Estrategias para compartir cargas en un sistema híbrido fotovoltaico/célula de combustible/batería/supercondensador (II)

Control del subsistema fotovoltaico

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CONTROL DE LA POTENCIA

El control de la potencia en los sistemas híbridos de generación de energía es el elemento clave para conseguir el funcionamiento correcto de todo el sistema y su equilibrio.

Un control del flujo de potencia activo efectivo desde las fuentes y/a los dispositivos de almacenamiento se requiere mantengan un equilibrio de potencia en cualquier momento. Esto mantendría el voltaje del bus DC dentro de una banda dada alrededor de un voltaje nominal.

Esto puede alcanzarse teniendo un control de nivel más bajo de los convertidores del componente que directamente modulan el conmutador y un control de supervisor de alto nivel para decidir cómo y en qué modo se controlan los convertidores. Cada componente tiene su propio controlador embebido incorporado en su convertidor para controlar directamente la cantidad, dirección y nivel del flujo de potencia. Este control de supervisión se efectúa dentro de un Power Flow Management Center (PMC) que tiene como entrada el voltaje del bus instantáneo, y corrientes y voltajes desde batería, supercondensador, célula de combustible y generador fotovoltaico y señales apropiadas de salida a los diferentes subsistemas. El voltaje del bus se usa como el principal parámetro de control para indicar el nivel de carga en cualquier instante para indicar el nivel de carga en cualquier instante para impulsar más o menos salida de potencia desde la célula de combustible, batería o supercondensador.

Veamos el método de control propuesto para cada uno de los subsistemas que comprenden el sistema híbrido:

A. Subsistema fotovoltaico

Para utilizar completamente la energía renovable del sistema fotovoltaico, la estrategia más conveniente es operar en el punto de máxima potencia. Para ello se utiliza un convertidor buck basado en la tecnología MPPT. Cualquier excedente de energía obtenido con el sistema fotovoltaico o la célula de combustible se utiliza para cargar la batería y el supercondensador. Pero el exceso de energía, puede todavía sobrecargar el bus DC. Por lo tanto, durante los periodos en los que haya muy alta producción fotovoltaica y baja carga la energía sobrará, y parte de la energía producida puede desviarse operando en un punto alejado del MPP o usando una dump load.

El primer caso puede manejarse teniendo dos modos de control en el convertidor PV donde el control cambia del MPPT mode al MPP deviate mode cuando el voltaje del bus excede una referencia dada y vuelve al MPPT mode cuando el voltaje está por debajo de esta referencia. Por lo tanto, el ciclo más exigente del convertidor PV se genera por máxima potencia dendtro del PCM durante el MPPT mode y directamente en el control del convertidor para el control del voltaje del bus durante el MPP deviate mode. El control del subsistema PV es el de la figura con la que iniciamos este artículo.

B. Subsistema de célula de combustible.

El convertidor DC/DC de la célula de combustible eleva el voltaje de la célula de combustible al nivel del voltaje del bus DC. El convertidor se controlará manteniendo el voltaje del bus alrededor del punto de ajuste previsto set point. Para ello se controlaría la salida de la célula de combustible de tal forma que cuando el voltaje de DC-link esté bajo, por ejemplo ante cargas importantes, baja batería o carga del supercondensador, más potencia fluye de la célula de combustible al bus. Sin embargo, la corriente que fluye de la célula de combustible decrece cuando el DC-link se encuentra lleno, por tener conectadas cargas ligeras, la batería llena y el supercondensdor en carga.

La gestión correcta del sistema se consigue usando un bucle de control externo del estado de carga del DC-link que toma como referencia el set point del voltaje del bus y produce una referencia de corriente de la célula de combustible. Este control exterior puede ser un simple controlador proporcional con un punto de ganancia a un valor que extrae la máxima corriente de la célula del combustible cuando el DC-link alcanza la profundidad máxima permitida. La profundidad máxima de descarga se traslada al límite inferior de la banda de voltaje del bus. Un bucle de control de la corriente interna muy rápido implementado como PI se emplea y usa una corriente de referencia de la célula fotovoltaica como se muestra en la siguiente figura. La corriente de referencia de la célula de combustible es también continuamente retroalimentada al sistema de suministro de aire y oxígeno para generar el caudal requerido para suministrar la energía demandada.

Control del subsistema de célula de combustible

El uso de un controlador de corriente también hace posible regular el límite de corriente seguro. El control externo está también equipado con un limitador que produce una referencia de corriente de rampa que permite a la célula de combustibles responder a un nivel equivalente.

C. Subsistema de batería

La batería se carga con los paneles fotovoltaicos y la célula de combustible vía un convertidor buck. Su capacidad es para una corriente de carga más baja antes que una gran corriente de descarga, que sería el caso si se usa un cargador buck/boost bidireccional. Por lo tanto, el convertidor será capaz de cargar la batería lentamente pero con una corriente de carga más pequeña.

El PMC decide si la batería se carga o descarga dependiendo del voltaje del DC bus con respecto al voltaje de la batería. Compara los dos voltajes y da una señal de carga o descarga al controlador de la batería en forma de un conmutador on-off del convertidor PWM.
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D. Subsistema del supercondensador

Con el voltaje máximo del condensador nunca excediendo el voltaje del bus se usa un convertidor DC/DC de medio puente bidireccional que opera en boost mode cuando descarga y en buck mode cuando carga el supercondensador. El convertidor también se controla y ajustado según el voltaje del bus DC.

La estrategia de control para el subsistema del supercondensador se muestra en la siguiente figura.

Subsistema del supercondensador

Bibliografía: Gebre et al. 2009.  Optimal Load Sharing Strategyin a Hybrid Power System based on PV/Fuel Cell/ Battery/Supercapacitor. Institute for Energy Technology and  Institutt for Elkraftteknikk (Norway)
Palabras clave: Power management center