PRÁCTICA 3. Análisis mediante Simulación de un Convertidor / Bidireccional 1. Objetivo El objetivo de esta práctica es analizar mediante simulación un convertidor electrónico de potencia / bidireccional para la integración de un sistema de almacenamiento de energía basado en baterías. 2. Software de simulación La práctica se realizará en el Centro de Cálculo de la E.S. de Ingenieros de la Universidad de Sevilla, donde se hará uso de: Software de simulación Matlab Simulink SimPowerSystems Toolbox. 3. Conocimientos previos El alumno debe haber estudiado y asimilado los conceptos referentes al Tema Convertidores / 1. 4. Realización de la práctica (2 horas) El circuito a implementar durante las siguientes prácticas presenta el siguiente esquema: 400 Vac Fuente trifásica Rectificador de diodos trifásico AC Convertidor Elevador 800 Vdc BUS Inversor trifásico AC Motor M Rectificador monofásico con tiristor AC PV Flyback Horno Batería Convertidor Industrial PRACTICA 3 Bidireccional Figura 1. Esquema general del sistema de potencia a implementar durante las prácticas de la asignatura 1
El sistema de potencia opera del siguiente modo: Un rectificador trifásico no controlado consigue convertir la tensión AC de entrada de la red en una tensión de salida. En una segunda etapa, esta tensión de se eleva gracias a un convertidor / tipo elevador. La salida de este convertidor será el bus de continua donde se conectarán diferentes sistemas. Por ejemplo, uno de los convertidores conectados a este bus de servirá para controlar un sistema de aire acondicionado tipo INVERTER que viene representado en la figura 1 como un motor M. Por otro lado, a la red también se conecta un rectificador monofásico controlado basado tiristores que se alimenta de una de las fases del sistema trifásico y sirve para alimentar un horno industrial. En esta práctica, se trabajará con la parte del sistema de potencia que se encuentra dentro del cuadro sombreado marcado como PRACTICA 3 en la figura 1. Como se puede observar, esta parte del sistema completo consta de un convertidor / bidireccional que sirve para conectar un sistema de baterías a la tensión de salida del convertidor / tipo elevador. En las prácticas siguientes, se irán analizando, diseñando y simulando los demás convertidores para conseguir tener el sistema completo al final de todas las prácticas. 4.1 Representación gráfica del convertidor elevador utilizando Matlab-Simulink Representar el convertidor elevador de la Fig. 2 utilizando Matlab Simulink y la librería de SimPowerSystems Toolbox. Para el correcto funcionamiento del mismo, se debe incluir un modulador PWM basado en portadora diente de sierra. Para construir el modelo del convertidor se deben utilizar los elementos de la Tabla 1. Por otro lado, los bloques necesarios se caracterizarán con los parámetros mostrados en la Tabla 2. Figura 2. Convertidor elevador (Boost) bidireccional. 2
Tabla 1. Valores característicos de los componentes para el convertidor boost Componente Parámetro Valor Fuente (Vin) Amplitude (V) 300 IGBT (Mi) Ron (Ohms) 0.001 Diodo (Di) Ron (Ohms) 0.001 Vf (V) 0.8 Bobina (L) Inductance (H)? Fuente (Vout) Amplitude (V) 800 Powergui Simulation type Continuous Enable use of switching devices Disable snubbers in switching devices Tabla 2. Valores característicos de los componentes para el modulador Componente Parámetro Valor Duty cycle Constant value 0 1 Saturación del duty cycle Upper limit 1 Lower limit 0 Portadora diente de sierra Time values? Output values? Comparador Relational operator >= Una vez construido el modelo, se debe configurar el simulador para realizar los cálculos según las especificaciones definidas en la Tabla 3. Para configurar estos valores se debe acceder a las opciones de configuración del Solver a través de la ventana Configuration parameters empleando el menú Simulation Configuration Pameters. 3
Tabla 3. Parámetros de configuración del simulador Parámetro Valor Type: Variable-step Solver Ode45 Max step size? Min step size Auto Relative tolerance 1e-3 4.2 Análisis del convertidor dc/dc bidireccional (2 PUNTOS) Se debe analizar el circuito del convertidor dc /dc bidireccional que, trabajando a 10kHz, gestione una potencia máxima de 10kW en ambos sentidos, y que tenga para la potencia máxima un rizado de corriente menor de 1 amperio. Realizar todos los cálculos teóricos para diseñar el convertidor así como para conocer (para una potencia de 10kW desde la entrada a la salida): Duty cycle necesario Valor de la corriente media por la bobina 4.3 Simulación en bucle cerrado del convertidor (5 PUNTOS) Diseñar una estrategia de control para controlar en bucle cerrado la potencia del convertidor. Así, la entrada del controlador es la potencia de referencia Pref y la salida del controlador debe ser el valor de duty cycle a aplicar. Para añadir el bloque de control se deben emplear los elementos de la Tabla 4. Dichos componentes se deben caracterizar con los parámetros mostrados en la Tabla 4 y Tabla 5. Tabla 4. Componentes del modelo simulink para el controlador PI Elemento Referencia PI Sumador Nombre del componente en la librería Simulink Constant Discrete PID controller Sum 4
Tabla 5. Valores característicos de la tensión de referencia de salida del convertidor dc/dc y del PI Componente Parámetro Valor Referencia Constant value Valor variable PID controller Controller PI Form Ideal Time domain Discrete-time Proportional? Integral? Sample time? Sumador List of signs -+ Aplicar inicialmente Pref=0 y dar un cambio de esa potencia de referencia haciendo que Pref=10kW a los 0.5 segundos y Pref=-10kW a los 0.8 segundos. Simular el sistema durante un segundo. Ya en régimen permanente con P=0 kw, representar durante tres periodos de portadora: Corriente por el igbt1, corriente por el diodo1, corriente por el igbt2, corriente por el diodo2 Tensión que soporta el igbt1 y el diodo1, tensión que soporta el igbt2 y el diodo2 Ya en régimen permanente con P=10 kw, representar durante tres periodos de portadora: Corriente por el igbt1, corriente por el diodo1, corriente por el igbt2, corriente por el diodo2 Ya en régimen permanente con P=-10 kw, representar durante tres periodos: Corriente por el igbt1, corriente por el diodo1, corriente por el igbt2, corriente por el diodo2 4.4 Simulación en bucle cerrado del convertidor con una batería real (3 PUNTOS) Cambiar la fuente de entrada por una batería de ion-litio con las siguientes características: 5
Figura 3. Características de la batería. Aplicar inicialmente Pref=0 y dar un cambio de esa potencia de referencia haciendo que Pref=10kW a los 0.5 segundos y Pref=-10kW a los 0.8 segundos. Simular el sistema durante un segundo. Representar durante todo el tiempo de simulación: Estado de carga de la batería, tensión de la batería y corriente de la batería 5. Referencias http://www.mathworks.es www.mathworks.es/products/simpower/ www.mathworks.com/help/releases/r13sp2/pdf_doc/.../powersys.pdf 6