VIII Simposio de Ingeniería de Control. Aplicaciones del Control Automático en el Sector Energético. Almería, 27 de Abril de 2010

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1 SOLUCIONES EN EL REPARTO DE POTENCIA DE SISTEMAS HÍBRIDOS BASADOS EN PILA DE COMBUSTIBLE: CONTROL EN TENSIÓN Y CONTROL EN CORRIENTE MEDIANTE CONVERTIDORES VIII Simposio de Ingeniería de Control Aplicaciones del Control Automático en el Sector Energético Almería, 27 de Abril de 2010 Dr. José Manuel Andújar Márquez Dra. Francisca Segura Manzano Universidad de Huelva

2 Sistemas Híbridos Basados en Pila de Combustible: Control en Tensión y Control en Corriente mediante es Fundamentación: F. Segura, J. M. Andújar, Analog current control techniques for power control in PEM fuel cell hybrid systems: a critical review and a practical application, IEEE Transactions on Industrial Electronics, aceptado. J. M. Andújar, F. Segura, M. J. Vasallo, A Suitable Model Plant for Control of the Set Fuel Cell Converter, Renewable Energy, vol. 33(4) pp , F. Segura, Tesis Doctoral Prototipo experiemental de sistema híbrido basado en pila de combustible: diseño, modelado, implementación y testeo (Premio Extraordinario de Docotrado), Universidad de Huelva, Proyecto DPI , Sistema híbrido generador de energía eléctrica autónomo, continuo y no contaminante, J. M. Andújar, F. Segura, E. Durán, Optimal Interface based on Power Electronics in Distributed Generation Systems for Fuel Cells, Renewable Energy, en revisión. (2)

3 Sistemas Híbridos Basados en Pila de Combustible: Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. Control en Tensión III. Control en Corriente IV. Resultados Experimentales V. Conclusiones (3)

4 Sistemas Híbridos Basados en Pila de Combustible: Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. Control en Tensión III. Control en Corriente IV. Resultados Experimentales V. Conclusiones (4)

5 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. INTRODUCCIÓN II. Control en Tensión III. Control en Corriente IV. Resultados V. Conclusiones Esquema General de Sistema Híbrido basado en Pila de Combustible Bus DC H 2 Pila combustible Banco Baterías DC/AC Los niveles de tensión y corriente establecidos en los puntos de interconexión eléctrica son alcanzados con etapas de acondicionamiento de potencia controladas por PWM. (5)

6 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. INTRODUCCIÓN II. Control en Tensión III. Control en Corriente IV. Resultados V. Conclusiones Consideracione previas: Implementación de controladores Bus DC locales necesarios para afrontar la H 2 Pila combustible Banco Baterías DC/AC posterior planificación del reparto de potencia. La programación de la contribución energética de cada fuente en el sistema híbrido no es el objetivo de este trabajo. BOP del módulo de pila de combustible es regulado. (6)

7 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. INTRODUCCIÓN II. Control en Tensión III. Control en Corriente IV. Resultados V. Conclusiones Los resultados experimentales mostrarán: La decisión de aplicar control en Bus DC tensión o control en corriente H 2 Pila combustible Banco Baterías DC/AC depende del tipo de aplicación. El correcto funcionamiento del sistema híbrido controlado. Una forma de resolver el problema de saturación de la pila de combustible. Se proponen dos soluciones para el control de energía. (7)

8 Sistemas Híbridos Basados en Pila de Combustible: Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. Control en Tensión III. Control en Corriente IV. Resultados Experimentales V. Conclusiones (8)

9 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. CONTROL EN TENSIÓN III. Control en Corriente IV. Resultados V. Conclusiones v i d Controlador Tensión v o R L v o v ref El lazo de control en tensión en el sistema basado en pila de combustible, es necesario cuando la pila de combustible se conecta directamente a una carga de tensión regulada, sin la ayuda de otras fuentes de potencia auxiliares. El lazo de realimentación ajusta el ciclo de servicio en respuesta a los cambios en la tensión a la salida. (9)

10 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. CONTROL EN TENSIÓN III. Control en Corriente IV. Resultados V. Conclusiones Bus DC H 2 Pila combustible Banco Baterías DC/AC (10)

11 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. CONTROL EN TENSIÓN III. Control en Corriente IV. Resultados V. Conclusiones Bus DC H 2 Pila combustible Banco Baterías DC/AC Bus DC Pila combustible H 2 Banco Baterías (11)

12 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. CONTROL EN TENSIÓN III. Control en Corriente IV. Resultados V. Conclusiones H 2 Pila combustible Banco Baterías Bus DC El módulo Nexa de Ballard suministra 1.2 kw de potencia no regulada. La tensión de salida varía en el rango de 43 V 26 V. Debido a que el módulo de pila de combustible opera en un rango de tensión no regulada inferior a la tensión establecida en el bus DC, el convertidor elevador DC/AC Boost, permite conectar la pila de combustible al bus DC. Bus DC Pila combustible H 2 Banco Baterías (12)

13 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. CONTROL EN TENSIÓN III. Control en Corriente IV. Resultados V. Conclusiones H 2 Pila combustible Banco Baterías Bus DC El módulo Nexa de Ballard suministra 1.2 kw de potencia no regulada. The tensión de salida varía en el rango de 43 V 26 V. Debido a que el módulo de pila de combustible opera en un rango de tensión no regulada inferior a la tensión establecida en el bus DC, el convertidor elevador DC/AC Boost, permite conectar la pila de combustible al bus DC. Bus DC Pila combustible H 2 Banco Baterías El banco de baterías garantiza diferentes perfiles de carga. Se conectan cuatro baterías en serie, modelo GF12094Y, 12 V, 94 Ah, de Exide. El banco de cargas se ha construido en base a varios grupos de cargas resistivas. La selección de cada grupo de cargas se realiza mediantes relés de estado sólido controlados desde un PC. (13)

14 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. CONTROL EN TENSIÓN III. Control en Corriente IV. Resultados V. Conclusiones H 2 Pila combustible Banco Baterías Bus DC El módulo Nexa de Ballard suministra 1.2 kw de potencia no regulada. The tensión de salida varía en el rango de 43 V 26 V. Debido a que el módulo de pila de combustible opera en un rango de tensión no regulada inferior a la tensión establecida en el bus DC, el convertidor DC/AC elevador Boost, permite conectar la pila de combustible al bus DC. Bus DC H 2 Pila combustible Banco Baterías acondicionamiento. En este caso, El banco de baterías garantiza diferentes perfiles de carga. Se una carga de 12 V se conecta al conectan cuatro baterías en serie, modelo GF12094Y, 12 V, 94 Ah, de bus DC mediante un convertidor Exide. Sepic. El banco de cargas se ha construido en base a varios grupos de cargas resistivas. La selección de cada grupo de cargas se realiza mediantes relés de estado sólido controlados desde un PC. Para convertir la tensión regulada de 48 V en el bus, a niveles superiores o inferiores, se necesita otra etapa de (14)

15 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. CONTROL EN TENSIÓN III. Control en Corriente IV. Resultados V. Conclusiones Boost Bus DC 48V v i v o R L L D v ob Ciclo servicio (d) Controlador Tensión Pila PEM d S C V Battery R L D GRB Q CLR Q FlipFlop generador pulso Lazo de Control en Tensión Comparador PWM Amplificador de error El sistema de control en v ref tensión se implementa mediante el circuito de v o POT 1 R 1 R 2 R 3 C 2 C 3 v o v ref POT2 I1 I1 I2 I2 COMP DTC CT RT VCC VREF OUTC C1 E1 C2 E2 GND TL494 R 4 (15V) VDD IN NC GND TC4452 VDD OUT OUT GND V PWM regulación por PWM TL494. (15)

16 Sistemas Híbridos Basados en Pila de Combustible: Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. Control en Tensión III. Control en Corriente IV. Resultados Experimentales V. Conclusiones (16)

17 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. Control en tensión III. CONTROL EN CORRIENTE IV. Resultados V. Conclusiones v i v o i s i c d Controlador Corriente Programada R L Compensador v o v ref El control en modo corriente contiene dos lazos: un lazo interno de control en corriente y otro externo de control en tensión. En el caso del sistema híbrido de pila de combustible implementado, no es necesario regular la tensión a la salida del convertidor porque está garantizada por el banco de baterías. El problema a resolver consiste en ajustar el ciclo de servicio d en función del error entre la corriente sensada i s y la corriente de control a seguir i c. (17)

18 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. Control en tensión III. CONTROL EN CORRIENTE IV. Resultados V. Conclusiones Las técnicas de control en corriente se pueden agrupan en dos categorías: Control a frecuencia constante: Control de corriente de pico Control de corriente de valle Control de corriente media Control por conductancia Control a frecuencia variable: Control por histéresis Control de tiempo de conducción constante Control de tiempo de no conducción constante (18)

19 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. Control en tensión III. CONTROL EN CORRIENTE IV. Resultados V. Conclusiones Control a frecuencia constante Control de corriente de pico y de valle i s Acondicionamiento señal Controlador de Corriente programada v i v is v ic L S Reloj R Q S D C R L v o i L0 i s i c m 2 m 1 i L1 m 2 m 1 d T s dt s T s Forma de onda perturbada 2T s i L2 t Forma de onda en régimen permanente i c Compensación Z f Z i V ref (19)

20 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. Control en tensión III. CONTROL EN CORRIENTE IV. Resultados V. Conclusiones Control a frecuencia constante Control de corriente media L D i s Acondicionamiento señal v i S C R L v o Z 2 V s v is Z 1 v ic A T s PWM Comparador V ref (20)

21 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. Control en tensión III. CONTROL EN CORRIENTE IV. Resultados V. Conclusiones Control a frecuencia constante Control por conductancia v x L S v i D C R L v o R s i s C v s v e A 2 v is v ic A 1 V ref K (21)

22 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. Control en tensión III. CONTROL EN CORRIENTE IV. Resultados V. Conclusiones Control a frecuencia variable Control por deslizamiento L D i s Acondicionamiento señal v i S C R L v o R 1 V CC V CC v is v ic R 2 R 3 v S POT v i v PWM v PWM V CC R 4 V DD Superficie de Deslizamiento R 5 Comparador Histéresis V H Comparador v i V ref (22)

23 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. Control en tensión III. CONTROL EN CORRIENTE IV. Resultados V. Conclusiones Control a frecuencia variable Control por tiempo de conducción (no conducción) constante i L L D v i S C R L v o Señal control Señal rampa Señal PWM v ic Multibrivador Monostable R Q S V PWM T off T off T off Señal PWM Toff constante Reloj v is 0 T s 2T s 3T s t Acondicionamiento Señal i s (23)

24 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. Control en tensión III. CONTROL EN CORRIENTE IV. Resultados V. Conclusiones Conclusión de la revisión Elección del método de control de corriente a emplear Técnica de Control Ventajas Desventajas Corriente de pico y de valle Corriente media Fácil implementación Balanceo Fácil implementación Estabilidad Insensibilidad al ruido Precisión Flexibilidad Inestabilidad Sensibilidad al ruido Error entre corriente de pico y corriente media Limitaciones en la ganancia del lazo de control Conductancia Insensibilidad al ruido Implementación compleja Restriciones en las ganancias del lazo de control Control por deslizamiento Velocidad Condición de estabilidad Oscilaciones Tiempo conducción y no conducción constante Fácil implementación Estabilidad Sensibilidad al ruido (24)

25 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. Control en tensión III. CONTROL EN CORRIENTE IV. Resultados V. Conclusiones Cnvertidor Boost Bus DC 48V v i v o R L Ciclo servicio (d) Controlador corriente i S Acondicionamiento señal Pila PEM i s L d S D C V Batería R L D GRB Q CLR Q FlipFlop generador pulso Lazo de control de Corriente Comparador PWM Amplificador de error Con el objetivo de poder modificar la consiga a seguir, la señal de referencia (v ic ), suministrada por el v is v ic R 1 R 2 R3 C 2 POT 1 v is v ic R 4 C 3 POT2 I1 I1 I2 I2 COMP DTC CT RT VCC VREF OUTC C1 E1 C2 E2 GND TL494 R 4 (15V) VDD IN NC GND TC4452 VDD OUT OUT GND V PWM terminal VREF se conecta a la entrada I1 a través de una resistencia variable. (25)

26 Sistemas Híbridos Basados en Pila de Combustible: Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. Control en Tensión III. Control en Corriente IV. Resultados Experimentales V. Conclusiones (26)

27 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. Control en tensión III. Control en corriente IV. RESULTADOS V. Conclusiones Módulo Nexa Boost Sensor corriente Circuito protección Nexa Controlador Tensión/Corriente Los resultados experimentales mostrarán el comportamiento del prototipo construido y la forma de controlar la tensión en el bus DC cuando la pila de combustible está conectada a la carga mediante el convertidor. Además, mediante el control en corriente, podemos decidir qué fracción de potencia suministra la pila de combustible dentro de su rango de funcionamiento. (27)

28 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. Control en tensión III. Control en corriente IV. RESULTADOS V. Conclusiones Resultados experimentales cuando se aplica el control en tensión Bus DC Pila combustible H 2 Banco Baterías Control de tensión en el convertidor Boost (28)

29 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. Control en tensión III. Control en corriente IV. RESULTADOS V. Conclusiones Resultados experimentales cando se aplica el control en tensión Bus DC Pila combustible H 2 Banco Baterías L 1 C 1 D V i = 48 V S L 2 C 2 R V o = 12 V Control de tensión en el convertidor Sepic (29)

30 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. Control en tensión III. Control en corriente IV. RESULTADOS V. Conclusiones Resultados experimentales cando se aplica el control en corriente Bus DC Pila combustible H 2 Banco Baterías El controlador mantiene la corriente suministrada por la pila de combustible (30)

31 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. Control en tensión III. Control en corriente IV. RESULTADOS V. Conclusiones Resultados experimentales cando se aplica el control en corriente Bus DC Pila combustible H 2 Banco Baterías El controlador cambia el valor de referencia Se muestra una forma práctica de resolver el problema de saturación de la pila de combustible (31)

32 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. Control en tensión III. Control en corriente IV. RESULTADOS V. Conclusiones Resultados experimentales cando se aplica el control en corriente Bus DC Pila combustible H 2 Banco Baterías El controlador fija la corriente de la pila de combustible El banco de baterías fija la tensión del bus a 48V (32)

33 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. Control en tensión III. Control en corriente IV. RESULTADOS V. Conclusiones Resultados experimentales cando se aplica el control en corriente Bus DC Pila combustible H 2 Banco Baterías El controlador fija la corriente de la pila de combustible El banco de baterías suministra la diferencia de corriente (33)

34 Sistemas Híbridos Basados en Pila de Combustible: Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. Control en Tensión III. Control en Corriente IV. Resultados Experimentales V. Conclusiones (34)

35 Control en Tensión y Control en Corriente mediante es I. Introducción II. Control en tensión III. Control en corriente IV. Resultados V. CONCLUSIONES Importancia del control en tensión y en corriente junto con la electrónica de potencia en sistemas basados en pilas de combustible. La necesidad de implementar un control en tensión o en corriente depende de la topología del sistema: s de tensión constante alimentadas por la pila de combustible. Sistema híbrido (pila de combustible batería) donde el controlador decide cuánta potencia suministra la pila de combustible y el bus DC es garantizado por el banco de baterías. Posibilidad de chequeo del sistema en diferentes puntos de interconexión donde se han establecido restricciones de tensión y corriente. (35)

36 SOLUCIONES EN EL REPARTO DE POTENCIA DE SISTEMAS HÍBRIDOS BASADOS EN PILA DE COMBUSTIBLE: CONTROL EN TENSIÓN Y CONTROL EN CORRIENTE MEDIANTE CONVERTIDORES VIII Simposio de Ingeniería de Control Aplicaciones del Control Automático en el Sector Energético Almería, 27 de Abril de 2010 Gracias por su atención

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