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Introducción
Con el transcurso del tiempo, las emisiones de gas es de efecto invernadero (GEI) hacia la atmósfera se han incrementado considerablemente. En la actualidad, la concentración de CO2 en la atmósfera haaumentado aproximadamente en un 145%, con respecto a los niveles existentes antes de la Revolución Industrial. Con el acelerado crecimiento de la población mundial y de las economías emergentes, se predice que, para el año 2050, el consumo global de recursos naturales será de hasta 3 veces mayor que el actual [1], lo cual influirá de manera notable en el cambio climático. Estudios realizados han debelado que el aumento de la temperatura en el planeta coincide con el inicio de la quema de carbón, petróleo y gas natural de manera masiva.Todo esto también ha influidoenlaacumulacióndeCO2enlaatmósfera,viéndosereflejadodemanerasignificativaenelaumentodelatemperatura de los fondos oceánico, el incremento del nivel del mar por la dilatación térmica del agua,asícomo la disminución de los glaciales y de la superficie de hielo ártico [2, 3, 4, 5, 6].
Dentro de las tecnologías desarrolladas para mitigar estos efectos se encuentra el aprovechamiento de las fuentes renovables de energía (FRE), apartir de convertidores electrónicos de potencia que permiten almacenar y distribuir la energía proveniente del sol. Dichos sistemas se pueden clasificar enautónomos, conectados a la red e híbridos, siendo estos primeros el objeto de estudio del presente trabajo. En la figura 1, se muestra la estructura en bloque de un sistema fotovoltaico autónomo, en el cual queda representados los elementos principales que lo conforman: el arreglo de paneles fotovoltaicos (PV array), el controlador de carga (chargecontroller) y el inversor (inverter); destinados al manejo y conversión de la energía proveniente de los paneles, las baterías (battery) y lascargas.
Las fuentes renovables aportan alrededor del 4,5 % del total de la generación en Cuba, pero se estima que sean las de mayor crecimiento en los años venideros, dado que implica para la nación mayor soberanía e independencia energética. Igualmente se avanza en la electrificación de las zonas rurales mediante sistemas fotovoltaicos autónomos, que entre los instalados y en proyección beneficiarían a miles de viviendas en todo el país [8].
Características de los sistemas fotovoltaicos autónomos instalados
La figura 2, muestra la estructura de los sistemas fotovoltaicos y los correspondientes convertidores sutilizados. Un convertidor de Corriente Directa a Corriente Directa (CD-CD) se encarga del proceso de carga delasdos baterías de 12 V, controlado por un algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPTpor sus siglas en inglés) de los paneles solares. La etapa inversora está constituida por un convertidor CD-CD aislado con excitación bidireccional del núcleo Push-Pully un inversor monofásico puente completo. El convertidor Push-Pull permite, a partir del nivel de tensión proporcionado por las baterías, obtener la tensión necesaria a la entrada del inversor la cual es de magnitud similar a la de seada a la salida del sistema; a este punto se le denominó bus de CD (VCD). Es de señalar que de no detectarse baterías conectadas no segeneran señales de control y por consiguiente no se suministra energía a las cargas.
El convertidor Buck Sincrónico, cuyo esquema se muestra en la figura 3, adecua el nivel de tensión a la salida del panel fotovoltaico VP al requerido por las baterías VB,garantizando una elevada eficiencia dado por su propia estructura como por la estrategia de control MPPT utilizada. Este tipo de convertidor utiliza un MOSFET (Q02) en lugar de un diodo Schottky dado que su caída en conducción es muy pequeña e inferior a la tensión umbral típica de un diodo de potencia. Los MOSFETQ01 y Q02 trabajan de forma complementaria. No obstante ,dada la necesidad de incluir un tiempo muerto en el funcionamiento del convertidor, la corriente del inductor fluiría a través del diodo propio del MOSFETQ02 durante este tiempo, lo que afecta la eficiencia. El diodo SchottkyD01 se incorpora para minimizar las pérdidas durante el tiempo muerto, o sea, cuando ambos transistores Q01yQ02 están apagados; ya que su caída en conducción es considerablemente menor a la del diodo del MOSFET [9].
Los transistores Q03 y Q04 se utilizan para proteger el convertidor de conexión con polaridad invertida del panel y las baterías respectivamente. El control de este convertidor con la implementación del seguimiento del punto de máxima potencia se lleva a cabo por diferentes procesadores de la familia de micro controladores STM32F que incorporan un núcleo de alto rendimiento ARM Cortex-M3 de 32bits.
El convertidor Push-Pull queda conformado por un transformador de ferrita elevador con relación de vueltas 𝑁2𝑁1 y un rectificador onda completa tipo puente y se prescinde de un filtro inductivo a la salida, todo lo cual se observa en la figura 4. El ciclo útil de trabajo D determina la tensión de salida VCD [8, 9] y se puede predecir a partir de las mediciones realizadas de: Ver ecuaciones (1 y 2).
(1)
(2)
El ciclo útil D queda determinado según la ecuación (3), como:
(3)
Como se observa, se trabaja muy cercano al ciclo útil máximo permitido para esta topología de convertidor, teniendo en cuenta el tiempo muerto requerido entre las conmutaciones de los semiconductores de potencia. Este resultado confirma el uso solamente del filtro capacitivo E2.
El circuito integrado SG3525 (ver figura 2), es un regulador PWM que provee dos salidas en configuración totem-pole, que pueden ser usadas para controlar el ciclo útil en convertidores CD-CD. Es un circuito monolítico que dispone de una tensión de referencia para uso interno y externo, arranque suave, control del tiempo muerto, protección por baja tensión, terminal que permite inhibir las salidas y el arranque suave y control del ciclo útil a través de un amplificador de error. La frecuencia de trabajo se define mediante resistor y condensador externo. En esta aplicación se utilizan valores que fijan la frecuencia a 40kHz.
En el control del inversor monofásico se utilizan circuitos integrados también de propósito específico que implementan estrategias de modulación sinusoidal a alta frecuencia (ver figura 2), utilizando algunos componentes que definen sus características de funcionamiento.
Resultados de las mediciones
Para la obtención de las mediciones en los diferentes componentes y terminales de los convertidores se utiliza un osciloscopio de almacenamiento digital de la serie TPS2024B del fabricante Tektronix.
Cuando el panel comienza a generar, o en caso de una perturbación en su punto de trabajo, el algoritmo del regulador de carga ejecuta una secuencia para buscar el punto de máxima potencia. Se incrementa paulatinamente el ciclo útil del transistor Q01 y, por tanto, aumenta la corriente extraída del panel, de modo que el punto de trabajo se mueve por la curva característica de Potencia contra Tensión.
El control MPPT permite buscar el punto de máxima potencia de los paneles solares. Para realizar esta tarea en cada período de muestre o semi de la tensión y corriente del panel, calculando conestos valores la potencia que entrega. Básicamente el control se basa en la comparación de la potencia y la tensión con el valor medido en la iteración anterior respectivamente. La figura 5, muestra un diagrama en bloques del control MPPT.
En la figura 6, se observa el proceso de búsqueda del punto de máxima potencia a partir de tres mediciones realizadas, donde se observa el incremento del ciclo útil de Q01 mientras que en el avance de este proceso se mantiene constante el ciclo útil de Q02. La última imagen de la secuencia muestra las señales de control de ambos transistores, una vez establecido el punto de máxima potencia.
En la figura7a, se muestran las señales entre ¨gate-source¨ aplicadas a los transistores S1 y S2 del convertidor Push-Pull. Como se observa trabajan en contrafase, con un ciclo útil similar al calculado y frecuencia de conmutación alrededor de 40 kHz. Se puede apreciar el tiempo muerto entre las señales que impide que ambos semiconductores entrenen conducción a la misma vez. En la figura7b, se observa el comportamiento bidireccional de este convertidor.
Fig. 7 a) Señales de control de los transistores S1 y S2 b) Tensión a la entrada, Tensión en elprimarioy secundario del transformador y a la salida del Push-Pull
Las características de la modulación PWM sinusoidal implementada se observan en la figura 8. En cada diagonal un transistor trabaja a la frecuencia de salida deseada de 60Hz mientras el otro conmuta a una frecuencia de 23kHz aproximadamente (figura8a). Este tipo de estrategia se conoce como modulación PWM híbrida [10]. Las señales mostradas en la figura8b, se corresponden a la tensión de salida antes y después del filtro LC. Como resultado se obtiene una señal de alterna cuyo valor efectivo es 118 V a una frecuencia de 60Hz.
Simulaciones realizadas
A continuación, se presentan los resultados obtenidos en la modelación y simulación del regulador de carga y la etapa inversora en el software MATLAB. Disponer de esta herramienta posibilita evaluar el comportamiento del sistema ante variaciones de la carga y para diferentes condiciones de trabajo de los paneles solares y las baterías. Se han utilizado los valores de resistencia del canal en conducción de los MOSFET (RDS(ON)) y de caída de tensión en sentido directo de los diodos (VF) declarados por el fabricante de las componentes.Los resultados obtenidos de la simulación del modelo del regulador de carga ante diferentes valores de irradiancia, en correspondencia con los datos reales del panel, demuestran lo significativo del uso de un algoritmo MPPT en lo que a eficiencia se refiere. En la figura 9 y la figura 10, se observan los valores de potencia entregada por el panel, los cuales coinciden con el punto de máxima potencia para cada condición (ver figura 11).
La figura 12 y figura 13, muestran el modelo de la etapa inversora y los resultados de la simulación a carga nominal, obteniéndose una tensión de salida sinusoidal de 120 V.
Fig. 13 a) Tensión a la salida del convertidor Push-Pull b)Tensión en el inversor sin filtrar c)Tensión de salida del sistema
En una vista ampliada de la tensión de salida del convertidor Push-Pull se observa como la tensión de rizado es de aproximadamente 6 V a potencia nominal sin afectar el funcionamiento del sistema (ver figura 14).
Los resultados de la simulación de la etapa inversora con carga resistiva inductiva (R-L) permiten asegurar que no existe gran distorsión de armónicos en la tensión y corriente para dicho tipo de carga. (Ver figura 15).
Conclusiones
En Cuba se han instalado una gran cantidad de este tipo de sistemas fotovoltaicos en diferentes geografías, dando solución a la no disponibilidad del Sistema Eléctrico Nacional y en la actualidad existen planes de incrementar su uso, debido a las necesidades aún no cubiertas. Los resultados del trabajo contribuyen a elevar, en los profesionales que se encargan de su puesta en marcha y mantenimiento, el conocimiento sobre las características y funcionamiento de dichos sistemas lo que abre la posibilidad de sureparación en nuestro país. Adicionalmente, fomenta el cumplimiento de la ansiada meta del diseño y construcción de sistemas fotovoltaicos de producción nacional.
