros nterruptores a la ez, lo cual es físcamente mposble: sempre conmutará uno prmero, pueno proocar estaos ntermeos no eseaos, como un cortocrcuto. Para etar este problema exste un procemento estánar para hacer transcones conocas sn llegar a estaos no eseaos. a fgura 4.4 muestra el esquema el procemento para la prmera rama A, seno el e la rama B smétrco a éste.

21 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág. 2 Transtoro S aberto S cerrao S22 aberto Transtoro 2 S aberto S aberto S22 cerrao Sap= S cerrao S cerrao S22 aberto Sao= S aberto S cerrao S22 cerrao San= S aberto S aberto S22 cerrao Fgura 4.4. Transcones álas entre os estaos e conmutacón Conertor CC/CA trfásco e os neles os nersores trfáscos se utlzan normalmente en aplcacones e alta potenca. a fgura 4.5(a) muestra la topología e un nersor VSI trfásco en puente completo, mentras que la fgura 4.5(b) muestra su moelo equalente conmutao. p S S 3 S 5 a p S ap a pn C c b c pn C c S an S bp S bn S cp b c S cn - n S 2 S 4 S 6 (a) n (b) Fgura 4.5. Inersor trfásco e 2 neles: (a) moelo con nterruptores y (b) conmutao. El esquema el nersor VSI e os neles trfásco es análogo al el nersor monofásco, con la ferenca e que en este caso consta e tres ramas e fase, A, B y C, caa una con sus respectos nterruptores y oos.

22 Pág. 22 Memora Toa rama spone e os nterruptores moelaos meante sus funcones e conmutacón, S j, que permten conectar caa fase al punto p o al punto n, tal como muestra (4.9). =, s fase conectaa al punto j, s no S, { a, b, c}, j { p, n} j (4.9) as leyes que rgen el comportamento e las funcones e conmutacón e un nersor trfásco, efnas en la ecuacón (4.), son análogas a las e uno monofásco. S S =, { a, b, c} (4.) p n Según estas restrccones, caa fase puee alcanzar os posbles alores e tensón (V p ó V n ), y puesto que exsten tres ramas, el nersor puee presentar 2 3 = 8 estaos e conmutacón, tal y como recoge la tabla 4.3. Nº e estao Tensones Funcones e conmutacón Conexón fase compuestas S ap S an S bp S bn S cp S cn a b c V ab V bc V ca n n n 2 n n p -V pn V pn 3 n p n -V pn V pn 4 n p p -V pn V pn 5 p n n V pn -V pn 6 p n p V pn -V pn 7 p p n V pn -V pn 8 p p p Tabla 4.3. Estaos e conmutacón e un nersor trfásco e 2 neles. Al gual que en el nersor monofásco, la tensón compuesta e sala sólo puee tomar los alores, V pn y V pn, e manera que tene una forma e ona cuaraa. Para consegur que sea senoal se ncorporan tres fltros guales la sala el nersor, uno en caa fase.

23 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág. 23 Respecto al moelo con nterruptores, las funcones e conmutacón el moelo conmutao concen con las e los nterruptores el sstema físco (4.). as transcones necesaras para etar estaos ntermeos no eseaos son las e la fgura 4.2. S ap = S, S bp = S 3, S cp = S 5 S an = S 2, S bn = S 4, S cn = S 6 (4.) Conertor CC/CA trfásco e tres neles a topología escoga para el nersor trfásco e tres neles es e nueo la NPC. a fgura 4.6 muestra el esquema e esta topología. pn p o C C 2 S S 22 S S 3 S 5 S 44 S 66 S S a b c pn pn 2 pn 2 p C S ap S ao - o - C 2 S an S S bp bo S bn S cp S co S cn a b c - n S 2 S 4 S 6 (a) - n (b) Fgura 4.6. Inersor trfásco e 3 neles: (a) moelo con nterruptores y (b) conmutao. as funcones e conmutacón el nersor trfásco e tres neles se efnen en la ecuacón (4.2). a ecuacón (4.3) recoge la relacón exstente entre estas funcones e conmutacón. =, s fase conectaa al punto j, s no S, { a, b, c}, j { p, o, n} j (4.2) S S S =, { a, b, c} (4.3) p o n

24 Pág. 24 Memora En este caso, caa rama puee aqurr tres posbles alores e tensón (-V p,, V n ). a tabla 4.4 muestra los 3 3 = 27 estaos e conmutacón el nersor trfásco e tres neles. Nº est. Funcones e conmutacón Conexón fase Tensones compuestas S ap S ao S an S bp S bo S bn S cp S co S cn a b c V ab V bc V ca n n n 2 n n o -V pn /2 V pn /2 3 n n p -V pn V pn 4 n o n -V pn /2 V pn /2 5 n o o -V pn /2 V pn /2 6 n o p -V pn /2 -V pn /2 V pn 7 n p n -V pn V pn 8 n p o -V pn V pn /2 V pn /2 9 n p p -V pn V pn o n n V pn /2 -V pn /2 o n o V pn /2 -V pn /2 2 o n p V pn /2 -V pn V pn /2 3 o o n V pn /2 -V pn /2 4 o o o 5 o o p -V pn /2 V pn /2 6 o p n -V pn /2 V pn -V pn /2 7 o p o -V pn /2 V pn /2 8 o p p -V pn /2 V pn /2 9 p n n V pn -V pn 2 p n o V pn -V pn /2 -V pn /2 2 p n p V pn -V pn 22 p o n V pn /2 V pn /2 -V pn 23 p o o V pn /2 -V pn /2 24 p o p V pn /2 -V pn /2 25 p p n V pn -V pn 26 p p o V pn /2 -V pn /2 27 p p p Tabla 4.4. Estaos e conmutacón e un nersor trfásco e 3 neles. Al gual que en el nersor trfásco e os neles, es necesaro ncorporar un fltro e sala en caa fase para poer así fltrar los armóncos e alta frecuenca y obtener una tensón e sala senoal.

25 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág. 25 Para un nersor trfásco e tres neles, la relacón que exste entre las funcones e conmutacón el moelo físco con las el moelo conmutao equalente ene aa por las expresones e la ecuacón (4.4). as transcones necesaras para etar estaos ntermeos no eseaos enen reflejaas en la fgura 4.4. S ap = S AND S 22, S bp = S 3 AND S 44, S cp = S 5 AND S 66 S ao = S 22 AND S, S bo = S 44 AND S 33, S co = S 66 AND S 55 (4.4) S an = S AND S 2, S bn = S 33 AND S 4, S cn = S 55 AND S Prncpales elementos consttutos El nersor está formao por os tpos e elementos semconuctores: nterruptores e potenca y oos Interruptores e potenca os nterruptores son el elemento prncpal el nersor, ya que su número, secuenca y frecuenca e conmutacón etermnan la forma e ona e la tensón e sala el nersor. Estos nterruptores eben ser completamente controlables, tanto en la conexón como en la esconexón. Entre los prncpales semconuctores e potenca controlables estacan los GTO, los BJT, los MOSFET, los IGBT y los MCT. a tabla 4.5 resume las prncpales característcas e estos semconuctores e potenca [4]. os semconuctores más empleaos son MOSFET e IGBT. Es común el empleo e MOSFET en los sstemas monofáscos, que son e baja potenca, e IGBT en los trfáscos, que son e mea y alta potenca. GTO BJT MOSFET IGBT MCT Tensón máxma e corte (V) Corrente máxma (A) Frecuenca máxma (khz). 6 2 Señales e conmutacón Corrente Corrente Tensón Tensón Tensón Tabla 4.5. Prncpales característcas e los semconuctores e potenca.

26 Pág. 26 Memora a eleccón el nterruptor epene e las especfcacones e funconamento e caa nersor, como por ejemplo las tensones y correntes nomnales a las que trabaja, y la frecuenca e conmutacón. Normalmente se utlzan nterruptores controlaos por tensón, ya que los rers resultan más smples y económcos. os rers son crcutos e aconconamento e las señales e control, encargaos e transformar señales externas lógcas, TT o CMOS, en señales para hacer conmutar los nterruptores Doos El seguno tpo e elemento a conserar son los oos, conectaos en antparalelo con los nterruptores. a presenca e cargas con un certo comportamento nucto ocasona un certo esfase entre tensón y corrente, e manera que en un etermnao nstante la tensón puee ser posta y la corrente negata. El objeto e estos oos es permtr que la crculacón e corrente sea brecconal. os oos utlzaos se conocen con el nombre e oos e recuperacón rápa, ya que es necesaro que los retrasos que ntroucen no sean mayores que los e los el nterruptor elego. a fgura 4.7 muestra la confguracón e los nterruptores MOSFET e IGBT con sus respectos oos en antparalelo. (a) (b) Fgura 4.7. Transstor (a) MOSFET e (b) IGBT con su oo en antparalelo. as conseracones realzaas para eleccón e los nterruptores y oos son las msmas en los nersores e os y tres neles. a únca ferenca raca en la tensón máxma que eberán soportar los semconuctores. Para el caso e os neles, la tensón e bloqueo es la el bus e contnua V pn, mentras que para el nersor e tres neles la tensón e bloqueo es la mta, es ecr, V pn /2, lo cual le permte trabajar al oble e tensón en el bus e contnua con la msma corrente. Esta característca es una e las prncpales entajas en los nersores e tres neles, ya que permte trabajar con mayores potencas e entraa.

27 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág Construccón e los moelos en MATAB/Smulnk En este capítulo se elaboran y comentan los moelos matemátcos que escrben el funconamento el sstema para poer realzar su posteror mplementacón en MATAB/ Smulnk, tal y como etalla en el Anexo E. 5.. Descrpcón el sstema solar fotooltaco a fgura 5. muestra el agrama e bloques el sstema solar fotooltaco con conexón recta a la re. En esta fgura se muestra cómo la energía solar fotooltaca fluye sempre ese los paneles solares hasta la re eléctrca, sn la presenca e baterías, ya que toa la energía no consuma por las cargas se entrega a la re. Paneles solares Aslamento HF opconal Inersor Fltro Re eléctrca cargas Control MPPT Fgura 5.. Esquema e bloques e un sstema solar con conexón recta a la re. El equpo solar fotooltaco está formao por: os paneles solares, un transformaor e aslamento e alta frecuenca (HF) opconal, el nersor, el fltro e sala y la carga en CA. Dentro e este esquema, los paneles solares se moelan meante una fuente e corrente constante y una potenca fja a la entraa el conertor. El aslamento ente los paneles y el nersor puee lograrse meante un conertor CC/CC con aslamento, pero en este proyecto prescnmos e este bloque y lo representamos too meante la fuente e corrente. El etector el punto e máxma potenca (MPPT) es un sstema e control encargao e realzar un barro e la tensón contnua que entra en el nersor, en busca el alor que maxmce la potenca extraía e los paneles solares. Puesto que los tempos que se emplearán en las

28 Pág. 28 Memora smulacones son el oren e mlsegunos para este proyecto, la potenca e entraa puee conserarse constante y no será necesaro usar este elemento en el moelo. El nersor o conertor CC/CA es un elemento nspensable que realza las sguentes tareas: Conerte la potenca en corrente contnua proceente e los paneles a potenca en corrente alterna para poer ser nyectaa en la re. Controla la tensón contnua proceente el equpo solar. Proporcona un factor e potenca untaro en el punto e conexón e la carga con la re (Pont of common couplng, PCC). El fltro e sala el nersor ene moelao meante una bobna que permte que las formas e ona nyectaas en la re tengan un bajo conteno en armóncos Moelao e los nersores monofáscos En el presente apartao se eucen las ecuacones e estao e gran señal e los nersores monofáscos e os y tres neles, necesaras para realzar la mplementacón e los moelos Moelo el nersor monofásco VSI e os neles a fgura 5.2 muestra el moelo conmutao el sstema fotooltaco monofásco con un nersor VSI e os neles y conexón recta a la re. Para facltar la comprensón e análss, se esglosa el sstema en tres partes: el bus e contnua, el nersor, y la sala alterna formaa por un fltro conectao a la re y cargas. p p S ap a a c pn C c S an S bp b pcc - b s S bn - n n oa Fgura 5.2. Moelo conmutao el sstema con el nersor monofásco VSI e 2 neles.

29 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág. 29 Antes e comenzar con el análss el moelo el nersor, se plantean una sere e hpótess, que serán álas tanto para la topología e os como para la e tres neles: ) El sstema es smétrco y equlbrao. 2) os nterruptores se conseran eales, sn péras en las conmutacones. 3) El fltro e sala será puramente nucto. 4) a tensón el bus e contnua no permanece completamente fja a un etermnao alor, ya que los paneles solares se moelan como una fuente e corrente. 5) a frecuenca e conmutacón es muy superor a la frecuenca e línea. El moelo el espaco e estaos pretene expresar las arables e estao que se esean controlar en funcón e las entraas el sstema, tal y cómo muestra la ecuacón (5.). one t [] x [ A][] x [ B][] u = (5.) [] x : ector e arables e estao. [] u : ector e arables e entraa. Como arables e estao se toman la corrente que crcula por el fltro e sala el nersor,, y la tensón en bornes el conensaor el bus e contnua, pn. as arables e entraa son la tensón en el punto e conexón con la carga, pcc, (ya que ene fjaa por la re), y la corrente e entraa proceente e los paneles solares c. Se analza en prmer lugar la parte el bus e contnua. De acuero con el crtero e sgnos estableco en la fgura 5.2, la ecuacón (5.2) permte expresar la tensón pn como funcón e la ntensa que llega el panel c y e las que crculan haca los conmutaores ( p, n ). t pn = C c ( ) = ( ) p c C c n c one = (5.2) p n

30 Pág. 3 Memora En la parte alterna, la ecuacón (5.3) permte expresar la corrente e sala el nersor como funcón e la tensón en el punto e conexón pcc efna como arable e entraa el sstema. one t = ( out pcc ) (5.3) pcc out = = : tensón en el punto e conexón con la re y carga. a' b' ab a' o ao bo b' o = = : tensón e sala el nersor. Una ez obtenas las ecuacones que moelan las os partes el sstema, hay que enlazarlas entre sí, elmnano el moelo las arables ntermeas ( p, n, ao, bo ), las cuales permten relaconar la parte el bus e contnua con la parte alterna meante las funcones e conmutacón el nersor, que serán las arables e control el sstema. En el capítulo 6 se efnían las relacones exstentes entre las funcones e conmutacón S j e un nersor VSI monofásco e os neles según la ecuacón (5.4). j S j { p, n} =, one S j, s conectao a =, s no { a, b} j { p, n} j (5.4) Según la expresón anteror, el nersor presenta 4 funcones e conmutacón ferentes, no obstante, sólo 2 serán arables e control nepenentes. A partr e estas arables e control e nspecconano la fgura 5.2 el conertor, se pueen eucr las ecuacones (5.5) que relaconan el bus e contnua con la parte alterna. ao bo = = ( S ap ) pn ( Sbp 2 ) pn 2 n p = S ap = S an S bp S bn (5.5)

31 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág. 3 Susttuyeno las expresones anterores en las ecuacones (5.2) y (5.3) se puee etermnar el moelo el espaco e estaos e gran señal el nersor, corresponente al sstema e ecuacones (5.6). t pn = S ap S Cc bp S ap S bp pn C c pcc c (5.6) Moelo el nersor monofásco NPC e tres neles a fgura 5.3 muestra la estructura el sstema monofásco con un nersor NPC e tres neles y conexón recta a la re. as prncpales ferencas con el moelo el nersor e os neles se centran en el aumento el número estaos y la exstenca e os conensaores en el bus e contnua. p p c p pn n - o - 2C S ap c S ao o S an 2C c S bp S bo S bn b a a pcc - b s - n n oa Fgura 5.3. Moelo conmutao el sstema con el nersor monofásco NPC e 3 neles. as hpótess y metoología empleaas en la euccón e las ecuacones que efnen el espaco e estaos el nersor e tres neles son las msmas que en el caso e os neles. as arables e estao el moelo serán las corrente que crcula por el fltro e sala,, y las tensones en bornes e los conensaores e entraa ( p, n ), seno las arables e entraa las msmas que en la topología e os neles ( pcc y c ).

32 Pág. 32 Memora Al analzar la parte el bus e contnua, se obsera que presenta os conensaores capaca 2 C c caa uno, e moo que el punto neutro el bus e contnua, punto o, puee presentar una lgera osclacón en funcón e la estratega e moulacón empleaa. Para poer estuar el comportamento el punto o las arables e estao para el bus e contnua serán las tensones en bornes e los conensaores ( p, n ) e manera que su moelo ene ao por la ecuacón (5.7). t t p n = 2 C c = 2 C ( c ( p n c c ) ) (5.7) one =, por ser un sstema smétrco y equlbrao. o p n En la parte alterna, el sstema e ecuacones que relacona la correntes con la tensón pcc es el msmo que el efno en la ecuacón (5.3). De nueo hay que relaconar la parte alterna con el bus e contnua. a ecuacón (5.8) muesta las funcones e conmutacón S j el nersor NPC e tres neles y la relacón exstente entre ellas. Exsten 6 funcones e conmutacón, entre la cuales 3 se utlzan como arables e control nepenentes. j S j { p, o, n} =, one S j, s conectao a =, s no { a, b} j { p, o, n} j (5.8) as ecuacones (5.9) muestran la relacón exstente entre las arables e la parte contnua y alterna. ao bo = S = S ap bp p p S S an bn n n p n = S = S ap an S S bp bn (5.9)

33 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág. 33 Fnalmente, el moelo el espaco e estaos e gran señal para un nersor monofásco e tres neles ene expresao por el sstema e la ecuacón (5.). t p n S ap S = 2 Cc S an S 2 Cc bp bn S ap S bp S an S bn p n 2 C 2 C c c pcc c (5.) 5.3. Moelao e los nersores trfáscos os moelos e las ecuacones e estao e los nersores trfáscos presentan una mayor compleja que los e los nersores monofáscos. En prmer lugar se obtenrá el moelo el espaco e estao e gran señal en el omno temporal e caa nersor. Seguamente se eucrá un moelo equalente en un nueo omno -q-o que faclta su mplementacón. Fnalmente se obtenrán las ecuacones en régmen permanente y el moelo el espaco e estaos e pequeña señal en el nueo omno para permtr su control Moelo el nersor trfásco VSI e os neles a fgura 5.4 muestra la estructura el sstema trfásco con un nersor VSI e os neles. p p S ap a a a' a N - c pn C c S an S bp S bn S cp b c b c b c b N c N - - N S cn - n n oa N Fgura 5.4. Moelo conmutao el sstema con el nersor trfásco VSI e 2 neles.

34 Pág. 34 Memora as arables e control el nersor son análogas al caso monofásco: las correntes que crculan por el fltro e sala e caa fase ( a, b e c,) y la tensón en bornes el conensaor pn. as arables e entraa son las tensones smples en el punto e conexón con la carga ( a N, b N y c N ) y la corrente proceente e los paneles solares c. a ecuacón (5.2) muestra el moelo el bus e contnua, mentras que la ecuacón (5.) representa la parte alterna. one co bo ao,, : tensones e los puntos a, b, c referas al punto neutro o. 3 co bo ao No = : tensón el neutro e alterna N refero al neutro e contnua o. as leyes que han e cumplr las funcones e conmutacón e un nersor trfásco e os neles enen efnas por la ecuacón (5.2). En este caso hay 6 funcones e conmutacón, e las cuales sólo 3 son nepenentes. as ecuacones (5.3) relaconan la parte contnua y alterna e este conertor. { } = n p j S j,, one { } { } n p j c b a j S j,,, no s, conectao a s, = (5.2) = = c b a cp bp ap cp bp ap n p pn cp bp ap co bo ao S S S S S S S S S (5.3) = N c N b N a No co No bo No ao c b a t ' ' ' (5.)

35 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág. 35 Para facltar el control en los sstemas trfáscos, nteresa trabajar con arables contnuas en el tempo. Para poer promearlas la expresón (5.4) efne el operaor promeao mól, el cual se aplca a toas las arables el moelo. En la expresón (5.5) se aplca el operaor promeao mól a las funcones e conmutacón S j, resultano los uty-ratos j como arables contnuas equalentes. a ecuacón (5.8) muestra la ersón promeaa e la ecuacón (5.6). Para abrear las expresones, la notacón empleaa para esgnar las arables promeaas será la msma que hasta ahora. A partr e las ecuacones anterores se puee efnr moelo el espaco e estaos en gran señal para el nersor VSI trfásco e os neles (5.7). = c N c N b N a c pn c b a c cp c bp c ap cp bp ap cp bp ap cp bp ap pn c b a C C C C t ' ' ' (5.7) = = c b a cp bp ap cp bp ap n p pn cp bp ap co bo ao (5.6) () ( )τ τ S T t t T t j s j s = (5.5) () ( ) x t T x a s t T t s = τ τ, one T s = períoo e conmutacón (5.4)

36 Pág. 36 Memora Moelo el nersor trfásco NPC e tres neles a fgura 5.5 muestra el moelo conmutao el sstema trfásco con un nersor e tres neles e topología NPC. p p c p pn n - o - 2C 2C c o c S ap S ao S an S bp S bo S bn S cp S co S cn a b c a b c a b c a N - b N - c N - N - n n oa N Fgura 5.5. Moelo el sstema con el nersor trfásco NPC e 3 neles. a ecuacón (5.7) moela el comportamento e la tensón p y n el bus e contnua. mentras que la parte alterna ene representaa por el sstema e ecuacones (5.), que relacona las correntes a, b, c con las tensones a N, b N, c N. Para un nersor trfásco e tres neles, las leyes que han e cumplr sus funcones e conmutacón enen expresaas en la ecuacón (5.8). j S j { p, o, n} =, one, s conectao a S j =, s no { a, b, c} j { p, o, n} j (5.8) En este caso, exsten 9 arables e control, 6 e las cuales son nepenentes. Estas funcones e conmutacón nos permten eucr las ecuacones (5.9). ao bo co S = S S ap bp cp S S S an bn cn p n p n S = S ap an S S bp bn S S cp cn a b c (5.9)

37 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág. 37 Aplcano el operaor meo mól a (5.9) resulta la ecuacón promeaa (5.2). ao bo co = ap bp cp an bn cn p n p n = ap an bp bn cp cn a b c (5.2) De acuero con las expresones anterores, el moelo el espaco e estaos el nersor trfásco e tres neles NPC ene ao por el sstema e la ecuacón (5.2). t a b c p n = 2 C 2 C ap an c c 2 C 2 C bp bn c c 2 C 2 C cp cn c c 2 ap ap ap bp bp 3 bp cp cp cp 2 an an an bn bn 3 bn cn cn cn a b c p n 2 C 2 C c c a b c ' N ' N ' N c (5.2) os prncpales problemas que presentan los moelos el espaco e estaos efnos anterormente son que las arables e estao no permanecen constantes, n squera en régmen permanente., y que los sstemas no son lneales, ya que los uty-ratos pertenecen a la matrz e estao. Pese a estos nconenentes, los métoos e control para sstemas monofáscos permten trabajar fáclmente con los moelos e estaos. No obstante, el control e los sstemas trfáscos es mucho más complejo, ya que aumenta conserablemente el número e arables, y precsa trabajar con alores constantes.

38 Pág. 38 Memora Moelos el espaco e estaos e gran señal en coorenaas -q-o Uno e los nconenentes e los moelos e estao escrtos anterormente es que las arables no permanecen constantes en régmen permanente. Este nconenente complca la resolucón y control el sstema, especalmente en el caso trfásco. Un métoo e smplfcacón muy exteno en moelos trfáscos consste en hacer un cambo e ejes que permta trabajar en un espaco en el que las arables aqueran alores constantes (en régmen estaconaro). Este nueo espaco se conoce como omno -q-o [5] y la transformacón que permte el cambo e ejes el omno temporal al omno -q-o se conoce con el nombre e Transformacón e Park (er Anexo D para más etalles). S se aplca la Transformacón e Park a las arables e tensón, corrente y uty-ratos utlzaos para esarrollar las ecuacones e los moelos en el omno temporal, se obtenen sus equalentes en el nueo sstema e ejes -q, tal y cómo muestran las ecuacones (5.22), (5.23), y (5.24). a componente e tensón a N se ha fjao como referenca el omno -q, es ecr, que la componente e las tensones en el punto e conexón ( Y ) está en fase con este eje. Y Yq Y Y Yq Y = = [ T ] [ T ] a b c a' N b' N c' N (5.22) (5.23) p pq p n nq n = [ T ] ap bp cp an bn cn (5.24) one Y = y Y =, ya que el sstema es smétrco y equlbrao. Aplcano la Transformacón e Park al moelo el espaco e estaos temporal e la ecuacón (5.7) se obtene el moelo el espaco e estaos en coorenaas -q-o para el nersor trfásco e os neles e la ecuacón (5.25).

39 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág. 39 De forma análoga, a partr e la Transformacón e Park el moelo e la ecuacón (5.2) obtenemos el moelo equalente en coorenaas -q para el nersor trfásco e tres neles, e la ecuacón (5.26). one n p o n p pn = = Con estos nueos moelos se elmna uno e los nconenentes presentes omno temporal, ya que ahora las arables e estao tenen un alor constante. No obstante, el sstema sgue seno no lneal, ya que las funcones uty-ratos contnúan epeneno el tempo. = C C C C t pn yq y c nq pq c n p c nq pq c n p nq pq nq pq n p n p pn yq y ω ω c yq y c C 2 (5.26) = c Yq Y c pn Yq Y c pq c p pq p pn Yq Y C C C t ω ω (5.25)

40 Pág. 4 Memora Ecuacones en régmen permanente en coorenaas -q-o A partr e los moelos e las ecuacones (5.26) y (5.27) pueen eucrse las expresones que efnen el comportamento el sstema en régmen permanente. as hpótess, 2 y 3 asumen que el sstema es smétrco, con tensones equlbraas en el bus e contnua y factor e potenca untaro. Sabeno que las eraas en régmen estaconaro son nulas y susttuyeno toas las arables por sus alores en régmen estaconaro (notacón en mayúsculas) se obtenen las expresones (5.27) el sstema en régmen permanente. D D I I V q y yq V = V V = V V pn = V V pn = V = I y pn yq pn I 2 y I 2 y = ω I c V V V V V 2 y 2 y V 2 yq V 2 yq 2 yq ω I c V V V c c y yq 2 yq yq y one D D D D n = D = D = D p pq p = D = D = D n n nq 2 2 ( D D ) 2 q (5.27) Algunas conseracones a tener en cuenta son: as correntes e sala el nersor en régmen permanente epenen sólo e las tensones e sala y el bus e contnua. as relacones entre uty-ratos en régmen permanente D p = -D n, D p = -D n, establecen, e un moo matemátco, el comportamento smétrco e las funcones e conmutacón para los puntos p y n. Es ecr, que en régmen permanente, las funcones e conmutacón e la línea p y la línea n son guales pero esfasaas 8º, lo cual, en coorenaas -q-o, se trauce en un cambo e sgno. as componentes cero e los uty-ratos en coorenaas -q son una mea el esequlbro el punto neutro, y en estao estaconaro eben ser guales (D p = D n ). as componentes cero e los uty-rato no nfluyen en el moelo en régmen permanente. No obstante, se puee establecer un alor constante mínmo para estas

41 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág. 4 componentes cero, efno por la concón e que los uty-rato en el omno temporal tenen que ser postos (5.28). mn( 2 3 D 2 2 ω ( D Dq ) (5.28) 2 D ap ) = mn D p cos( t) Dq sn( ω t) D Moelos el espaco e estaos e pequeña señal en coorenaas -q-o Para poer señar el control el sstema trfásco nteresa sponer un moelo lnealzao e las perturbacones e las arables e estao. Este moelo lnealzao entorno al punto e operacón se conoce con el nombre e moelo el espaco e estaos e pequeña señal Toa arable x(t) se puee expresar como suma e su alor en régmen permanente X más la mea e su perturbacón x ˆ( t), según muestra la ecuacón (5.29). x ( t) = X xˆ( t) (5.29) Susttuyeno la expresón anteror en la ecuacón (5.) que efne el comportamento el sstema lneal e mponeno la concón e régmen estaconaro, ( X ) =, se obtene la expresón genérca (5.3) e un sstema lnealzao entorno al punto e operacón t t [] xˆ [ A( D) ][] xˆ [ A( ˆ) ][ X ] [ B][ uˆ ] = (5.3) Aplcano la expresón anteror al nersor trfásco e os neles, la lnealzacón el moelo e la ecuacón (5.25) alreeor el punto e operacón resulta en el moelo el espaco e estaos e pequeña señal escrto en la ecuacón (5.3). Dos arables e estao aconales ˆ ˆ ) han so ntroucas para proporconar un control ntegral e las arables ˆ Yq, ˆ pn. ( IYq, I pn a justfcacón e estas nueas arables se comentará con más etalle al escrbr el funconamento el sstema e control.

42 Pág. 42 Memora De forma análoga, la ecuacón (5.32) muestra el moelo el espaco e estaos e pequeña señal el nersor trfásco e tres neles. = ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ I I I C D D C D D C D D C D D D D D D D D D D I I I t pn yq pn yq y c nq pq c n p c nq pq c n p nq pq nq pq r n p n p r pn yq pn yq y ω ω c yq y c nq pq n p c yq c yq c y c y c yq c yq c y c y pn pn pn pn C C I C I C I C I C I C I C I C I V V V V V V V V ˆ ˆ ˆ 2 ˆ ˆ ˆ ˆ (5.32) = pq p c Yq c Y pn pn pn Yq pn Yq Y c pq c p pq p pn Yq pn Yq Y C I C I V V I I C D C D D D I I t ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ω ω c Yq Y c C ˆ ˆ ˆ (5.3)

43 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág Concones e funconamento as concones e funconamento establecas para la smulacón e los nersores enen etermnaas por el tpo e nersor empleao. Puesto que en este proyecto nteresa estuar nersores con conexón a la re eléctrca española, se han usao como moelos e referenca el nersor Sunny Boy 2 e SMA, para el caso monofásco, y el Sunny Boy Central como nersor trfásco [6]. a tabla 5. resume las concones e funconamento establecas para los nersores monofáscos y trfáscos e os y tres neles. a eleccón e estos parámetros se ha hecho en base a las especfcacones e los nersores e os neles Sunny Boy anterores [6]. Cabe estacar que se han establecos las msmas entraas para os y tres neles con el objeto e poer compararlos en las msmas concones e trabajo. Valor nomnal Magntu Símbolo nersor monofásco nersor trfásco Tensón e entraa (V) V pn 5 8 Corrente e entraa (A) c 4, 2,5 Potenca e entraa (kw) P n 2 Factor e Potenca FP Tabla 5. Parámetros e entraa e los nersores monofáscos y trfáscos. El nersor monofásco utlza transstores MOSFET, con frecuenca e conmutacón e khz. os nterruptores e los nersores trfáscos son generalmente IGBT. a frecuenca e conmutacón se fja tambén en khz. Puesto que en el moelo teórco en MATAB los nterruptores rán efnos por su comportamento matemátco, se partrá e la hpótess e que los nterruptores son eales Influenca e las cargas El nersor está conectao a la re eléctrca en la sala e alterna, y a su ez a una carga que puee ser lneal o no. En este estuo, las cargas son smétrcas y equlbraas, y se establece que

44 Pág. 44 Memora tenen un consumo el 3% sobre la potenca total, e moo que el 7% restante se nyecta rectamente a la re. a tabla 5.2 muestra los tpos e carga conseraos. Carga Inersor monofásco Inersor trfásco Resstenca R = 88,2 Ω R = 53 Ω Resstenca Inuctanca R = 88,2 Ω; q = 9mH R = 52,8 Ω; q = 9mH Rectfcaor (no lneal) R = 88,2 Ω R = 53 Ω Tabla 5.2. Cargas conectaas a la sala el nersor. Cuano un nersor se conecta a la re públca, es esta re la que etermna sus alores e tensón y frecuenca e sala. S aemás exsten cargas conectaas en paralelo con la re, la tensón y frecuenca en el punto e conexón (PCC) eben segur seno fjaas por la re, con nepenenca e la carga conectaa. No obstante, la reala es que la tensón en el PCC sí que tene una pequeña epenenca e la carga, ebo a la mpeanca nterna el sstema e strbucón e la re eléctrca, s. Por esta mpeanca crcula una corrente que prooca que se genere una pequeña aracón en la tensón el PCC respecto la e la re, aemás e proocar la nyeccón e armóncos. Magntu Símbolo Valor Tensón efcaz fase-neutro V s 23 V Frecuenca e re f s 5 Hz Impeanca nterna s 47 µh Tabla 5.3. Parámetros e la re eléctrca Dseño e los componentes pasos Como componentes pasos se entenen las nuctancas y conensaores que actúan como fltros e entraa y sala el sstema. El seño e estos componentes ha e ajustarse a un compromso entre costes y prestacones, e manera que cubran las necesaes báscas el sstema. Dersas smulacones en MATAB/Smulnk han permto asgnar alores aecuaos a estos componentes.

45 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág Conensaor el bus e contnua El objeto e los conensaores el bus e contnua es almacenar la potenca e entraa que llega al nersor ese los paneles, manteneno la tensón e entraa a un alor constante. Cuanto mayor es la capaca el conensaor menor es el rzao e la tensón e entraa, e moo que se reuce el número e armóncos e baja frecuenca a la sala. No obstante, a mayor capaca, más lenta es la respuesta el sstema y mayor es el coste el conensaor. a tabla 5.4 muestra las capacaes C c escogas para los conensaores e entraa en base a procurar un compromso entre estos factores. El alor e la capaca e los conensaores en los nersores e tres neles ebe ser el oble e la capaca total el bus (2 C c ). Conensaores el Valor nomnal Símbolo bus e contnua nersor monofásco nersor trfásco Inersor e os neles C c 56 µf 8 µf Inersor e tres neles 2 C c, mf 36 µf Fltro e sala Tabla 5.4. Capaca e los conensaores el bus e contnua. Una ez escogo el tamaño el conensaor, se seña la bobna que actuará como flro e sala. El objeto e este fltro es reucr la storsón armónca e alta frecuenca a la sala el nersor, e manera que la tensón e sala aquera una forma e ona senoal, con un nel e corrente armónca apta para ser nyectao en la re. El alor e la nuctanca el fltro ebe ser lo más pequeña posble, sempre que la storsón armónca quee entro e los límtes establecos en el IEC (er Anexo C), ejano margen para permtr un aumento e la storsón. a tabla 5.5 recoge el alor ncal e fltro selecconao para los nersores monofáscos y trfáscos e os y tres neles. Magntu Símbolo Valor nomnal Fltro e sala 5 mh Tabla 5.5. Inuctanca el fltro e sala.

46 Pág. 46 Memora 5.7. Sstemas e Control a eleccón e una metoología aecuaa e control es muy mportante a la hora e optmzar el funconamento el nersor. El sstema e control permte establzar el nersor entorno a su punto e operacón, garantzano una tensón estable e entraa y unas formas e ona aecuaas en la sala. En este capítulo se realza un bree estuo e los sstemas e control empleaos tanto para el caso monofásco como para el trfásco. Para etar que la metoología e control empleaa puea nflur en la comparata entre los nersores e os y tres neles, se empleará el msmo crcuto en ambas topologías. A la hora e elegr un control aecuao para un etermnao sstema, la prmera pregunta a realzarse es qué se esea controlar. En el caso que se estua, el nersor se conecta a una tensón constante en la parte e contnua, y a la re y una carga en la parte e alterna. o que se pretene controlar es lo sguente: a tensón e contnua: para poer controlar la tensón e operacón el panel solar, y así trabajar en el punto e máxma potenca. El equlbrao e la tensón e contnua (en el nersor e tres neles): para garantzar que toos los spostos operan bajo la msma carga e trabajo, bloqueano la mta e la tensón e contnua. El factor e potenca e la re: para transferr la energía generaa en el panel solar a la re e alterna con la máxma efcenca posble Control el sstema monofásco El control ebe regular la tensón e entraa el nersor, garantzano que se establce entorno al alor eseao, y la forma e ona e la corrente nyectaa en la re, forzánola a que sea senoal y esté en fase con la tensón en el punto e conexón (e hecho sería óptmo que estuera en fase con la tensón e la re, pero en un sstema real no es posble obtener esta mea, ya que no se puee acceer tan arrba en la línea e strbucón). Entre los nersores fotooltacos con conexón recta a la re está muy exteno el uso e sstemas e control por regulacón e corrente, ya que crcutos e control muy sencllos basaos en regulaores Proporconal-Integral (PI), permten obtener altos factores e potenca y

47 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág. 47 correntes senoales e baja storsón armónca [7]. Para segur la tenenca general, se ha utlzao este métoo para el control e los nersores en el caso monofásco. a fgura 5.6 muestra el esquema el sstema e control empleao [8]. a señal e referenca s * es el alor eseao e corrente, mentras que s es la corrente real nyectaa por el nersor en la re. a referenca e corrente s * ebe tener la msma forma e ona que la tensón en el punto e conexón, pcc, y una ampltu tal que garantce una tensón contnua pn en el bus e contnua. Para ello, s * se obtene multplcano la tensón en el punto e conexón pcc por el error amplfcao entre la tensón eseaa en el bus e contnua pn * y su mea real pn. Una ez obtena la referenca s *, se compara con la mea e la corrente real s. El resultao e esta comparata resulta en la señal e control ref que se enía al moulaor PWM para regular la apertura y cerre e los nterruptores el nersor. pn Fltro notch s pn * - s* - Regulaor PI Regulaor PI2 ref pcc Fgura 5.6. Esquema e control el nersor monofásco El regulaor PI, corresponente al lazo e tensón, se seña e manera que establce pn en el alor eseao pn * (en el caso que se estua 5V) lo más rápo posble. El regulaor PI2 correspone al lazo e corrente, y su funcón es establzar la forma e ona e la corrente para que sea senoal y esté en fase con la tensón en el punto e conexón. a funcón e transferenca e un regulaor PI se puee expresar según la ecuacón (5.33). KI PI( s) = KP, one s, para el regulaor PI = (5.33) 2, para el regulaor PI2

48 Pág. 48 Memora os coefcentes proporconales (KP, KP 2 ) e ntegrales (KI, KI 2 ) eben garantzar una regulacón correcta el sstema, e manera rápa y estable, y con los parámetros e seño establecos. Tras ersas smulacones con MATAB/Smulnk, se han obteno para estos coefcentes los alores recogos en la tabla 5.6. KP KI KP 2 KI 2 -,45 -, 2 Tabla 5.6. Valores e los coefcentes e los regulaores PI y PI2. El fltro notch o para-bana stuao a la entraa e la señal pn se utlza para elmnar la componente a Hz que se crea en la tensón el bus e contnua ebo a la osclacón el punto neutro o en el nersor e tres neles. Debo a la presenca e os conensaores en la entraa el nersor, el punto neutro el bus e contnua no permanece fjo, como en el nersor e os neles, sno que manfesta una lgera osclacón. Esta osclacón ntrouce una componente armónca al oble e la frecuenca e re, es ecr, a Hz. Para elmnarla basta emplear un sencllo fltro e prmer oren centrao en esa frecuenca Control el sstema trfásco A ferenca el caso monofásco, el nersor trfásco requere un sstema e control bastante complejo, ya que las tensones y correntes son trfáscas, e nterenen muchas más arables e estao. Para garantzar la regulacón es ála una metoología semejante a la utlzaa en el nersor monofásco. El control ebería constar e tres lazos PID, uno por caa uno e los puntos a controlar. El nconenente es que el seño e mplementacón e un control e este tpo son complejos, ya que nterenen muchas arables y los ferentes lazos que lo componen están nterrelaconaos, e moo que cualquer aracón en uno e los parámetros afecta a su propo control y al el resto, pueno esestablzar el sstema. El métoo e control escogo ha so el control multarable general presentao en [9] y []. Este control multarable es general en el sento e que puee controlar e manera senclla el funconamento en gran señal e cualquer número e arables, aproechano la efecta e la técnca QR. as razones para elegr este métoo son:

49 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág. 49 Permte controlar los tres factores menconaos antrerormente. Es un control multarable que se ajusta automátcamente ante cualquer cambo en uno e los parámetros. Es álo tanto para topologías e os como e tres neles, arano smplemente el número e arables e estao. Fácl seño e mplementacón. Al estar en forma e funcón matrcal, los cálculos son muy rápos y las smulacones se ejecutan en poco tempo. En el control QR, el renmento e la regulacón se me meante la funcón e coste J (uˆ ) efna en la ecuacón (5.34), one [ xˆ ] es el ector e arables e estao, [ û ] el ector e arables e entraa, y [Q] y [R] la matrces e peso que eben establecerse para asegurar una respuesta rápa y un error nulo en régmen permanente. T T ([] xˆ [ Q][] xˆ [] uˆ [ R][] uˆ ) J ( uˆ) = t (5.34) a funcón e costes J (uˆ ) especfca el coste e las esacones en las arables e estao, así como el coste el esfuerzo e regulacón, con lo que puee tener en cuenta el coste relato e los stntos componentes en el sstema. Por ejemplo, un fltrao e tensón aconal requere más capaca y un fltrao e corrente más nuctanca, e manera que, según el coste relato, el peso e la esacón en la tensón y corrente pueen ajustarse. El objeto el métoo QR es hallar la matrz e gananca óptma [K] tal que la ley e control [] uˆ [ K ][] xˆ = mnmce la funcón e costes J (uˆ ) para un sstema lneal cuyo moelo el espaco e estaos ene efno por [] xˆ [ A][] xˆ [ B][] uˆ t =. Esta metoología control es ála tanto para un nersor e os cómo e tres neles. a únca ferenca raca en el número e parámetros que nterenen, ya que la topología e tres neles presenta más arables a controlar. a tabla 5.7 muestra el conteno e los ectores y matrces e la funcón e costes en caa una e las topologías.

50 Pág. 5 Memora nersor e 2 neles nersor e 3 neles [] xˆ [ ] T = ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ y yq pn Iyq Ipn T [] uˆ = [ ˆ ˆ p pq] [ ] [ ] T xˆ = ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ y yq pn I yq I pn I T [] uˆ = [ ˆ ˆ ˆ ˆ p n pq nq ] [ Q] = KP y [ R] = W KP yq KP pn KI yq KI pn [ Q] [ R] KPy = = W KP yq KP pn KP KI yq KI pn KI Tabla 5.7. Vectores y matrces que componen la funcón e costes a ley e control QR proporcona báscamente una regulacón proporconal, e moo que la accón ntegral que permte al controlaor anular los errores en régmen permanente se logra ncorporano las arables Iˆ yq, Iˆ pn y I ˆ, que son las ntegrales e î yq, ˆ pn y ˆ [] El control e la tensón e contnua se consgue gracas a la accón proporconal e ntegral ntrouca por las constantes KP pn y KI pn. De manera smlar, el equlbrao e la tensón e contnua en el nersor e tres neles se logra meante las constantes KP y KI. Para alcanzar un factor e potenca untaro, el ector e corrente en coorenaas -q [ y, yq ] ebe estar en fase con el ector e tensón fase-neutro [ y, yq ]. Para garantzar esta stuacón se ncorporan accones proporconales a las componentes y q e las perturbacones e corrente, meante los coefcentes KP y y KP yq. No obstante, no poemos aplcar accones ntegrales en ambas componentes, ya que al calcular las expresones e las correntes en estao estaconaro, efnas en (5.27), se conseró que no exstían péras, e moo que el ector e corrente real no concrá con el calculao en (5.27) porque esto ntroucría una nestabla en el sstema.

51 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág. 5 Para lograr que el ector e correntes y tensones estén en fase, etano la nestabla menconaa anterormente, prmero se establece que el eje esté en fase con la componente a e la tensón e re. Para ello se etecta la fase a e la tensón e re y su punto e paso por cero. Puesto que las tensones e re son smétrcas y equlbraas, el eje y el ector [ y, yq ] estarán en fase. En seguno lugar se le aplca una accón ntegral a yq meante KI yq, e moo que la componente q e la corrente conca con el alor calculao, que en el caso e un sstema smétrco y equlbrao es cero, nepenentemente e las péras. Tras probar en MATAB/Smulnk ferentes alores para las constantes el controlaor, el conjunto e alores que garantzan una respuesta rápa y un error nulo en estao estaconaro son los mostraos en la tabla 5.8. KP y KP yq KP pn KP KI yq KI pn KI W,, Tabla 5.8. Valores e los coefcentes e las matrces [Q] y [R]. El controlaor usa las señales, y c, V pn y las ecuacones (5.27) para calcular los alores y yq en régmen permanente e los uty-ratos y las arables e estao. as perturbacones e las arables e estao se calculan como ferenca entre su alor real y en régmen estaconaro. Posterormente, la matrz e control [K] se multplca por el ector e las perturbacones e las arables e estao para obtener las esacones e los uty-ratos, que junto con los alores anterores en régmen permanente, etermnan los uty-ratos. as componentes cero e los uty-ratos ( p, n ) no fguran en el moelo el espaco e estaos e (5.25) y (5.26), por lo que no son calculaas en este proceso. Exste un certo grao e flexbla en la seleccón e p y n, mentras cumplan la concón menconaa en (5.28). En este proyecto p y n han so fjaos a un msmo alor constante:,8. a fgura 5.7 muestra el esquema el control multarable mplementao en Smulnk.

52 Pág. 52 Memora (a) (b) Fgura 5.7. Esquemas el control multarable para (a) os y (b) tres neles

53 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág Verfcacón e los moelos Una ez obtenos los moelos e los sstemas fotooltacos ebe comprobarse su alez antes e comenzar a realzar las smulacones eseaas. En el caso e los sstemas monofáscos, los moelos son muy sencllos, ya que se componen e unas pocas ecuacones bastante ntutas. os moelos trfáscos, por el contraro, presentan una alta compleja, especalmente los corresponentes a los nersores e tres neles, por lo que será este caso en concreto el que nteresa erfcar (la alacón e estos moelos mplca que los el nersor e os neles tambén son álo, ya son análogos). El presente capítulo muestra la alacón expermental el moelo empleao para smular los sstemas fotooltacos trfáscos con nersor NPC usano como sstema e control la metoología multarable basaa en la técnca QR, esarrollaa por Salaor Alepuz en [9]. A contnuacón se transcrbe el proceso y los resultaos obtenos. os etalles el equpo expermental fguran en el Anexo F. 6.. Implementacón el sstema Con objeto e comprobar el comportamento el controlaor sobre un sstema con conexón a re, así como la alez e los moelos empleaos en las smulacones con MATAB/Smulnk, se ha montao y ensayao el sstema trfásco con nersor NPC e la fgura 6.. a fuente e corrente contnua puee moelar ersos sstemas, ese una bobna superconuctora (SMES) hasta un sstema fotooltaco. p p c p pn n - o - 2C c 2C o c S ap S ao S an S bp S bo S bn S cp S co S cn a b c a b c a b c a N - b N - c N - N - n n Fgura 6.. Conertor NPC con conexón a re.

54 Pág. 54 Memora El moelo corresponente ntrouco en el MATAB/Smulnk, es el escrto en el capítulo 5, y cuyo agrama e bloques ene representao en la fgura 6.2. A partr e este agrama e bloques se realzará el seño en harware el conertor (er Anexo F). pn comman Controller p pq n nq p n DQ abc ap, bp, cp an, bn, cn S ap,s bp,s cp PWM Moulator S an,s bn,s cn a N Dstrbutor S,S 22,S,S 2 S 3,S 44,S 33,S 4 S 5,S 66,S 55,S 6 Current Source 3-NPC-VSI ac Mans y, yq, y y, yq, y DQ abc a N, b N, c N a, b, c Feeback p, n,, c Fgura 6.2. Dagrama e bloques general el sstema. El prototpo el nersor NPC e tres neles ha so realzao usano IGBTs y con los sguentes alores para el sstema e la fgura 6.: Conertor NPC: C c = µf ; = 5 mh ; f s = khz Re: f = 5 Hz ; (V smple ) RMS = 2 V a fuente e corrente se ha mplementao meante una fuente e contnua trabajano como fuente e corrente. Esta fuente presenta una capaca e sala e 2,55 mf, que ebe añarse en el bus e contnua y que nfluye en el comportamento námco e la tensón total el bus e contnua ( pn ). Este ensayo se realza a baja potenca. Se preé una potenca máxma aproxmaa e 5 W en el conertor ( pn = 5 V, c = 3,3 A). as tensones trfáscas ( a N, b N, c N ) son e pequeño alor y puesto que se espreca la nuctanca e la línea e strbucón y no hay cargas conectaas, concen con las tensones trfáscas e re ( sa, sb, sc ) e alor 2 V RMS y se obtenen meante un transformaor trfásco a partr e la re trfásca conenconal. Cabe estacar que la tensón trfásca e fuente empleaa en el laboratoro no está totalmete equlbraa, por lo que se tenrá que tener en cuenta a la hora e analzar los resultaos.

55 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág. 55 El bloque e realmentacón se ha mplementao usano sesnsores e efecto Hall (EM A25 y EM V25). os bloques corresponentes al controlaor, la transformacón e Park y el moulaor PWM han so mplementaos usano una placa DSP ntegraa en el orenaor (SPACE2), que requere un tempo e cálculo e 4 µs para ejecutar la rutna e control. Aconalmente, puesto que el DSP no spone e entraas analógcas sufcentes para realmentar rectamente toas las arables meas, se ha realzao un multplexao e las arables meas. En consecuenca, las lecturas e las arables meas se refrescan en el DSP caa,2 ms. as transformacones están sncronzaas e manera que se etecte el paso por cero e la tensón a N Régmen permanente os resultaos e régmen permanente se han obteno con una corrente contnua e entraa ( c ) gual a,3 A y una consgna el bus e contnua ( pn ) e V, resultano en una potenca e 3 W. as tensones smples e re ( sa, sb, sc ) se muestran en la fgura 6.3(b). En comparacón con el sstema trfásco smulao (fgura 6.3(a)), se obsera que el sstema trfásco real presenta un lgero esequlbro, teneno en cuenta el pequeño alor e las tensones. 4 3 tensones sa - sb - sc (V) tempo(s) (a) smulacón (b) mea expermental Fgura 6.3. Tensones smples e re.

56 Pág. 56 Memora a fgura 6.4 muestra las correntes entregaas a la re. as smulacones se han realzao teneno en cuenta el esequlbro e las tensones e re, e ahí la concenca entre smulacón y mea expermental. En caso e smular el sstema conserano tensones e re equlbraas, se obtenen las correntes presentaas en la fgura correntes a - b - c (A) tempo (s) (a) smulacón (b) mea expermental (2 A/) Fgura 6.4. Correntes entregaas a la re trfásca ( a, b, c ) correntes a - b - c (A) tempo (s) Fgura 6.5. Smulacón e las correntes entregaas a la re trfásca ( a, b, c ), conserano tensones e re equlbraas.

57 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág. 57 En los sstemas en conexón a re, uno e los objetos habtuales consste en controlar el factor e potenca y, en partcular, consegur factor e potenca untaro. En la fgura 6.6 se obsera que el controlaor propuesto alcanza este objeto, puesto que tensón y corrente están en fase. 4 tenson sa (V) - corrente a (A) sa a tempo (s) (a) smulacón (b) mea expermental Fgura 6.6. Tensón smple ( sa ) y corrente ( a ) e la fase a. Se ha meo el renmento el sstema para ferentes potencas e entraa, resultaos que se muestran en la fgura 6.7. El renmento es superor al 9 % en too el rango e potenca expermentao. renmento potenca e entraa (W) Fgura 6.7. Renmento el sstema en funcón e la potenca e entraa.

58 Pág. 58 Memora 6.3. Cambo en la tensón total el bus e contnua Para el sstema e la fgura 6., con una corrente e entraa ( c ) gual a,5 A, se aplca un escalón en la consgna e la tensón total el bus e contnua ( pn ) e V a 8 V, con el objeto e aaptar la potenca que se entrega ese la fuente e corrente a la re. En la fgura 6.8 se apreca el bus e contnua equlbrao ( pn = V, p = n = 5 V) en los nstantes preos al cambo e consgna. Una ez realzao el cambo e consgna, las tensones se aaptan a su nueo alor ( pn = 8 V, p = n = 4 V) en unos 8 ms, con un rebasamento sgnfcato tensones p - n (V) tempo (s) (a) smulacón (b) mea expermental Fgura 6.8. Eolucón e las tensones el bus e contnua p (azul) y n (ere). a respuesta el sstema frente al cambo e consgna es lenta, a causa e la eleaa capaca e sala e la fuente e contnua empleaa como fuente e corrente (2,55 mf). Esta capaca afecta a la námca e la tensón total el bus e contnua ( pn ), pero no afecta a la námca el punto meo el bus e contnua, que epene e las capacaes el conertor. a capaca e la fuente e tensón se ha ncorporao en las smulacones efectuaas, con objeto e smular el sstema real con la máxma fela posble. En la fgura 6.9 se presentan la tensón smple e re y la corrente entregaa a la re urante el transtoro. Se obsera que, en too momento, tensón y corrente se hallan en fase y el factor e potenca es untaro.

59 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág ( ) 2-2 tenson sb (V) tempo (s) (a) smulacón (b) mea expermental Fgura 6.9. Eolucón e la tensón smple ( sb forma e ona mayor) y la corrente ( b forma e ona menor) e la fase b Obseracones sobre los resultaos obtenos En base a los resultaos obtenos, se puee conclur que: os moelos matemátcos empleaos en el MATAB/Smulnk son correctos, ya que los resultaos concen con los obtenos e forma expermental en el laboratoro. a metoología e control multarable se muestra efecta y es capaz e asegurar el equlbro el bus e contnua, el factor e potenca untaro y regular la potenca entregaa a la re (meante el control e la tensón total el bus e contnua) en régmen permanente y transtoro.

60 Pág. 6 Memora 7. Estuo estátco En este capítulo se presentan los resultaos e las smulacones e los sstemas fotooltacos en régmen permanente, con las concones e trabajo establecas en el capítulo 5. os resultaos e las topologías e os y tres neles se presentan e forma conjunta para poer así establecer una comparata más fácl y recta. 7.. Comportamento estátco e los nersores monofáscos Para analzar el comportamento e los nersores en un sstema monofásco se han ejecutao los archos twoleel_ph.ml y threeleel_ph.ml, estableceno un tempo e smulacón e 3 ms y un tempo e cálculo e 2µs Sstema monofásco sn carga En este apartao, el nersor se conecta rectamente a la re, sn la presenca e cargas aconales. a fgura 7. muestra las formas e ona e la tensón en el punto e conexón (PCC), pcc, y la corrente a la sala, s, para caa nersor. A prmera sta las os fguras parecen guales, no obstante exsten algunas ferencas a nel e storsón armónca. 4 3 pcc s 4 3 pcc s 2 2 pcc (V), s (A) - pcc (V), s (A) Tme(s) (a) Tme(s) (b) Fgura 7.. Tensón en el PCC, pcc, y corrente e sala, s, el nersor e (a) os neles y (b) tres neles.

61 Conertores CC/CA para la conexón recta a la re e sstemas fotooltacos Pág. 6 Para poer analzar los armóncos presentes en las señales anterores, se calcula su Transformaa Rápa e Fourer (FFT), la cual permte analzar señales temporales en el omno e la frecuenca y extraer así sus componentes armóncas. a fgura 7.2 muestra la forma e ona e la tensón pcc en el omno temporal, y su FFT urante un cclo e reloj en régmen estaconaro (en este caso, entre 28 y 3 ms). En el cálculo e toas las FFTs se ha conserao una frecuenca 5 eces mayor que la e conmutacón, es ecr 5 khz, para abarcar tanto los armóncos e alta como los e baja frecuenca. En las fguras 7.2(a) y 7.2(b) se puee obserar que la storsón e tensón en el PCC es la msma para la topología e os y tres neles (THD =,2%), ya que la tensón es en ambos casos la e la re. Fgura 7.2. FFT e la tensón en el PCC ( pcc ). a prncpal ferenca entre topologías e os y tres neles raca en el grao e storsón e la tensón a la sala el nersor antes el fltro. a fgura 7.3 muestra cómo la storsón armónca e la tensón e sala, out, es mucho menor en el nersor e tres neles (THD = 3,23 %) que en el e os (THD = 9,36 %), ya que cuanto mayor es el número e neles e tensón más se aproxma la forma e ona a la senoe eseaa.

62 Pág. 62 Memora (a) (b) Fgura 7.3. FFT e la tensón out a la sala el nersor e (a) 2 neles y (b) 3 neles. a storsón e la tensón e sala, out, se transmte a traés el fltro a la corrente s nyectaa por el nersor. Cuanto mayor sea este fltro, menor será esta storsón. En la fgura 7.4 se obsera que, al gual que suceía con la tensón e sala, la corrente armónca es menor en la topología e tres neles. (a) (b) Fgura 7.4. FFT e la corrente s nyectaa por el nersor e (a) 2 neles y (b) 3 neles.