Control de convertidor DC/DC para carga de Batería en Sistemas Fotovoltaicos de Potencia J.A. Ravelo, S. de Pablo, A. B. Rey, y S. Lorenzo Departamento de Tecnología Electrónica. Universidad de Valladolid. Valladolid (España). E-mail: jangel, sanpab @ dali.eis.uva.es Teléfono: +34 983 42 33 44 Fax: +34 983 42 33 10 Resumen La interconexión de un generador fotovoltaico y una batería, conduce al punto de trabajo que resulta de interceptar las características I-V de ambos. En general este punto no tiene que coincidir con el de máxima potencia del generador y, por ello, es necesario diseñar un sistema de control para determinar el punto de operación en el que trabajará el generador fotovoltaico para cada Estado De Carga (EDC) de la batería. El objetivo de este artículo es mostrar el algoritmo de control de un convertidor DC/DC tipo booster cuyos resultados se muestran a continuación. 1. Introducción El comienzo en 1974 de las ventas de módulos fotovoltaicos destinados al mercado terrestre, han crecido espectacularmente y su precio ha ido decreciendo. Desde el punto de vista técnico, los avances tecnológicos de los últimos años han sido excepcionales. Las eficiencias de las células en laboratorio han crecido desde 15,5% hasta 24,2% en 1990 para células de silicio a 1 sol [1]. Una parte significativa de la producción fotovoltaica se destina a aplicaciones donde ni la fiabilidad ni la estabilidad son importantes (relojes, juguetes, calculadoras, etc.). Otras aplicaciones como el bombeo de agua y la electrificación de lugares aislados de la Red están llamados a constituir el grueso del mercado, puesto que es en este sector donde la tecnología fotovoltaica representa la mejor solución posible en términos económicos. Para los sistemas aislados de Red existe un amplio abanico de posibles acumuladores de energía (volantes de inercia que acumulan energía cinética, depósitos de agua que acumulan energía potencial, etc.). Sin embargo, las disponibilidades del mercado actual hacen que para el mundo de los sistemas fotovoltaicos, tales posibilidades se reduzcan a la acumulación electroquímica, es decir, a la batería recargable [2,6]. Las aplicaciones fotovoltaica en el sector residenciales han sido tratadas en [5]. 2. Configuración del sistema Solar El circuito empleado en nuestro caso se muestra en la Figura 1. El sistema consiste en emplear la energía producida por los paneles solares para realizar la carga de batería en función de su estado de carga (EDC) y el suministro de energía a la carga alimentada por el convertidor DC/AC, para ello se emplea un convertidor elevador o booster. Isol Solar Array Vsol + + Ce Current Feedback L IL IGBT Gate Drive Digital Signal Processor Vcc Analog /digital circuit Cb Voltage Feedback + Current Feedback Ibat Icc Vbat Figura 1. Circuito para carga de batería en sistemas fotovoltaicos
2. Características de la célula solar De acuerdo con la ecuación (1), la corriente eléctrica suministrada por una célula solar a una carga viene dada por la diferencia entre la fotocorriente I g y la corriente de recombinación o de diodo I D (V), debida a la polarización producida por el voltaje generado [1]. q I o = I g I sat exp ( Vo + I ors ) 1 (1) AKT donde I sat es la corriente inversa de saturación, q es la carga eléctrica, A es un factor adimensional, K es la constante de Boltzmann, T es la temperatura en K, R s es la resistencia en serie de las células. La ecuación (1) nos permite obtener mediante simulaciones en PC las características I-V de un panel solar (Fig. 2). ácido. Con menor frecuencia se utilizan baterías de níquel-cadmio. Algunas veces, en vez de almacenar energía, se recurre a almacenar directamente al producto final del sistema: agua en los sistemas de bombeo, por poner un ejemplo. En nuestro caso el sistema de acumulación esta constituido por una batería electroquímica de plomo ácido. Es el tipo de batería más ampliamente utilizada, a pesar de su baja densidad de energía, y constituye más del 90% del mercado. Tiene a su favor su bajo coste, la sencillez de fabricación, alta densidad de potencia y un amplio rango de temperatura de operación. Durante el proceso de descarga la energía química almacenada en un acumulador plenamente cargado se convierte en energía eléctrica. La caracterización de la descarga en general se realiza a una corriente constante produciéndose una disminución del voltaje, densidad y estado de carga (EDC). La carga es el proceso inverso a la descarga, produciéndose la conversión de energía eléctrica en energía potencial química por el paso de una corriente directa. Para obtener un rendimiento óptimo de operación de la batería y un mayor tiempo de vida se necesitan operar en unas condiciones apropiadas de carga. Figura 2. Curvas I-V de un panel solar Características eléctricas de los paneles seleccionados: Tipo NM110G/12 Fabricante HELIOS Potencia minal (w +/- 10%) 110 Funcionamiento típico 6.42A/17.1V Corriente de Cortocircuito 7.4A Tensión en Circuito abierto 21.64V Número de paneles en serie 17 Número de grupos de paneles 16 en paralelo 3. Características del sistema de acumulación El acumulador de energía es el que adapta los diferentes ritmos de producción y de demanda almacenando energía en los momentos en que la primera es superior a la segunda, y entregándola en el caso contrario. En la mayoría de los sistemas está constituido por un acumulador electroquímico, o batería, de plomo En general la carga se realiza de una manera controlada, verificando el voltaje, la temperatura y la corriente de carga. En aplicaciones solares debido a variaciones de insolación, puede resultar difícil alcanzar estas condiciones. El voltaje de circuito abierto en una batería cargada suele ser de 2.14 V por elemento a 25 C y la densidad del electrolito de 1.24 g/cm 3. Se definen tres tipos de carga: carga de mantenimiento (flotación), (re)carga normal después de una descarga y carga de igualación. Para la simulación se ha utilizado un modelo de comportamiento externo de batería donde se incluyen relaciones que describen las variaciones de corriente, tensión y temperatura descrito en [1]. Conocer el estado de carga de la batería es útil para prevenir la sobrecarga o la sobredescarga y poder gestionar adecuadamente la capacidad disponible. El estado de carga puede determinarse por diversos métodos (medida de los amperios-hora, densidad del electrolito, tensión de circuito abierto, resistencia interna, tensión de una célula auxiliar de referencia, presión en el fondo de la batería, etc.), pero no existe actualmente un método preciso y económico para la determinación del estado de carga en todas las condiciones de operación. Esto es debido a los diversos factores y procesos que ocurren simultáneamente y pueden afectar las medidas, como la temperatura, el grado de envejecimiento, el gradiente de concentración del electrolito (estratificación), etc.. En la Figura 3 se dan datos
aproximados del estado de carga en función del voltaje de circuito abierto [1]. Start Sense Ibat, Icc, Vcc, Vca V / elem. 2.08 Vref1=<Vca<Vref2 2.03 tmi < Tdes Ibref = Icc 1.97 Tcont > Tdisp 10% 50% 100% Estado De Carga Figura 3. Estado de carga en función del voltaje de circuito abierto (datos de catálogo de baterías TUDOR). IL > Ibref S = 1 Tcont = 0 Características de la batería seleccionada: Ecuaciones de Planta Tipo 2 TSE 55 Fabricante ATERSA Capacidad Ah en C100 172 Tensión por elemento 2V Número de elementos en serie 200 Imín < Ibat < Imáx tmf > Tdes Vca =Vcc Tdes = 0 Sistema de Control Tdes = 0 El diagrama de bloques del sistema de control se muestra en la Figura 4. El control consiste en la implementación de tres lazos, el interior determinada el estado del polo, es decir, cada cierto tiempo fijo (Tcon) el IGBT conduce (S = 0), esto hace que la corriente por la bobina (IL) se incremente rápidamente, cuando IL > Ibref (corriente de referencia) el IGBT es bloqueado (S = 1) produciéndose una disminución de IL a medida que se entrega a la batería. El lazo intermedio provoca que cada un tiempo (tmi) se modifique el valor de la corriente de referencia (Ibref), de manera tal que este sea igual al valor de la corriente demandada por la carga de alterna (Icc), de esta manera la corriente de la batería (Ibat) toma valores próximos a cero o entre Imín e Imáx, lo cual nos permite considerar que la tensión de circuito abierto de la batería (Vca) es igual a la tensión medida en ese instante. En función del EDC la Ibref tomará determinados valores y puede suceder que en algunos de los casos el cambio de Ibref = Icc no provoque valores de Ibat entre Imín e Imáx, para esto se implementa una variable (tmf) que provoca el final de este lazo. El tercer y último lazo compara el valor de la tensión de circuito abierto con una tensión de referencia (Vref1 = < Vca < Vref2) y determina el EDC de la batería y el valor de la corriente de referencia ( Ibref). Figura 4. Sistema de Control El valor de la corriente de referencia (Ibref) es una función del Estado De Carga de la batería, cuando la batería tiene valor de EDC 0, la Ibref toma su máximo valor (Icmáx) y cuando EDC 1.0, Ibref toma su valor mínimo (Icmín) produciendo una corriente de mantenimiento o flotación. Como inconveniente tenemos la posibilidad de que se produzca conducción discontinua o de que no se alcance el valor máximo de corriente bajo condiciones de baja irradiancia. 6. Simulación Las simulaciones que se muestran se han obtenido para valores del circuito convertidor que se muestran en la Tabla1. L (mh) Ce (µf) Cb (µf) f c (khz) 40 1000 68 1 Tabla1. Parámetros del convertidor En condiciones de irradiancia nula (Ig = 0) el IGBT se encuentra bloqueado y solo cuando la corriente de los paneles (IL) supera determinado valor es que comienza el funcionamiento del booster transfiriendo energía a la carga formada por la batería y el convertidor DC/AC que
alimenta una carga alterna aislada de la red. En la Fig. 7 se observa que para valores de irradiancia nulos (Ig = 0) es la batería quien aporta la energía demandada por la carga. Cada cierto tiempo se mide la tensión de circuito abierto de la batería para determinar su EDC y el valor de la Ibref. Figura 9. Comportamiento del booster para variaciones del EDC. Figura 7. Comportamiento del booster para variaciones de irradiancia (Ig) En la Figura 8 se observa que a medida que aumenta la corriente demandada por el convertidor DC/AC (Icc) aumenta la IL y con ella la Isol, esta situación se produce porque se debe ir buscando el punto de trabajo adecuado de los paneles. Se observa que la corriente de la batería mantiene su valor en todo instante para un mismo valor de EDC, si este cambia se modifica Ibref para aportar la Ibat adecuada y la Icc demandada. Figura 10. Comportamiento del booster ante variaciones de la irradiancia (Ig) y valores constantes de Icc y EDC. 7. Conclusiones Figura 8. Comportamiento del booster para variaciones de Icc. En la medida en que la batería se aproxima al máximo EDC (EDC máx = 1.0) la corriente de carga (+Ibat) disminuye, hasta un valor mínimo que garantiza una carga de flotación o mantenimiento. En el caso que la batería se descargue (EDC mín = 0) el control garantiza aumento de la corriente de referencia para que aumente la corriente de carga (+Ibat), esto puede observarse en la Figura 9. Cuando la irradiancia varía, el control es capaz de buscar el punto de trabajo de los paneles de manera que se realice un correcto proceso de carga y se entregue toda la energía que demanda la carga (Fig. 10). Realizar un correcto control del sistema de acondicionamiento de potencia (convertidor DC/DC) es necesario para lograr ajustar el punto de operación de campo colector a las condiciones atmosféricas, al Estado De Carga de la batería y a la demanda de energía de la carga. En este artículo se muestra un método para determinar el EDC realizando la medición de la tensión de circuito abierto de la batería. El sistema propuesto está simulado para ser implementado con DSP, la efectividad del sistema propuesto está confirmada por las simulaciones mostradas. Referencias [1] E. Lorenzo, Electricidad Solar. Ingeniería de los Sistema Fotovoltaicos Instituto de Energía Solar, Universidad Politécnica de Madrid.1994 [2] S. Robert, Solar Electricity, Prentice Hall, 1991. [3] S. de Pablo, S. Lorenzo, J.A. Domínguez and S. Cáceres. Real-time Voltage Control for Unbalanced UPS, 7th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE 97), Trondheim (rway), 1997, pp. 2121-2124.
[4] J. A. Domínguez Vázquez. Control de Sistemas Fotovoltaicos para Bombeo y Conexión a Red por medio de La Teoría de Campo Orientado. Tesis Doctoral, Universidad de Valladolid, 1996. [5] B.K.Bose, P.M.Szczesny and R.L.Steigerwald, Microcomputer Control of a Residencial Photovoltaic Power Condictioning System, IEEE Trans. on Industry Applications, vol. IA - 21, no. 5, pp1182~1191, Sep. 1985. [6] T. Markvart, Solar. Electricity, John Willy & Sons, 1994