ARTÍCULO ORIGINAL

Metodología de diseño aplicada a un sistema fotovoltaico con topología de inductor en derivación

Design methodology applied to photovoltaic system with inductor tapped topology

Juan Carlos Yris-Pastor^1,4*, Jorge Hugo Calleja-Gjumlich², Leobardo Hernández-González³, José Armando Olmos-Lopez¹

¹ División Académica de Ingeniería y Arquitectura (DAIA), Universidad Juárez Autónoma de Tabasco. Carretera Cunduacán-Jalpa de Méndez Km. 1, Col. La Esmeralda. C.P. 86690. Tabasco, México.

² Departamento de Ingeniería Electrónica, Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico. Interior Internado Palmira S/N, Col. Palmira. C.P. 62050. Cuernavaca, México.

³ Departamento de Electrónica, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME), Instituto Politécnico Nacional. Av. Santa Ana N.° 1000, Col. San Fco. C.P. 04430. Culhuacan, México.

⁴ Departamento de Electrónica y Mecatrónica, Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco. Carretera Vecinal Comalcalco-Paraíso Km. 2 Ra. Occidente 3ra Sección. C.P. 86650. Comalcalco, México.

(Received June 07, 2013; accepted March 17, 2014)

Resumen

Para acondicionar óptimamente la energía proveniente de sistemas Fotovoltaicos a la red eléctrica se utiliza el concepto de módulo CA, el cual permite convertir la energía de CD a CA. Sin embargo, el uso de este esquema presenta una baja calidad en la generación de energía, una baja ganancia de voltaje, alto contenido armónico y una baja eficiencia de conversión. Para subsanar estas problemáticas se propone el diseño de topología de inductor en derivación con salida diferencial y controlada con modulación sinusoidal, obteniendo un esquema de Convertidor de Módulo Integrado (MIC). La metodología de diseño del MIC se validó en una primera etapa a través de simulaciones con variaciones de parámetros, los resultados de la simulación fueron verificados por medio de un prototipo de 80 Watts, que corresponde a la potencia máxima de un módulo fotovoltaico. En una segunda etapa se validó experimentalmente el diseño del prototipo, en los resultados de laboratorio se pudo apreciar que el prototipo trabajando en un sistema fotovoltaico real presentó las siguientes mejoras: un incremento en la ganancia de voltaje, un incremento en la eficiencia, diseño simple y reducción de la distorsión armónica total, con respecto a convertidores tradicionales.

Palabras clave: sistema fotovoltaico, inversor, convertidor en derivación, MIC

In order to transform DC in AC ready to be delivered to the electrical-grid, the concept of AC Module is typically applied; however, the use of this scheme, presented are some quality problems in the generation of energy, as, voltage gain low, high THD and low conversion efficiency. As a solution, a tapped-inductor topology is proposed to design an inverter into a Module Integrated Converter (MIC). The proposed converter and its control system are evaluated by simulations. The simulation results were verified using an 80 watts prototype, which is the maximum power rating for a single photovoltaic module, in the obtained experimental results can be appreciated that the prototype working in a real photovoltaic system: increases the voltage gain, increases the efficiency and reduces the harmonic distortion with respect to a traditional converter.

Keywords: photovoltaic system, inverter converter with tapped, MIC

Introducción

De acuerdo con [1], el costo de los paneles solares ha disminuido sustancialmente, y se espera en un futuro inmediato una mayor reducción y un crecimiento en su aplicación. Por lo que el desarrollo de convertidores con alta eficiencia aplicados a paneles fotovoltaicos, FV, con conexión a la red se vuelve un tema de investigación prioritario. Una mejora que se puede lograr en el sistema FV, consiste en integrar el módulo FV con el convertidor inversor o MIC. La unión de un sistema FV y el inversor es denominado ''Módulo de CA'' [2-4]. La característica principal de trabajar con el módulo de CA, es su facilidad de conectarse a la red eléctrica bajo el modo de operación de conectar y usar -plug and play-. Este tipo de esquema es adecuado para su utilización en cargas de 40W a 200W y es capaz de soportar múltiples conexiones en aplicaciones domésticas y un crecimiento de potencia teórica máxima de 2 kW [5, 6]. La principal limitación de este tipo de inversor es que la potencia máxima del MIC debe ser igual a la potencia liberada por el panel FV. Una opción para aumentar la potencia del convertidor a su máximo, es incrementar la ganancia de voltaje.

La propuesta presentada consiste en diseñar un sistema simple con alta eficiencia, utilizando un convertidor CD-CD sin aislamiento, lo que permite obtener un voltaje adecuado en su conexión a la red eléctrica a partir de un panel FV marca CONERGY, modelo C1251P [7].

Como el panel FV entrega un rango de voltaje de 14V_CD a 17V_CD, esta variación obedece a lo irregular que es la irradiación solar durante el día, es necesario diseñar el MIC con una ganancia mínima de 10.58 y una ganancia máxima de 12.85 con el fin de mantener la salida del inversor en los niveles requeridos por la red eléctrica. La máxima ganancia reportada en la literatura con esquemas tradicionales o convertidores no aislados no logra cubrir la ganancia solicitada [8-13]. Por esto se procedió a revisar las propuestas reportadas para seleccionar el esquema de convertidor más adecuado para su mejora y evaluación a través de un prototipo experimental.

Selección del inversor

Para análisis y mejora del MIC, se dividió a este en dos etapas de conversión: Primero, la función de conversión CD-CD con alta ganancia de voltaje. Segundo, la función de inversión (Fig. 1). Para su implementación doméstica se requiere que el MIC presente las siguientes características: bajo peso, alta eficiencia, alta ganancia de voltaje y alta densidad de potencia, con estas condiciones la revisión de la literatura se focalizó en tres propuestas principales.

El primer inversor analizado es propuesto por [9]. Este consiste de dos convertidores elevadores tipo CD-CD operando en modo complementario (Fig. 2). Presentando las siguientes desventajas: baja ganancia de voltaje, los transistores trabajan en conmutación dura, se incrementa las pérdidas por conmutación y el sistema es susceptible a interferencia electromagnética.

El segundo inversor analizado es propuesto por [10], este convertidor opera con señales de control PWM duales y conmutación dura: una etapa del circuito genera la función CD-CD y la otra etapa genera la función de inversión, esto elimina el problema de asimetría, siendo apropiado para potencias pequeñas (Fig. 3). La desventaja es que opera con un solo inductor L, el cual provee la energía para cada medio ciclo del voltaje de salida; lo que incrementa pérdidas debido al calentamiento o pérdidas por el cobre.

El tercer inversor analizado es propuesto por [11]. El convertidor utiliza dos transistores operando a alta frecuencia para la etapa elevadora y dos transistores operando a baja frecuencia para la etapa de inversión (Fig. 4). La propuesta trabaja en MCC e implementa el seguimiento del punto máximo de potencia MPP [12].

De acuerdo con la tabla 1, la propuesta de convertidor más viable a mejorar por su capacidad de potencia, mínima de 80W, es la desarrollada por [11]. Para lograr el aumento de ganancia de voltaje se propone un esquema de carga diferencial y un control PWM tipo sinusoidal. Para el diseño del convertidor se considera que en el punto de máxima potencia el módulo FV presenta un comportamiento dual, es decir, puede operar como fuente de corriente o como fuente de voltaje [13], en particular si se trabaja con un capacitor de valor grande a la salida del módulo, este puede ser analizado como una fuente de voltaje. La condición anterior permite que el módulo FV trabaje como una fuente de CD para la energización del convertidor CD-CD, lo que simplifica el análisis.

Propuesta de mejora del convertidor CD-CD

Para aumentar la ganancia de voltaje se identificaron tres alternativas sin aislamiento, que se analizan a continuación:

Convertidor con Inductor Acoplado (IA) Está basado en un convertidor elevador conectado en serie con un inductor acoplado [14, 15]. Su principio de operación es similar al convertidor Flyback con diodo activo de anclaje (Fig. 5). Las principales ventajas son: incremento de la eficiencia debido a su arreglo simple y de bajo costo, elimina la restricción de alta relación de transformación, reduce el tiempo de recuperación inversa del diodo, disminuye el esfuerzo de voltaje en el transistor. Sin embargo, presenta la desventaja de utilizar un filtro adicional para suavizar los pulsos de corriente presentes en la entrada.

Convertidor con Inductor Acoplado y Multiplicador (IAM) Fue propuesto por [16]. Este convertidor permite mayor relación de transformación en el inductor, comparado a los convertidores tradicionales (Fig. 6). Disminuye el esfuerzo de voltaje, aumenta la ganancia de voltaje, incrementa la eficiencia y es de fácil aplicación en sistemas FV. Presenta como desventajas las siguientes: requiere de un filtro adicional debido a la corriente pulsante generada a la entrada y se incrementa la THD.

Convertidor con Inductor en Derivación (ID) Este convertidor es una extensión del convertidor tradicional propuesto por [17-19] (Fig. 7), utiliza la configuración en derivación para lograr una ganancia de voltaje alta. Su principal característica es que permite variantes con el intercambio de posición del diodo y del transistor en el circuito. Los parámetros de control son iguales al convertidor tradicional. El inductor actúa como un autotransformador permitiendo al transistor operar con bajo esfuerzo de voltaje.

En la tabla 2 se presentan las características más importantes de los tres convertidores analizados. Se puede concluir que el esquema de Inductor en Derivación (ID) es adecuado para su aplicación al esquema de inversor con aplicación en sistemas FV, donde esta técnica se ha retomado en años recientes con el propósito de obtener ganancias de voltaje grandes [20-21].

En la figura 8 se muestran las tres variantes con salida flotada, es decir la salida no comparte la terminal de referencia con la entrada, que se pueden lograr a partir del convertidor con Inductor en Derivación (ID), y que son: Interruptor en la Derivación (ID), Diodo en la Derivación (DD), y Entrada- Salida en la Derivación (ESD) [22].

En la figura 9, se presentan el comportamiento teórico en: MCC, CC y MCD, para las tres variantes del convertidor con inductor en derivación y salida flotada. Donde el factor ''k'' determina el modo de operación del convertidor [11].

Del análisis presentado en la figura 9, se determina que la variante de convertidor que presenta un mejor comportamiento trabajando en MCC y MCD, es el Reductor Elevador con Inductor e Interruptor en Derivación (REIID), el cual además posee la ventaja de operar con mayor ciclo de trabajo con respecto a los dos variantes, esto es importante para el diseño del sistema de control, ya que durante un ciclo de operación el convertidor cambia de MCC a MCD y se puede salir de su estabilización.

Diseño del convertidor REIID

En la figura 10 se presenta el circuito final que incorpora la propuesta de mejora para aumentar la ganancia de voltaje y salida flotada.

Para su análisis y obtención de las ecuaciones de diseño, el convertidor de la Fig. 10 presenta dos modos de operación:

Modo 1 Cuando el transistor Q conduce, el diodo D se bloquea y la corriente fluye por L₁, al mismo tiempo la energía almacenada en el capacitor C se transfiere a la carga R (Fig. 11a). En este modo el ciclo de trabajo (d) se define con la expresión (1).

El pico de corriente del transistor Q es igual al pico de corriente del inductor L₁, como se observa en la Fig.11a y con las expresiones (2) y (3).

Modo 2 Cuando el transistor Q se bloquea, el diodo D conduce (Fig. 11b). La corriente almacenada en L₁ fluye al inductor L₂ y al diodo D y finalmente carga al capacitor C. cuando ambos dispositivos de conmutación se bloquean (transistor y diodo), el problema de recuperación inversa desaparece ya que la corriente en el diodo es cero.

En este modo el pico de corriente del diodo es igual al pico de corriente del inductor L₂, como se observa en la Fig. 11b y se calcula con la expresión (4).

Para disminuir el esfuerzo de corriente en el dispositivo de conmutación Q, i_L2pk, se calcula en base a la relación de picos de corrientes de los inductores L₁ y L₂, expresión (5).

La resistencia crítica de la carga R_C es función del ciclo de trabajo d y se obtiene con (6).

El valor de k se determina con la expresión (7).

El valor de k presenta las siguientes condiciones: existe un valor máximo de inductancia que permite la operación en MCD, llamado inductancia crítica, ver Fig. 12.

Es decir, cualquier valor menor que la inductancia crítica (L_C) condiciona que el convertidor opere en MCC. El valor de k_C se determina por medio de y las expresiones (8) y (9).

El valor de la inductancia total del convertidor, se encuentra con la expresión (10).

Finalmente el valor del capacitor C se determina con la expresión (11).

Sistema de control

El sistema de control utilizado se basa en una señal SPWM para minimizar la THD y la obtención de la señal sinusoidal deseada a la salida. El control del MIC con SPWM requiere de dos señales: una señal de referencia (sinusoidal) para obtener la forma de onda a la salida y una señal portadora (triangular), la cual determina frecuencia de conmutación. La señal portadora presenta un valor pico V_T y la señal sinusoidal presenta un valor pico V_s. esta relación es conocida como el índice de modulación (m_a) y se define con (12).

Utilizando la expresión (12) es posible obtener la magnitud de la componente fundamental del voltaje de salida del MIC a través de (13).

Para el diseño del prototipo se requiere obtener un voltaje de salida de 127V_RMS a partir de un voltaje de entrada de 200V_CD, por lo que utilizando (12) y (13) se obtiene un m_a=0.89. La utilización del control SPWM condiciona que el contenido armónico del voltaje de salida se presenta en altas frecuencias, lo que es deseable para el diseño del filtro LC. Para el cálculo de la frecuencia de corte del filtro se utiliza la expresión (14).

Para mejorar la señal sinusoidal generada en el Módulo de CA, la impedancia de salida debe ser baja; esta se calcula con (15):

De acuerdo a las evidencias experimentales, se sugiere que la frecuencia de corte se encuentre en un rango de , lo anterior permite obtener una forma de onda sin distorsión significativa a la salida del MIC.

Análisis del MIC

El MIC a implementar consiste de dos convertidores CD-CD de la familia Reductor-Elevador con Inductor e Interruptor en Derivación (REIID) sin aislamiento y con salida flotada. En la tabla 3 se muestra la secuencia de conmutación de los dispositivos de potencia para ambos semiciclos, en la Fig. 13 se muestra el semiciclo positivo y en la Fig. 14 se muestra el semiciclo negativo.

Las especificaciones de diseño del MIC se observan en las tablas 4 y 5.

Resultados Experimentales

Los componentes finales utilizados en la implementación del prototipo son: MOSFET IRFP-460, diodo rectificador ultra rápido MUR460, ferrita RM-14 con material magnético 3C85. En las figuras 15 y 16 se observan las formas de onda de corriente y voltaje del MOSFET y diodo, obtenidas con datos de simulación y datos experimentales. Para V_i=14V_CD, de acuerdo a (3), se obtiene un valor teórico de I_Lpk=12.98A, el valor de simulación es de 12A y el valor experimental obtenido es de 14A. Como se puede observar en la comparación, teórica, de simulación y experimental, se logró una adecuada aproximación.

En la Fig. 17 se observa el comportamiento de I_L para los tres modos de conducción: MCD, CC y MCC. El cambio de modo incrementa el flujo de corriente en los dispositivos de potencia. Lo que permite aumentar el voltaje y la corriente de salida en el MIC.

La máxima eficiencia encontrada es de 92%, la cual corresponde a un voltaje de entrada V_i=17V_CD, ver Fig. 18.

Si se comparan las formas de onda de salida obtenidas en la simulación (Fig. 19) contra los datos experimentales (Fig. 20), se puede observar una gran similitud. En ambos casos el MIC trabaja con control SPWM.

En la Fig. 21 se muestra el análisis de la distorsión armónica en la señal suministrada a la red eléctrica. La THD es menor al 5%, para los casos V_i=14V_CD y V_i=17V_CD, lo que valida al prototipo en la norma IEEE 929.2000 [23].

Finalmente, en las figuras 22, 23 y 24 se muestran imágenes del Panel FV, del banco de pruebas y del prototipo final.

Conclusiones

Se presentó una metodología de diseño para mejora de un convertidor de módulo integrado con aplicación en paneles fotovoltaicos bajo el concepto de Módulo de CA, la cual fue validada a través de un prototipo experimental. Esta propuesta se logró a través del análisis de diferentes esquemas convertidores con aplicación en sistemas fotovoltaicos, lo que permitió desarrollar las nuevas ecuaciones de diseño para las variantes del convertidor reductor-elevador con inductor e interruptor en derivación, el cual trabaja tanto en modo de conducción continua como en modo de conducción discontinua.

Se comprobó que la incorporación del inductor en derivación como propuesta de mejora minimiza las pérdidas por conducción. Además, de obtener un aumento significativo en la eficiencia y disminución de la distorsión armónica total, lo que garantiza el cumplimiento de la norma IEEE 929.2000 bajo condiciones de trabajo del módulo FV (14 V_CD a 17V_CD).

Finalmente el prototipo experimental obtenido es simple y de poco peso por lo que puede ser implementado en una pequeña red o micro-red de manera fácil y eficiente.

Acrónimos

ESD, Entrada - Salida en la Derivación

DD, Diodo en la Derivación

FV, Fotovoltaico

IA, Convertidor con Inductor Acoplado

IAM, Convertidor con Inductor Acoplado y Multiplicador

ID, Convertidor con Inductor en Derivación

ID, Interruptor en la Derivación

i_L, Corriente promedio en Inductor

I_L, Corriente instantánea en Inductor

L_C, Inductancia critica

MC, Modo crítico

MCC, Modo de Conducción Continúa

MCD, Modo de Conducción Discontinua

MIC, Convertidor de Módulo Integrado

MPP, Punto de Máxima Potencia

REIID, Reductor Elevador con Inductor e Interruptor en Derivación

R_C, Carga critica

SPWM, Modulación Senoidal de Ancho de Pulso

THD, Distorsión Armónica Total

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