CONVERTIDOR FUENTE Z PARA APLICACIONES FOTOVOLTAICAS

Transcripción

1 SNES2010SF015 ONERTIDOR FUENTE Z PARA APLIAIONES FOTOOLTAIAS íctor M. Sánchez, Freddy han Puc Universidad de Quintana Roo, División de iencias e Ingenierías, Av. Boulevard Bahía s/n, hetumal, Quintana Roo, 77019, México. Tel: (983) , Fax: (983) , vsanchez@uqroo.mx Juan M. Ramírez 1, Julio. Rosas aro 2 1 INESTA Guadalajara, Sistemas Eléctricos de Potencia, Av. ientífica 1145, Zapopan, Jalisco, 45015, México. Tel: (33) , Fax: (33) Instituto Tecnológico de iudad Madero, División de Estudios de Postgrado e Investigación Juventino Rosas esquina Jesús Urueta, ol. Los Mangos..P , d. Madero, Tamps. Teléfono: (833) RESUMEN El sistema de acondicionamiento de energía (SAE) para conectar un sistema fotovoltaico (SF) a la red eléctrica típicamente se realiza mediante la conexión en serie de un convertidor DD (onvertidor Elevador) y un convertidor DA (Inversor). Esta configuración tiene como desventaja a que el uso de los dos convertidores en cascada disminuye la eficiencia total del sistema debido a que la energía producida por los paneles fotovoltaicos es procesada en dos ocasiones, además de incrementar los costos del SAE. En este trabajo se propone un convertidor fuente Z para la conexión del sistema fotovoltaico a la red eléctrica. La principal ventaja del convertidor fuente Z es que no requiere del convertidor DD de entrada sino que utiliza una red de impedancia basada en elementos pasivos para acoplar la fuente de alimentación con el circuito principal de conmutación que permite controlar tanto el voltaje del enlace de D como el voltaje de A de salida solo con los interruptores del puente inversor. En este trabajo se presenta el principio de operación, análisis, y resultados de simulación de un convertidor fuente Z. Los resultados de simulación demuestran que el convertidor fuente Z permite la conexión de un sistema fotovoltaico a la red eléctrica de una forma eficiente y confiable. ABSTRAT The energy conditioning system for connecting a photovoltaic system to the power grid is typically carried out by means of a series connection of a DD (step up converter) and a DA converter (inverter). The disadvantage of this configuration is that the use of two converters in cascade decreases the total efficiency of the system due to the fact that the energy produced by the photovoltaic panels is processed in two occasions. This work proposes a Zsource converter for the connection of the photovoltaic system to the power grid. The main advantage of the Zsource converter is that it does not requires the DD converter as an input but it uses an impedance network based on passive elements to link together the power supply with the main switching circuit which enables the control of the linking D voltage as well as the output A voltage with only the bridge inverter switches. The operation principles, analysis and the simulation results of a Zsource converter is presented in this work. The simulation results show that the Zsource converter enables the connection of a photovoltaic system to the power grid in an efficient and reliable manner. Palabras lave Acondicionamiento de energía, Electrónica de potencia, Inversor fuente Z, Sistemas fotovoltaicos, Sistemas interconectados, Red eléctrica. INTRODUIÓN El crecimiento constante de la población mundial ocasiona un incremento en la demanda de energía que le permita satisfacer sus necesidades básicas así como permitirle su crecimiento económico. onvencionalmente, la generación de energía se realiza principalmente a partir de combustibles fósiles que además de ser recursos no renovables implican una importante emisión de partículas contaminantes que han llevado innegablemente a un proceso de cambio climático mundial. Ante este panorama, la investigación y desarrollo de sistemas de generación de energía a partir de fuentes renovables, libre de emisiones contaminantes, se ha convertido en un tema prioritario en la agenda de energía de todos los gobiernos del mundo. Los sistemas de generación fotovoltaicos han sido estudiados extensamente en las últimas 2 décadas. Un sistema fotovoltaico requiere de un convertidor de potencia para que la energía que produce se pueda conectar a una carga de A o interconectarse a una red eléctrica. Los principales costos de un sistema de generación fotovoltaico, sin un sistema de almacenamiento de energía (banco de baterías, supercapacitores, hidrógeno), recaen en los módulos solares y en el convertidor electrónico de potencia del SAE. Sin embargo, en los últimos años los precios de los módulos fotovoltaicos han descendido mientras que el precio de los convertidores de potencia se han mantenido casi en el mismo rango de precio, por lo que es necesario reducir el costos de los SAEs en aplicaciones fotovoltaicas para que los SFs se vuelvan comercialmente competitivos (Dugan, 2002). Tradicionalmente un SAE para un SF consiste de dos etapas con convertidores de potencia conectados en serie más un transformador de baja frecuencia (Xue Y., 2004). La primera etapa del SAE es un convertidor DD que eleva el voltaje generado por el SF mientras que el segundo convertidor convierte el voltaje de D en A (inversor). El transformador de baja frecuencia permite la conexión del SF a la red eléctrica y puede proporcionar una ganancia del voltaje de salida del inversor. Sin embargo, este transformador incrementa los costos del SAE además de disminuir la eficiencia total del sistema. Usualmente, un transformador de línea está asociado con un gran volumen y ruido acústico. Además, el inversor tiene que ser sobredimensionado para compensar el rango de variación del voltaje generado por el SF. La Fig. 1 muestra la configuración típica de un SAE de dos etapas.

2 Fig. 1. SAE convencional. Las limitaciones que presenta esta configuración de SAE son: (i) el rango de voltaje de salida está limitado a ser mayor o menor que el voltaje en el enlace de D; (ii) los circuitos principales son específicos y no intercambiables; (iii) son vulnerables al ruido EMI, el cual puede cerrar dos interruptores de la misma rama en un S y destruir el convertidor (Peng, 2003) (Peng, 2008). En este trabajo se presenta el uso de un convertidor fuente Z en aplicaciones fotovoltaicas como una solución a la reducción de costo del SAE. Esto se debe a que el convertidor fuente Z elimina la necesidad de utilizar tanto el transformador de línea para conectarse a la red eléctrica así como de la etapa del convertidor elevador a la entrada del SAE. El convertidor fuente Z integra una fuente de impedancia Z a la entrada que junto con un esquema de conmutación le permite elevar el voltaje generado por el SF e interconectarse a la red eléctrica. El convertidor fuente Z emplea un menor número de componentes con respecto a un SAE tradicional lo que contribuye a una reducción de costos y de volumen al emplearlo como SAE para SFs. ONERTIDOR FUENTE Z La Fig. 2 muestra la topología del convertidor fuente Z para ser empleado como SAE en SFs. Fig. 2. Topología del convertidor fuente Z. El convertidor fuente Z es utilizado principalmente como un convertidor DA; por lo que también se le conoce como inversor fuente Z [3]. La ventaja del inversor fuente Z es que realiza la elevación e inversión del voltaje de D del SF en una sola etapa. omo se observa en la Fig. 2, el inversor fuente Z emplea una red de impedancia a la entrada, la cual está integrada por dos inductores y dos capacitores conectados diagonalmente. Posteriormente se encuentra la etapa del inversor trifásico con sus característicos seis interruptores. omparando el inversor fuente Z con un SAE de dos etapas se observa que ocupa un menor número de interruptores y no requiere del transformador de línea a la salida para ser acoplado a la red eléctrica. El inversor fuente Z utiliza la red de impedancia de entrada para elevar el voltaje de entrada. La elevación de voltaje mediante la red de impedancia es realizada por el inversor fuente Z mediante estados de cortocircuito del inversor de salida. Esta característica del inversor fuente Z de manejar estados de corto circuito aumenta la confiabilidad del SAE (Peng, 2004). Además, al no requerir de tiempo muerto entre los interruptores de una rama del inversor de salida, el inversor fuente Z permite generar un voltaje de A con baja Distorsión Armónica Total (THD por sus siglas en inglés, Total Harmonic Distortion ) y facilita el diseño de su etapa de control. El inversor fuente Z cuenta con una eficiencia elevada ya que está formado por una sola etapa de conversión de energía. Los inductores y capacitores de la red de impedancia de entrada hacen las veces de medio de almacenamiento de energía, por lo que estos pueden ser diseñados óptimamente para que sean de valores pequeños y bajo costo. PRINIPIO DE OPERAIÓN DEL ONERTIDOR FUENTE Z Para explicar el principio de operación del inversor fuente Z, comenzaremos analizando su etapa inversora de salida. Esta etapa inversora de salida consta de seis interruptores en tres arreglos pares, denominados ramas del inversor. Esta etapa inversora de salida es similar a la de un inversor convencional fuente de voltaje. Un inversor trifásico fuente de voltaje consta de ocho posibles estados, seis de los cuales se denominan estados de conmutación activos ya que la combinación de los estados de los interruptores de las ramas conectan a la carga a una diferencia de potencial que permite establecer una corriente a través de ella. Los otros dos estados posibles del inversor de salida corresponden a los estados en que la carga es cortocircuitada debido a que es conectada por los tres interruptores superiores o los tres interruptores inferiores a un mismo potencial, por lo que el voltaje reflejado en la carga es cero. Estos estados son denominados estados de conmutación cero. Sin embargo, un inversor trifásico de un inversor fuente Z incorpora un estado de conmutación cero adicional. Este estado cero adicional se logra por el cortocircuito de ya sea de una de las tres ramas del inversor, dos de ellas o las tres en total. uando este estado cero es establecido, el voltaje aplicado a la carga es cero. Este estado de cortocircuito es prohibido en un inversor convencional de fuente de voltaje ya pondría en cortocircuito la fuente de entrada y provocaría su destrucción. En un inversor fuente Z esta condición es permisible ya que la red de impedancia de entrada evita el cortocircuito de la fuente de entrada. Para entender mejor este concepto analizaremos el circuito equivalente de la red de impedancia del inversor fuente Z visto desde la fuente de entrada, el cual se muestra en la Fig. 3. IN D 1 L Fig. 3. ircuito equivalente del inversor fuente Z visto desde la fuente de entrada. El circuito equivalente de la Fig. 3 cuenta con dos posibles estados de conmutación. Estos dos posibles estados dependen del inversor trifásico de salida. Uno de esos estados corresponde a uno de los ocho posibles estados del inversor de salida en que no se establece el L 2 v out

3 estado de cortocircuito en algunas de sus ramas. La fig. 4 muestra el circuito equivalente del inversor fuente Z visto desde la fuente de entrada sin el estado de cortocircuito. IN I L1 L Fig. 4. ircuito equivalente del inversor fuente Z visto desde la fuente de entrada en uno de los ochos estados. L 2 I L2 v out Durante los estados diferentes al estado corto, el diodo se cierra y se considera como un simple conductor. El voltaje de salida de la red de impedancia de entrada igual a la suma de voltajes de los dos capacitores menos el voltaje en la entrada, como se muestra en la Fig. 5. Fig. 5. ircuito equivalente del inversor fuente Z durante los estados diferentes al del cortocircuito. El segundo estado del inversor fuente Z corresponde al estado de conmutación cero correspondiente al estado de cortocircuito del inversor de salida. El cortocircuito del inversor de salida se establece mediante el cortocircuito de cualquiera de las tres ramas del inversor o por todas ellas. La fig. 6 muestra el circuito equivalente del inversor fuente Z visto desde la fuente de entrada visto desde la fuente de entrada. IN I L1 L L 2 I L2 v out Fig. 6. ircuito equivalente del inversor fuente Z visto desde la fuente de entrada en el estado de cortocircuito. omo se observa en la Fig. 6, durante este estado de corto, los capacitores 1 y 2 quedan conectados en serie y polarizan de forma inversa el diodo por lo que este no conduce. Durante este estado de cortocircuito el voltaje visto a la salida de la red de impedancia es cero. La relación de entradasalida del inversor fuente Z se realiza con base en el balance de energía en el inductor. En estado estable, el voltaje promedio a través de un inductor durante un ciclo (o periodo) de conmutación es cero, y puede ser expresado como: 1 v L ( t) t on toff ( in ) 0 (1) Ts TS Donde t on es el tiempo de corto, t off es el tiempo en el que el puente tiene cualquier otro estado, y T S es el periodo de conmutación. Si D es el ciclo de trabajo para la fuente de impedancia, definido como el tiempo de corto entre el periodo de conmutación. D = t on T s ; 1 D = t off T s (2) Sustituyendo (2) en (1), el voltaje promedio en el inductor es: v ( t) D( ) (1 D)( ) 0 (3) L in Ts on base en (3) se establece que: in D (4) 2D El voltaje por rama del inversor con respecto al punto neutro (punto medio de los capacitores del enlace de D) que se puede generar con un inversor con fuente de voltaje, Fig. 1, es igual al voltaje total en el bus de D dividido entre dos para un esquema tradicional de PWM basado en portadora. Lo mismo aplica para el convertidor de la Fig.2. El voltaje en el enlace de D cuando el puente no está en corto es: D 2 (5) in Sustituyendo (5) en (4), el voltaje pico que puede generar el convertidor resulta: D D 2 2D 2 in in in D (6) 2 D 2 2 2D (1 2D) D 2 (7) 1 in Bin 2D (8) D in D Donde B es el factor de elevación boost del inversor fuente Z. El voltaje de A pico en la salida del inversor fuente Z con respecto del neutro de la carga es: in vˆ ca MB (9) 2 donde M es el índice de modulación del PWM del inversor, el cual puede variar de 0 a 1. La Fig. 7 muestra el comportamiento del factor elevador del inversor fuente Z, (B), con respecto al ciclo de trabajo definido en (2).

4 Fig. 7. Factor elevador del inversor fuente Z vs iclo de trabajo. Abscisas: Factor de ganancia B, ordenadas: ciclo de trabajo D. omo se observa en la Fig. 7, la ganancia de voltaje del inversor fuente Z aumenta abruptamente cuando el ciclo de trabajo se acerca al 50%. Este comportamiento limita al inversor fuente Z a utilizar ganancias menores a 3.5 para tener un comportamiento estable en lazo cerrado de control. La fuente de impedancia tiene la ventaja de que puede usar el conjunto de interruptores del puente inversor para controlar su voltaje. Además, la confiabilidad del convertidor fuente z aumenta, pues un disparo equivocado que cierre dos interruptores de la misma rama (lo cual puede ser provocado por ruido EMI) no destruye el convertidor. El control del inversor fuente Z puede realizarse mediante cualquier esquema tradicional PWM. En este trabajo se emplea un esquema de modulación PWM senoidal (SPWM por sus siglas en inglés, Sinusoidal Pulse Width Modulation). Para el control de la ganancia de elevación del voltaje de entrada (factor B) existen tres métodos principales: (i) boost simple [1], (ii) boost máximo [4], (iii) boost máximo constante (Peng,2004). En este trabajo se presentan los métodos de boost simple y boost máximo. Método boost simple Este método de control consiste en la comparación de una señal portadora triangular con las señales sinusoidales de referencia del sistema (SPWM). Los estados de cortocircuito que le permiten al inversor fuente Z realizar la función de elevar el voltaje de entrada se logran adicionado dos niveles adicionales de comparación (D y D). La comparación de la portadora (señal triangular) con estos dos niveles constantes genera la señal de disparo f. Al estar la señal f aplicada a las señales de disparo de los seis interruptores del inversor mediante una función OR, los seis interruptores del inversor conducirán provocando el estado de cortocircuito. La Fig. 8 muestra el diagrama de tiempo del método boost simple. Debe de asegurarse que el ciclo de trabajo de la fuente Z mas el índice de modulación no supere la unidad, esto se puede realizar al hacer D=1M, con esto, la señal constante D estará siempre sobre todas las sinusoidales de referencia, mientras que D estará siempre debajo de todas las sinusoidales de referencia. El tiempo en el que la portadora triangular está por debajo o por encima de todas las sinusoidales de referencia es el tiempo en el que el puente tiene como salida el vector cero, puesto que todos los interruptores superiores o todos los interruptores inferiores están encendidos. Es entonces cuando es posible hacer el corto sin afectar la operación del PWM del inversor. La Fig. 9 muestra el circuito empleado para producir el método de control boost simple con un esquema SPWM. Fig. 9. ircuito para generar el método boost simple. Método boost máximo El método de boost máximo fue diseñado con el fin de disminuir el estrés de voltaje en los dispositivos, con lo que se disminuye además las pérdidas de conmutación para el mismo voltaje de salida comparado con el boost simple. Propuesto en (Peng, 2004), el método se basa en mantener el índice de modulación M tan alto como sea posible, y el factor boost B tan bajo como sea posible. La Fig. 10 muestra las señales del esquema de control boost máximo mientras que la Fig. 11 muestra el esquema de PWM. Fig. 10. Esquema PWM del método boost máximo. Fig. 8. Método boost simple para el inversor fuente Z.

5 Fig. 11. ircuito para generar el método boost máximo. En este método de boost máximo, todos los estados de voltaje cero se convierten en estados de cortocircuito, como se observa en la Fig. 9. A diferencia del método boost simple, la señal f que genera el estado de cortocircuito en el inversor de salida no tiene un ciclo de trabajo constante. La duración del estado de cortocircuito, debido a la activación de la señal f, cambia en cada ciclo. El estado de cortocircuito se establece cada vez que la señal portadora es mayor o menor que las señales sinusoidales de referencia ( refa, refb, ref ). abe señalar que tanto el método de boost simple como el de boost máximo puede ser combinado con el conocido método de inyección de tercera armónica ampliamente utilizado en inversores con fuente de voltaje para el mismo fin, generar el máximo voltaje de A con el mínimo voltaje de D necesario, con lo que al combinar ambos métodos se reduciría aún mas el estrés de voltaje en los dispositivo de conmutación. RESULTADOS DE SIMULAIÓN En esta sección se presentan los resultados de simulación de los esquemas de control descritos: simple boost y boost máximo. La simulación del convertidor fuente Z se realizó en el software Simulink de Matlab. La Fig. 12 muestra el diagrama del convertidor fuente Z simulado. Fig. 12. Diagrama del convertidor fuente Z simulado. En el circuito de simulación de la Fig. 12, se ha considerado un arreglo fotovoltaico que proporciona un voltaje de 100 D. Actualmente se está trabajando en un esquema de simulación y la implementación que contemple la inclusión del arreglo fotovoltaico y de un control de seguimiento del máximo punto de potencia para considerar las condiciones cambiantes de irradiancia y temperatura. La Tabla I muestra los parámetros de simulación del convertidor propuesto. TABLA I PARÁMETROS DEL ONERTIDOR FUENTE Z Parámetro oltaje de entrada ( ENTRADA ) 100 D Inductores fuente Z ( L 1 = L 2 ) 5 mh apacitores fuente Z ( 1 = 2 ) 1 mf Inductores filtro de salida (L f1 = L f2 = L f3 ) 0.95 apacitores filtro de salida ( f1 = f2 = f3 ) 20 μf Resistencia de carga (R l1 = R l2 = R l3 ) 44 Ω Frecuencia de conmutación (f SW ) 6 khz Los interruptores utilizados en la simulación fueron Transistores MOSFET s. El índice de modulación para el PWM en ambos métodos es 0.8. La Fig. 13 muestra los voltajes de salida del convertidor fuente Z controlado mediante el método boost simple. Fig. 13. oltaje de salida del convertidor fuente Z (boost simple).

6 La Fig. 14 muestra la corriente en la carga del convertidor Z con el método boost simple. Fig. 14. orriente de salida del convertidor fuente Z (boost simple). Las Figs. 15 y 16 muestran el voltaje y corriente de salida del convertidor Z controlado mediante el método de boost máximo. Fig. 15. oltaje de salida del convertidor fuente Z (boost máximo). ONLUSIONES Este trabajo muestra los conceptos básicos del convertidor con fuente Z. El convertidor fuente Z permite construir SAE de una sola etapa, con lo cual se mejora la eficiencia y confiabilidad del mismo. Estas características del convertidor fuente Z le permiten ser una muy buena opción para aplicaciones fotovoltaicas en donde se requiere de una conversión de energía eficiente y confiable. El convertidor con fuente Z emplea una red de impedancia para acoplar el circuito principal de conversión con la fuente de potencia, proveyendo de esta forma características atractivas para su utilización y tema de investigación de la electrónica de potencia. El convertidor fuente Z es controlado de forma similar a un esquema convencional SPWM con ligeras modificaciones. Este trabajo ha presentado dos esquemas SPWM para el control del convertidor fuente Z donde el método de boost máximo presenta mejores características de ganancia de voltaje y reducción de esfuerzos en los interruptores MOSFET s. REFERENIAS Dugan R.. and McDermott T.E. (2002). Distributed Generation, IEEE Industry Application Magazine, vol. 8 no. 2, pp Xue Y., hang L., et. al. (2004). Topologies of singlephase inverters for small distributed power generators: an overview (2004), IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 19 no. 5, pp Fang Zheng Peng. (2003). Zsource inverter, IEEE Trans. Industry Applications, vol. 39, No 2, pp Peng, F.Z. (2008). Zsource networks for power conversion (2008), in Proc. of Applied Power Electronics onference and Exposition APE, pp Peng, F.Z, Shen M. and Qian Z. (2004), Maximum boost control of the Zsource inverter, in Proc. IEEE 35 th. Ann. Power Electron Spec. onf., vol.1, pp Poh hiang Loh, ilathgamuwa, D.M. (2005). Pulse Width Modulations of Zsource inverters. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 20, No. 6, pp Rabbkoeski J., Barlik, R., Nowak, M. (2008). Pulse width modulation methods for bidirectional high performance Zsources inverter, in Proc Power Electronics Specialist onference PES Poh hiang Loh, Sok Wei L., Feng Gao, Blaabjerg, F. (2007). Three level Zsource inverters using a single L impedance network. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 22, No.2, pp Fig. 16. orriente de salida del convertidor fuente Z (boost máximo). Los resultados de simulación muestran que las señales generadas por el convertidor Z, tanto de voltaje como de corriente, son senoidales. El método de boost máximo produce la mayor tensión de salida del convertidor Z para un mismo índice de modulación comparado con el método boost simple.