Regulador Conmutado para Procesamiento de Energía Generada por Celdas de Combustible

Transcripción

1 Memoras del Congreso Naconal de Control Automátco 0 Cd. del Carmen, Campeche, Méxco, 7 al 9 de ctubre de 0 Regulador Conmutado para Procesamento de Energía Generada por Celdas de Combustble J. M. ópez Cruz¹, M. G. rtz ópez²,. H. Díaz Salderna ¹ y J. eyva Ramos¹ Insttuto Potosno de Investgacón Centíca y Unversdad Poltécnca de San us Potosí Tecnológca San us Potosí, S..P., Méxco C.P. 786 San us Potosí, S..P., Méxco, C.P. 784 guadalupe.ortz@upslp.edu.mx [jleyva, ldaz, manuel.lopez]@pcyt.edu.mx Resumen Un módulo de celdas de combustble produce un voltaje de salda en CD de bajo valor y grandes varacones; por lo tanto para ser utlzado, es necesaro aumentarlo y regularlo por medo de un convertdor CD- CD. Este voltaje posterormente, podrá ser almentado como entrada a un nversor para obtener un voltaje de corrente alterna. En este trabajo, el modelo eléctrco de un arreglo de celdas de combustble se combna con el modelo de un convertdor elevador en cascada de tres etapas. El modelo resultante, que ncorpora la dnámca de la celda de combustble, srve como base para el dseño de un regulador conmutado que utlza un controlador en modo- corrente promedo. Para vercar el unconamento del regulador propuesto se emplea como uente de entrada un módulo de celdas de combustble de membrana polmérca que proporcona un voltaje de salda entre 6 y 4.7. Por medo de resultados expermentales se comprueban los ben conocdos benecos del control modo-corrente. Palabras clave: Celda de combustble, regulador conmutado, control modo corrente. I. INTRDUCCIÓN En los últmos años, se ha producdo un gran esuerzo de nvestgacón para desarrollar sstemas de generacón eléctrca basados en energías renovables (Jensen, arsen y Morgansen, 007; Agbossou, Kolhe y Bose, 004). os módulos de celdas de combustble son una alternatva bastante atractva para la generacón de energía eléctrca. Una celda de combustble utlza el hdrógeno como uente de energía, pero al gual que en una batería, la energía químca se converte drectamente en energía eléctrca, sn una etapa de combustón contamnante e necente (Thounthong, Davat, Rael, y Sethakul, 009). Exsten dversos tpos de celdas de combustble clascadas según el tpo de electrolto que utlzan. Uno de los más prometedores, debdo a sus múltples usos en aplcacones estaconaras o en transportes, son las celdas de membrana de ntercambo protónco (PEMFC por sus sglas en nglés), debdo a su tamaño relatvamente pequeño, su dseño smple, su peso lgero y su unconamento a baja temperatura. os módulos de celdas de combustble PEM constan de dos compartmentos para alojar los electrodos separados por una membrana de electrolto de tpo polmérco. os dos electrodos conectados a los lados de la membrana orman junto con esta un conjunto membrana-electrodo de la celda ndvdual. El hdrógeno que llega al ánodo se dsoca en electrones y protones, los protones generados por la oxdacón de hdrógeno mgran haca el cátodo a través de la membrana pero los electrones son orzados a vajar por un crcuto externo hasta llegar al cátodo, ya que la membrana está aslada eléctrcamente. Fnalmente en el cátodo las moléculas de oxígeno reacconan con los electrones y protones para ormar agua. Un nconvenente de los módulos de celdas de combustble son las constantes de tempo domnado por el sstema de sumnstro de combustble (bombas, válvulas, y, en algunos casos, el reormador de hdrógeno). Como consecuenca, una demanda de carga rápda causará una caída de voltaje en un tempo corto. Por lo tanto, es necesaro dseñar un convertdor electrónco de potenca con el n de aumentar el voltaje de salda del modulo de celda de combustble (ee, Choe, Ahn y Baek, 008). Para obtener un amplo rango de conversón del voltaje de salda en celdas de combustble, se ha propuesto el uso de convertdores de tpo aslado así como de convertdores basados en nductores acoplados ( Km y Kwon,009; Delshad y Farzanehard, 0; Todorovc, Palma y Enjet, 009; Pan y a, 00). Presentan como nconvenente la aparcón de pcos en el voltaje y la corrente que pueden causar daños en los componentes de los crcutos debdo a la nductanca de acoplamento y a la capactanca parásta que se orman en el embobnado secundaro del transormador. Una opcón nteresante de consderar para utlzarla en combnacón con celdas de combustble, ya que orece amplos rangos de conversón de voltaje, son los convertdores en cascada (Morales, Carvajal y eyva,00). Esta clase de convertdores presenta un esquema de múltples etapas ormado por dos o más convertdores conectados en cascada. En este trabajo, se propone un regulador conmutado que utlza un módulo de celdas de combustble como uente de entrada. Este regulador conmutado está basado en un convertdor elevador en cascada de tres etapas el cual proporcona un amplo rango de conversón al voltaje de salda. El resto de este artículo está organzado de la sguente manera: en la seccón se presenta el modelo eléctrco para un módulo de celdas de combustble PEM. El modelo de un convertdor elevador en cascada de tres etapas ncorporando el eecto dnámco de la celda de combustble se desarrolla en la seccón. a metodología de dseño del controlador en modo corrente promedo se analza en la seccón 4. En la seccón 5 se muestran los resultados expermentales y se concluye en la seccón 6 con comentaros nales. D.R. AMCA ctubre de 0 446

2 II. MDE EÉCTRIC DE MÓDU DE CEDA DE CMBUSTIBE PEM as celdas de combustble tpo PEM presentan múltples aplcacones práctcas por lo cual se elgen como uente de entrada al regulador. Para modelar celdas de combustble tpo PEM, se ha propuesto un modelo eléctrco estátco con característcas de contnudad para una ampla gama de correntes ncluda la condcón en crcuto aberto. Dcho modelo consta solamente de tres parámetros: E0 e() = () δ Ih donde e es la tensón de salda del módulo de células de combustble, E 0 el voltaje de crcuto aberto e la corrente del módulo de celdas de combustble. os parámetros, δ y I h son coecentes que dependen de la humedad del gas y de la temperatura de combustble, los deben ser calculados en especíco para cada celda de combustble. Debdo a errores de modelado, rudo, nstrumentacón, etc; la expresón () no se sujeta a un valor únco de δ, I h en todos los datos expermentales. Por tanto es necesaro reormular el problema utlzando una aproxmacón en mínmos cuadrados dada por la expresón N E (I h, δ ) = e(k) E ( (k)) k= () donde ( e, ) es el conjunto de datos expermentales cuando k=,,,n y e((k)) es la expresón dada en (), la cual depende de los datos reales del módulo de celdas de combustble. Una aproxmacón de prmer orden esta dada por: E E E((k)) e(k) = Δ Ih Δδ Ih δ. () Posterormente se aplca una mnmzacón teratva de la orma I(j h ) = I(j) h Δ Ih y δ (j ) =δ (j) Δδ hasta que Δ y Δδ son lo sucentemente pequeños. Ih ΔI h y Δδ representan correccones entre el modelo y los datos expermentales. El módulo de Celdas de combustble PEM modelo Nexa de la compañía Helocentrx, el cual se muestra en la Fgura, es un conjunto compacto, de bajo mantenmento y totalmente automatzado que proporcona una potenca máxma de. kw de CD a una tensón nomnal de salda de 6. En la Fgura se muestran los datos expermentales del msmo. El valor de E 0 es 4.7. Utlzando los resultados expermentales y el procedmento dado por (), se obtene que I h =8.86 A y δ = En la Fgura se muestra una comparacón entre los datos expermentales y los que se obtenen numércamente por medo de la expresón (), conrmando la precsón del modelo propuesto. Fgura. Módulo de celdas de combustble modelo Nexa. Fgura. Característca estátca del módulo Modelo Nexa III. MDE CEDA DE CMBUSTIBE-CNERTIDR EEADR EN CASCADA DE TRES ETAPAS El voltaje máxmo de salda del módulo modelo Nexa es aproxmadamente 4.7, sn embargo, este valor cae a medda que el sstema entrega mayor corrente a la carga. Por lo tanto, para proporconar un voltaje de salda con las característcas deseables es necesaro aumentar el voltaje de salda. Para tal n, en el presente trabajo se propone utlzar un convertdor elevador en cascada de tres etapas (rtz, eyva, Carvajal y Morales, 008), tal como muestra el dagrama de la Fgura. Para este convertdor, el voltaje promedo de salda está dado por = E /( donde U es el cclo de trabajo. a recuenca de conmutacón es S que resulta en un perodo de conmutacón T = S. a carga se modela como R. as correntes promedo de los nductores 4 están dadas por I = I /( para =,, e I representa la corrente de salda. Adconalmente, se consdera que el convertdor opera en modo de conduccón contnua. Un convertdor elevador en cascada de tres etapas puede representarse por medo del modelo lneal promedado (rtz, eyva, Carvajal y Morales, 008) de la orma dada en la expresón (4) donde T 6 x = C C C R es el vector de estados, representa la corrente del nductor, C el voltaje del capactor, con = n, u R es la señal control y e es el voltaje de salda del módulo de celda de combustble. Como puede observarse este modelo depende del voltaje de salda de la celda de combustble y por lo tanto D.R. AMCA ctubre de 0 447

3 es convenente ncorporar en él, una expresón que releje el comportamento de la celda de combustble analzado en la seccón preva. Realzando la lnealzacón de la expresón (), esta queda dada por e =κ, donde δ δ E0δInI κ= δ δ. (5) ( In I ) Como puede observarse en la Fgura 4, el valor de κ se mantene por debajo de 0.5 para una operacón típca del módulo de celdas de combustble. Por lo tanto, la expresón del voltaje de salda del módulo de celda de combustble ncluyendo el eecto del capactor C esta dada por: e = e C κ C. (6) Combnando esta expresón con la expresón (4) resulta el modelo lneal para el sstema celda de combustbleconvertdor elevador de tres etapas, dado por la expresón T 7 (7) donde x = e C C C R el nuevo vector de estado y u R la señal de control. Este modelo lneal nvarante en el tempo descrbe aproxmadamente la dnámca del módulo de la celda de combustble-convertdor a recuenca por debajo de la mtad de la recuenca de conmutacón y no puede ser utlzado para predecr osclacones subarmóncas debdo a nestabldades en el rzo. Esta expresón se utlzará posterormente para analzar y dseñar el controlador para dcho sstema. Módulo Celdas de Combustble E D F C D C D D D 4 D5 C C S C C C Fgura. Módulo de celdas de combustble-convertdor elevador de tres etapas. Fgura 4. alores de κ para derentes voltajes del módulo de celda de combustble. I DISEÑ DE REG UADR CNMUTAD Utlzando un convertdor elevador en cascada de tres etapas se construye el regulador conmutado Para lograr un buen desempeño se propone el uso de un control modocorrente promedo., el cual consta de dos lazos de retroalmentacón. El lazo nterno utlza como señal de retroalmentacón la corrente de un nductor o del nterruptor, y en el lazo de externo retroalmenta la señal del voltaje de salda. En un convertdor elevador de tres etapas en cascada las varables de estado naturales para la retroalmentacón son las correntes de los nductores y los voltajes de los capactores. U ( ) ( ) U 0 0 E U / ( ) U 0 E ( ( E ( 0 u = v ( C C v C C E ( RC 0 e 0 ( C C v v 5 C E ( RC C ( C 0 0 RC v v 4 C C E ( RC 0 (4) e Cκ C e ( 0 0 E ( ( ) U 0 E ( = ( E ( u (7) 0 ( 6 C C v vc C E ( RC ( C C v v C E ( RC C ( C v C v 4 E ( RC C D.R. AMCA ctubre de 0 448

4 En este trabajo, para preservar los benecos del control modo-corrente promedo, se utlzan para nes de retroalmentacón la corrente del nductor de la prmera etapa, junto con el voltaje del capactor de la etapa de salda (eyva, rtz, Daz y Martnez, 0). El dagrama de bloques del control modo-corrente propuesto se muestra en la Fgura 5, donde P es el voltaje de pco a pco de la rampa del osclador y N es la gananca de amplcacón de la corrente del nductor de la prmera etapa. a uncón de transerenca del compensador de alta gananca está dada por G(s) = K P( s / ω z) / s y la del ltro pasa bajas con un polo a alta recuenca por F(s) = / ( s / ω p). Estas uncones de transerenca pueden mplementarse áclmente en un solo amplcador operaconal tal como muestra la Fgura 6. a uncón de transerenca del controlador PI está dada por K(s) = K C( / Ts) y H representa un dvsor de voltaje. a) Dseño del lazo de corrente El procedmento para su dseño es el sguente: El cero del compensador de alta gananca se coloca al menos una década por abajo de la mtad de la recuenca de conmutacón del PWM y los valores de l os elementos eléctrcos del crcuto se calculan por medo de ω z = /RFCFZ. a gananca K P está relaconada drectamente con del comportamento dnámco del lazo de corrente y dada por los elementos del crcuto eléctrco por medo de KP = /R l(cfz C FP ). Su valor es generalmente alto para proporconar una regulacón rápda de la corrente del prmer nductor con respecto a su reerenca, lo cual da como resultado que la corrente promedo sga con alto grado de precsón a la corrente programada. El polo de alta recuenca se coloca a una recuenca por arrba de la mtad de la recuenca de conmutacón calculando los elementos de crcuto por medo de ω P = (CFZ C FP) / R FCFZCFP. Cuando el lazo de corrente se cerra, la uncón de transerenca v (s) / v CNTR (s) es modcada por el compensador y la gananca N aumentando el amortguamento al pco de resonanca localzado a baja recuenca. b) Dseño del lazo de voltaje. El dseño se basa en el crtero de la gananca de lazo:(a) para la establdad relatva, la pendente en o cercana a la recuenca de cruce por cero decbles no debe ser mayor de -0dB / dec, (b) para mejorar la respuesta en estado estable, la gananca a baja recuenca debe ser alta, y (c) para establdad robusta, debe obtenerse una gananca y margen de ase apropados. a gananca proporconal de la uncón de transerenca del controlador PI se está dada por los elementos del crcuto de acuerdo a KC = RFC RlC, y el tempo de ntegracón T que ndca la recuenca de corte, por medo de los valores de los elementos de crcuto T = R C. a gananca proporconal tene que ser FC FC dseñado junto con el crcuto dvsor de voltaje H. Esta red está dseñada para retroalmentar el voltaje de salda a un valor apropado para el crcuto de control. a gananca de esta red está dada aproxmadamente por la relacón H= R /(R R ). El crcuto dvsor de voltaje y la gananca proporconal del controlador están dseñados de tal manera que la gananca del lazo tene un valor menor a uno en la recuenca de resonanca del par de ceros complejos. Módulo Celdas de combustble e Compensador de alta gananca Fltro pasa-bajas Convertdor elevador en cascada de tres etapas u P G(s) e REF F(s) v CNTR N e K(s) v Controlador PI REF Fgura 5. Control en modo corrente promedo para un convertdor elevador en cascada de tres etapas. RESUTADS EXPERIMENTAES En la Fgura 6 se muestra el dagrama del crcuto módulo de celdas de combustble-regulador conmutado construdo. os valores del punto de operacón para el convertdor elevador de tres etapas utlzado son: voltaje de entrada E que vara de 6 a 4.7, y voltaje de salda de 0. Este voltaje puede utlzarse posterormente para almentar un nversor y obtener un voltaje de 0 CA. os valores de corrente en estado estable son para el prmer nductor de 0.8 A, para el segundo nductor de 9. A y para el tercer nductor de.85 a carga nomnal utlzada tene un valor de A. 50 Ω, la cual produce una corrente de salda de. A y una salda de potenca de 45 W. a recuenca de operacón del convertdor es de 00 khz. Para detectar la corrente del prmer nductor se utlza un transductor de corrente modelo A50-P abrcado por EM. Para el convertdor propuesto la uncón de transerenca (s)/u(s) es de séptmo orden y de ase no mínma, con ceros localzado en {0675, 69. ± j7750.7, -9. ± 8044, -607} y polos en {- 8.7 ± j777, - 59 ± j9608.9, -47. ± 79.8, -76}. Por lo tanto exsten tres pcos de resonanca dependentes de los parámetros de construccón del convertdor. D.R. AMCA ctubre de H v

5 D Módulo Celdas de combustble D F DC 7 μh 5600 μf D 47 μf 00 μh D 4 D 8. μf 400 μh S D 5. μf R MΩ Carga 0. Ω kω S G. kω kω IC Amplcador corrente 47 Ω kω nf R l 8.kΩ R FZ 680 pf 0 nf 0 nf 8. kω CFC IC C FP C FZ IC R FC REF. kω R lc Modulator P Crcuto Dsparo = 5 R 0 kω MSFET S MSFET S 5 Hz. IXFN80N50 IRF740 Dodos D D URU000 ICI - IC T08 Modulador M Crcuto dsparo IR7 Controlador modo-corrente Fgura 6. Regulador conmutado utlzando un módulo de celdas de combustble como uente de almentacón.. Debdo a la presenca de los dos pares de ceros localzados en el lado derecho del plano-s es muy dícl alcanzar establdad y buen desempeño s se utlza para la construccón del regulador un control de un solo lazo. Analzando la uncón de de transerenca (s) u(s) se encuentra que esta es de ase mínma con los msmos polos que (s) u(s) y ceros localzados en {-05.4± j8056, -98 ± j4, -66.6, }, por lo que se propone la construccón de un control en modo corrente promedo, donde se retroalmenta la corrente del prmer nductor y el voltaje de salda del convertdor. G Utlzando el procedmento ndcado en la seccón I se dseña el controlador de alta gananca para el lazo de corrente y el controlador PI para el lazo de voltaje. El regulador conmutado mplantado presenta una gananca de Fgura 7. oltaje de salda en lazo aberto ante lazo con una recuenca de corte de 60 Hz, un margen de cambos tpo escalón en la carga de 50 Ω to kω. gananca de 8.7 db y un margen de ase de 7.5 grados (Superor a neror) oltaje de salda (00 /dv) y respectvamente. voltaje en la compuerta del MSFET G (0 /dv) (Tempo: 00 ms/dv). a). Pruebas en lazo aberto. Para comprobar el desempeño del regulador conmutado b). Pruebas en lazo cerrado. construdo se realzan varas pruebas en derentes Posterormente se mplanta el control en modo corrente condcones de operacón. promedo. En la Fgura 8 se muestra las condcones de Incalmente el cclo de trabajo se ja de manera que a operacón cuando el regulador conmutado entrega a la la salda del convertdor se obtenga un voltaje de 0, salda un voltaje de 0. En estas condcones el por lo que se entrega a la carga una potenca de 45 W. módulo de celdas del combustble está entregando un Posterormente se aplcan cambos tpo escalón a la carga voltaje de salda de. Tambén se observa que la de salda modcándola de un valor de 50 Ω a kω por corrente que entrega dcho módulo presenta una orma de medo de un MSFET que opera a una recuenca de Hz. En la Fgura 7 se muestra el voltaje de salda onda trangular. El rzo de corrente es aproxmadamente resultante. Se observa que el voltaje de salda releja los de 8 A. Dcho valor puede reducrse s el valor del cambos de la carga varando su valor de 0 a 460. nductor de la prmera etapa del convertdor se ncrementa. Se observa claramente que el convertdor opera en modo de conduccón contnua. Posterormente se aplcan cambos tpo escalón a la carga de un valor de 50 Ω a kω por medo de un D.R. AMCA ctubre de 0 450

6 MSFET que opera a una recuenca de Hz. El voltaje de salda resultante se muestra en la Fgura 9. En este caso el voltaje permanece a un valor constante de 0. Esta gráca muestra claramente que el regulador posee robustez ante cambos en la carga. Fgura 8 peracón en lazo cerrado para una carga nomnal de 50 Ω. (Superor a neror) oltaje de salda (50 /dv), corrente del módulo de celdas de combustble I (0 A/dv), y voltaje del módulo de celdas de combustble E (0 /dv), (Tempo: 0 μs/dv). G E Fgura 9.oltaje de salda en lazo cerrado para cambos tpo escalón en la carga de kω to 50 Ω. (Superor a neror) oltaje (00 /dv) y voltaje en la compuerta del MSFET G (0 /dv) (Tempo: 00 ms/dv). I CNCUSINES os módulos de celdas de combustble son alternatvas de generacón eléctrca bastante nteresantes ya que a derenca de las máqunas de combustón no producen contamnantes. Desaortunadamente generan voltajes muy bajos, por lo que es necesaro dseñar convertdores CD- CD para ncrementar y regular su voltaje de salda. Para 0 0 tal n se propone utlzar un convertdor elevador en cascada. El modelo eléctrco lneal de la celda de combustble se combna con el modelo promedo lneal del convertdor para encontrar un modelo equvalente. Este modelo se utlza para el dseño de un regulador conmutado utlzando un control modo-corrente promedo, cuyo propósto es compensar tanto los cambos en el voltaje de salda del módulo de celdas de combustble como los cambos en la carga. a corrente del nductor de entrada se retroalmenta junto con el voltaje del capactor de salda en el esquema de control modo-corrente promedo. os resultados expermentales vercan los ya conocdos benecos del control modo-corrente en donde la respuesta transtora ante cambos tpo escalón muestra además la robustez del regulador ante cambos el voltaje de salda del módulo de celdas de combustble producdos por cambos tpo escalón en la carga. REFERENCIAS Agbossou K., Kolhe M.,.Hameln J., T. K. Bose T.K. (04) Perormance o a stand-alone renewable energy system based on energy storage as hydrogen, IEEE Trans. Energy Converson, (9), pp Jensen S. H., arsen P. H., Mogensen M. (007). Hydrogen and synthetc uel producton rom renewable energy sources, Internatonal Journal o Hydrogen Energy, (), pp. 5-57,. Km E. H., Kwon B. H., (009) Hgh step-up resonant push-pull converter wth hgh ecency, IET Power Elect., ( ), pp ee J. G.; Choe S. Y., Ahn J. W.; Baek S. H. (008). Modellng and smulaton o a polymer electrolyte membrane uel cell system wth a PWM DC/DC converter or statonary applcatons, IET Power Elect., (), pp eyva-ramos J., rtz-ópez M. G., Daz-Salderna. H., Martnez- Cruz M. (0). Average current controlled swtchng regulators wth cascade boost converters, IET Power Elect., (4), pp. -0,. Morales-Saldaña J. A.,. Carbajal-Guterrez E. E, eyva-ramos J. (00). Modelng o swtch-mode DC-DC cascade converters, IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., (8), pp rtz-ópez M. G., eyva-ramos J., Carbajal-Guterrez E. E.,. Morales- Saldaña J. A(008). Modellng and analyss o swtch-mode cascade converters wth a sngle actve swtch, IET Power Elect., ()4, pp Pan C. T., a C. M. (00). A hgh-ecency step-up converter wth low swtch voltage stress or uel-cell system applcatons, IEEE Trans. Ind. Electron., (57)6, pp Thounthong P., Davat B., Rael S., Sethakul P. (009). Fuel-cell hghpower applcatons, IEEE Industral Electroncs Magazne, March, (), pp Todorovc M. H., Palma., Enjet P. N. (008). Desgn o a wde nput range DC-DC converter wth a robust power control scheme sutable or uel cell power converson, IEEE Trans. Ind. Electron., (55), pp Yang.-S., ang T.-J., Chen J.-F. (009). Transormerless DC-DC converters wth hgh step-up voltage gan, IEEE Trans. Ind. Electron., (56)8, pp D.R. AMCA ctubre de 0 45