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

En este artículo presentamos la estrategia de compartir cargas en un sistema de generación de energía híbrido PV/FC/batería/supercondensador que optimiza el rendimiento del sistema. La célula de combustible se usa para complementar la producción intermitente de la fuente fotovoltaica mientras que el almacenamiento de baterías se usa para compensar parte de la demanda pico temporal que la PV y FC no pueden cubrir y evitamos así sobredimensionar la célula de combustible. El almacenamiento de energía en supercondensadores cubre la respuesta de energía lenta de la célula de combustible.

Descripción del sistema propuesto

El uso de células de combustible en combinación con un generador fotovoltaico PV puede asegurar un suministro de energía ininterrumpible. Las células de combustible pueden operar con hidrógeno a cero emisiones, tienen una eficiencia relativamente alta (30 - 60 %), y tienen un número limitado de partes móviles  estructura modular flexible. El combustible puede obtenerse a partir de contenedores de hidrógeno o producirse a partir del agua en un electrolizador que obtiene la energía a partir del excedente del sistema fotovoltaico. En las células de combustible, la potencia y la energía están disociadas, al contrario de lo que ocurre cuando se usan baterías secundarias para almacenamiento de energía.

Un problema con las células de combustible es su dinámica relativamente baja causada por la constante de tiempo del sistema de suministro de hidrógeno y gas instantáneamente que puede ser del orden de varios segundos. Sí se conectan células de combustible ante un incremento de la carga; proporcionarían corriente, pero el voltaje puede caer instantáneamente en la curva V-I y la célula de combustible tardar varios tres segundos hasta comenzar a alimentar la potencia requerida.

Las baterías y los supercondensadores responden de una forma más rápida al incremento o decrecimiento en la demanda de potencia. Es por ello que usando estos almacenajes de energía junto con células de combustible mejora el rendimiento y la vida de la célula absorbiendo los cambios de carga de forma más rápida y previniendo la escasez de combustible en la célula de combustible. Añadiendo estos almacenajes el sistema híbrido puede permitir a las células de combustible responder a las cargas cambiantes. Otra particularidad de esta arquitectura es que las baterías deben dimensionarse para suministrar energía a las cargas pico, mientras que las células de combustible se dimensionarán para las cargas base. Para garantizar una mayor vida útil a las baterías se colocará en paralelo un supercondensador que alivie a la batería de las tensiones debidas a unos transitorios más profundos, cortos y frecuentes a la vez que las baterías responden ante cargas pico más extendidas. Estos supercondensadores pueden tener capacidades de ciclo ilimitadas pero la densidad de energía es más baja respecto a las baterías, que tienen un ciclo limitado y una densidad de energía más alta.

La arquitectura de generación que proponemos en este artículo puede ser una opción atractiva para aplicaciones remotas lejos de las líneas de distribución. Una de tales aplicaciones son los sistemas de telecomunicaciones. La mayoría de los sistemas de generación híbridos en uso hoy en día utilizan generadores diésel como uno de sus principales componentes. La utilización de células de combustible en vez de generadores diésel tradicionales tiene sus ventajas. Además de ser más aceptables ambientalmente, las células de combustible requieren mucho menos mantenimiento que los generadores diésel cuyo mantenimiento es muy caro en lugares remotos.
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Arquitectura del sistema

La arquitectura propuesta para el sistema de generación híbrido se basa en un sistema de bus DC centralizado. En una configuración de bus DC centralizado, todas las fuentes y almacenamientos se acoplan a un bus DC común antes de ser conectados a la carga. La carga en la figura representa se alimenta a través de la fuente DC o el inversor dependiendo de la aplicación.

El generador fotovoltaico se acopla al bus DC vía  un regulador MPPT que genera la potencia máxima posible para una irradiancia dada, temperatura ambiente y condición de carga. Esto permite utilizar al máximo la energía renovable.

En las céldas de combustible, el voltaje dependiente de una carga variable baja y alta eleva al bus DC vía un convertidor DC/DC aislado con transformador de cambio de fase PWM (PSPWM). El convertidor está controlado para conseguir que la salida de la célula de combustible se haga a una magnitud segura.

Un convertidor DC/DC buck de bajo VA carga la batería de ion Litio durante la carga ligera cuando el voltaje del bus es más alto que el voltaje de la batería. Cuando el voltaje del bus baja por debajo del voltaje de la batería es una indicación de la conexión de una carga pesada que está por encima de la salida de potencia combinada de la célula de combustible y PV, y en estos casos el diodo previene la descarga de la batería. Durante el periodo largo de una carga normal, el convertidor DC/DC con bajo VA y un inductor más pequeño, carga la batería lentamente en estado estacionario. El cargador de la batería está también actualmente controlado para controlar la corriente de carga dependiendo del estado del voltaje del bus comparado con el voltaje de la batería.

Con un voltaje de un supercondensador nunca excediendo el voltaje del bus, se usa un convertidor DC/DC de semipuente bidireccional. El convertidor opera en modo boost cuando se descarga el supercondensador y en modo buck cuando se carga. Este controlador es también de corriente controlada.

Se utiliza un condensador convencional actuando como buffer de potencia para formar el voltaje del DC-link desde el cual todas las fuentes y almacenamientos se alimentan y toman la energía.

Estrategia para compartir cargas

Para obtener fiabilidad en el suministro de energía, debe cumplirse la siguiente relación en todo momento:

I = IFC + IBatt + ISC

Donde I es la corriente de la carga menos la corriente fotovoltaica, y todas las corrientes son vistas desde el bus DC. Los valores y signos de las corrientes vistas desde el bus DC. Los valores y signos de las corrientes vistas desde el DC-link dependen del tipo de carga en el instante en el que la estrategia es utilizada.

La base para la estrategia de compartir carga adoptada estaría en línea con los siguientes objetivos:

1. Máxima utilización de la fuente fotovoltaica.
2. La fuente de célula de combustible se usa para complementar o reemplazar los módulos fotovoltaicos y deben usarse lo mínimo posible para ahorrar combustible.
3. La batería se usa como un almacenamiento de energía temporal para ahorrar el requerimiento de carga pico en exceso de la energía fotovoltaica más la célula de combustible.
4. El supercondensador se usa para suministrar o absorber cargas transitorias altas, estrechas y frecuentes.
5. Alto grado de disponibilidad de suministro de energía.
6. Operación segura de células de combustible y baterías.

Basándose en los objetivos anteriores la célula de combustible se dimensiona para suministrar la demanda de carga promedio o estado estacionario y rellenar siempre los valles de las fluctuaciones en la producción fotovoltaica. La batería debe dimensionarse de forma que las oscilaciones de la máxima carga permitida cubran la duración pico incluso in generador fotovoltaico. El supercondensador se dimensiona para trabajar entre los voltajes mínimos y máximos mientras que se suministra la energía dada suficiente para compensar la duración de los transitorios de potencia.

Ver 2ª PARTE

Palabras clave: DC-bus configuration, phase shifted PWM (PSPWM) transformer, half bridger DC/DC converter