Gestión de la energía de la batería en una microrred particular

Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Autor: F. Javier Payán Somet Tutor: Juan José Murillo Fuentes Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2013 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales Gestión de la energía de la batería en una microrred particular Autor: Adrián Castrillo Jiménez Tutor: Carolina Albea Sánchez Dpto. Ingeneía de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2025 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales Gestión de la energía de la batería en una microrred particular Autor: Adrián Castrillo Jiménez Tutor: Carolina Albea Sánchez Profesor Titular Dpto. Ingeneía de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2025 Trabajo Fin de Grado: Gestión de la energía de la batería en una microrred particular Autor: Adrián Castrillo Jiménez Tutor: Carolina Albea Sánchez El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores: Presidente: Vocal/es: Secretario: acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: Agradecimientos Con este trabajo culmina una etapa de mi vida, una etapa marcada por conceptos como el esfuerzo y la dedicación que finalmente han dado sus frutos. A lo largo de estos años he tenido la suerte de sentirme arropado en todo momento por un gran número de personas que, de una forma u otra, han contribuido a que hoy pueda estar escribiendo esto. Me gustaría, a través de estas líneas, expresar mi más sincero agradecimiento a todas ellas. A mis compañeros y amigos, por haber compartido tantos momentos juntos, por haberme dado una vía de escape en los momentos de estrés y por haberme hecho sentir que no estaba solo en este camino. A mi tutora Carolina, por su calidad humana y profesional, por su atención y por haber sido mi guía en este proceso. Y también a Camila, por haber aportado sus conocimientos para hacer de este un proyecto más completo. Y en especial, a mis padres y a mis hermanas, por su apoyo incondicional, por haberme impulsado en los momentos más duros y por haber celebrado mis logros como si fueran propios. Gracias por creer en mí y por haberme enseñado a luchar por lo que quiero. Adrián Castrillo Jiménez Sevilla, 2025 I Resumen E n un contexto de constante crecimiento de la demanda energética y de la apuesta por la sostenibilidad, se plantea el problema de satisfacer estas necesidades a través de fuentes de energía limpias. En este sentido, la generación distribuida desempeña un papel fundamental, ya que permite a los consumidores reducir su dependencia de fuentes convencionales y disminuir los costes asociados al consumo eléctrico. Entre las alternativas disponibles, la energía solar y la eólica destacan por su capacidad para aprovechar recursos abundantes y renovables. No obstante, todavía existen barreras que limitan su funcionamiento independiente, como la intermitencia de la generación y la dificultad de almacenamiento. El concepto de micorred nace para hacer frente a estos retos, de forma que puedan adaptarse las redes convencionales a la necesidad actual de integrar fuentes de energía renovables. Su funcionamiento se basa en la generación y almacenamiento de energía en el mismo lugar donde se consume, lo que aumenta la eficiencia y permite una mayor sostenibilidad. Sin embargo, el funcionamiento de estos sistemas plantea desafíos técnicos que a día de hoy no han sido completamente abordados. En este trabajo se propone una solución para gestionar la energía de la batería de una microrred aislada, basada en el uso de un circuito buck-boost bidireccional. Se estructura en varias partes bien diferenciadas. En primer lugar, tras una breve contextualización del tema del proyecto, se presenta una revisión del estado del arte en el ámbito de las microrredes y la electrónica de potencia, con un enfoque especial en los convertidores bidireccionales. A continuación, se desarrolla un análisis detallado del circuito propuesto, incluyendo su diseño y simulación. Finalmente, se monta el circuito propuesto en un entorno de laboratorio, donde se llevan a cabo pruebas experimentales para validar su funcionamiento. Tras la exposición de los resultados obtenidos, se presentan las conclusiones y se sugieren posibles líneas de investigación futura que puedan contribuir al avance en este campo. III 2Capítulo 1. Introducción Este funcionamiento descrito se resume en la Figura 1.1: Figura 1.1 Esquema general de una microrred. Tal y como se muestra en la imagen, un elemento fundamental de estos sistemas es la batería, la cual se encarga de almacenar la energía generada por las fuentes renovables para su uso posterior. Esta batería se cargará cuando la generación supere a la demanda, y se descargará en el caso contrario. 1.2 Microrredes aisladas Las microrredes pueden funcionar de forma autónoma, es decir, sin conexión a un servicio público de energía. En este caso, son conocidas como "microrredes remotas" y son muy comunes en zonas rurales o aisladas que carecen de acceso a una fuente de energía cercana. Cuando la microrred opera de esta forma, sus generadores deben estar preparados para responder ante cambios en la demanda de energía. Sin embargo, dada la naturaleza renovable de los generadores de la microrred, que trabajan con componentes propios de la electrónica de potencia, no tienen la inercia necesaria para asumir los cambios bruscos de carga, como ocurre con los generadores síncronos convencionales. Por otro lado, la generación de energía renovable es intermitente, lo que puede provocar que la demanda no se cubra en todo momento. En este sentido, las baterías son una solución ideal, ya que permiten almacenar la energía generada en los momentos de exceso y liberarla en los momentos de déficit. En un sistema de microrred que utiliza la energía solar, por ejemplo, los paneles generan electricidad durante el día a través de los rayos del sol y, a la vez, almacenan energía en baterías para utilizarla en momentos en que no haya luz natural. De esta forma, el almacenamiento en baterías incorporado a las microrredes asegura la continuidad del suministro eléctrico en caso de averías o situaciones de mantenimiento, creando lo que se conoce como “islas eléctricas”. 1.3 Justificación 3 1.3 Justificación Atendiendo la necesidad inmediata de realizar una transición energética segura, y, teniendo en cuenta las tecnologías aplicadas en las energías renovables, se ha visto una oportunidad para investigar acerca de la forma en la que se puede mejorar el rendimiento de los sistemas eléctricos convencionales. En este sentido, la electrónica de potencia abre un amplio abanico de posibilidades en cuanto a la forma de hacer frente a los retos derivados de esta transición. En este contexto, el estudio de un convertidor bidireccional de potencia DC-DC se convierte en una apuesta segura rumbo a la descarbonización. Sin embargo, la investigación en este campo es aún incipiente, de forma que queda mucho por hacer. Personalmente, me pareció atractiva la idea introducirme en este campo de investigación con el objetivo de buscar una manera de abordar el problema de la regulación de tensión y corriente en una microrred aislada, puesto que realmente es un tema de actualidad en el que aún pueden hacerse muchos avances. Tanto la búsqueda de un circuito adecuado como el desarrollo de un algoritmo de control que permitiese hacer frente a cambios en la demanda de energía, me parecieron todo un reto que sabía que me dotaría de gran satisfacción al conseguirlo. 2 Estado del Arte L as fuentes de información consultadas proporcionan información actualizada y referenciada sobre las nuevas tecnologías relacionadas con la electrónica de potencia y los sistemas de control usados para el seguimiento de sistemas no lineales, como es el caso de la mayoría de los convertidores de potencia. En este sentido, la búsqueda de información se ha centrado en artículos científicos relacionados con el área de Electrónica y Control Automático, que han aportado información relevante para el desarrollo del presente trabajo. Los sistemas de distribución de energía eléctrica tienen tradicionalmente una estructura radial que se ha mantenido a lo largo de los años. Sin embargo, la aparición de nuevas tecnologías y la necesidad de integrar fuentes de energía limpias ha introducido el concepto de la generación distribuida. Esta término se refiere a la generación de electricidad en el mismo lugar donde se consume, que pese a conllevar una serie de ventajas como la reducción de pérdidas en el suministro, también desencadena muchos problemas antes desconocidos, pero que ya están siendo estudiados por la comunidad científica. En este sentido, el artículo [ 1 ] analiza ampliamente el impacto de la integración de generación distribuida, evidenciando los efectos adveros de la misma. La existencia de diversas microfuentes a diferentes niveles de penetración en la red invalida los métodos tradicionales de control de flujo de energía en la red. Esto ocurre debido a que los sistemas de distribución fueron diseñados originalmente bajo la premisa de considerarse en todo momento lo que se conoce como "red pasiva". De esta forma, estas redes deben funcionar aceptando energía únicamente del sistema de transmisión, para luego distribuirla a los distintos usuarios. Sin embargo, las microrredes son "redes activas", de forma que a lo anterior se le suman generadores distribuidos, y esto implica la existencia de flujos de energía bidireccionales en diferentes puntos de la red. El artículo [ 9 ] presenta un análisis de varios convertidores de potencia bidireccionales que pueden ser utilizados en microrredes, y sugiere la utilización de topologías sin transformador como una solución a los problemas que se presentan en este tipo de redes. El convertidor bidireccional buck-boost es una topología de convertidor DC-DC que permite modificar el nivel de tensión entre una fuente de energía y una carga, o sistema de almacenamiento, como es el caso. El convertidor tiene esencialmente dos modos de operación, como bien se describe en [ 7 ]. En modo Buck (reductor), el convertidor reduce la tensión de entrada a un nivel inferior a la salida, mientras que en modo Boost (elevador), la tensión a la salida es superior a la de entrada. Esta funcionalidad, crucial en microrredes de DC tal y como se explica en [ 4 ], es la que permite que el circuito tenga la capacidad de cargar y descargar la batería, dependiendo de la necesidad del sistema. Estas microrredes están diseñadas para gestionar múltiples fuentes de energía, tales como paneles solares, baterías o celdas de combustible, pero sin el convertidor sería imposible que funcionaran de forma conjunta. El circuito es el encargado de asegurar un voltaje constante en el sistema, evitando fluctuaciones que puedan afectar al rendimiento de los equipos conectados. En cuanto a la forma de hacer que el convertidor funcione de forma eficiente, el artículo [ 6 ] presenta un profundo análisis de una gran variedad de estrategias de control que puedan cumplir con el fin deseado. Dado que para cada opción se analizan sus ventajas e inconvenientes, así como su aplicabilidad a diferentes situaciones, se concluye con que no existe una solución óptima que funcione adecuadamente en todos los casos. Entre las estrategias analizadas, existen algunas más complejas como el control predcictivo o el control por modo deslizante, que aunque prometen resultados óptimos, requieren un mayor esfuerzo computacional y un conocimiento más amplio del sistema. Sin embargo, también se pueden contemplar otras opciones más 5 6Capítulo 2. Estado del Arte simples como es el caso de un controlador proporcional integral (PI), que, pese a no ser el más eficiente, es uno de los más utilizados en la práctica por su simplicidad. Puede comprobarse que se obtienen resultados satisfactorios en casos como [8]. En concordancia con lo anterior, la investigación actual en todo este tema de las microrredes se centra en mejorar su eficiencia y fiabilidad buscando la topología del convertidor adecuada y el controlador que mejor se adapte a cada situación. La optimización en cada caso es fundamental, ya que cada sistema tiene sus propias características y necesidades. Esto complica la tarea de encontrar una solución universal que funcione en todos los casos, pese a que se mantiene la esperanza de que, en un futuro y tras haber analizado multitud de casos distintos, puede hallarse alguna forma de simplificar el proceso de elección de convertidor y controlador. 3 Modelo del circuito convertidor E ste capítulo se centra en el análisis del convertidor bidireccional de potencia DC-DC con la topología buck-boost. Se muestra una visión general e independiente de las topologías clásicas de convertidores DC-DC: buck y boost, que ayudarán a entender el funcionamiento del convertidor bidireccional al completo. 3.1 Convertidores DC-DC Los convertidores de potencia DC-DC son dispositivos electrónicos diseñados para modificar los niveles de tensión en sistemas de corriente continua. Están presentes en aplicaciones donde es necesario adaptar la tensión de una fuente de alimentación para alimentar cargas con diferentes niveles de voltaje. Estos convertidores operan mediante la conmutación de semiconductores de potencia, como transistores MOSFET o IGBT, en combinación con elementos pasivos como lo son inductores y condensadores. Su funcionamiento se basa en el principio de almacenamiento y transferencia de energía a través de estos elementos, minimizando las pérdidas y optimizando la regulación de tensión. Una propiedad importante de bobinas y condensadores es la dinámica de tiempo continuo de la corriente y la tensión, respectivamente, que vienen exigidas por las ecuaciones: vL(t) = LdiL(t) dt (3.1) iC(t) = CdvC(t) dt (3.2) Se comprueba que, de existir alguna discontinuidad en el tiempo se obtendrían tensiones o corrientes infinitas, lo cual es imposible en la práctica. De esta forma, las diferentes topologías de convertidores DC-DC se componen todas de los mismos elementos, pero su disposición y control varían según la aplicación. Se muestran a continuación algunas de las más comunes, cada una con características específicas: -Buck (reductor): Reduce la tensión de entrada a un nivel inferior. + − Vin S + − VD L iL C RO + − VO Figura 3.1 Esquema del convertidor reductor. 7 8Capítulo 3. Modelo del circuito convertidor -Boost (elevador): Aumenta la tensión de entrada a un nivel superior. + − Vin S +− VD L iL C RO + − VO Figura 3.2 Esquema del convertidor elevador. -Buck-Boost: Puede aumentar o disminuir la tensión, dependiendo del control aplicado. + − Vin S+ − VD L iL C RO + − VO Figura 3.3 Esquema del convertidor reductor-elevador. -Cuk y SEPIC: Diseñados para mejorar la eficiencia y reducir el rizado en la salida. + − Vin S + − VD L1 iL1 L2 iL2 CO C RO + − VO Figura 3.4 Esquema del convertidor cuk. + − Vin S +− VD L1 iL1 L2 iL2 C1 C2 Cin RO + − VO Figura 3.5 Esquema del convertidor sepic. 3.2 Convertidor buck-boost bidireccional El convertidor escogido para este trabajo es un buck-boost bidireccional (ver Figura 3.6), que permite elevar o reducir la tensión de entrada a la salida, dependiendo en cada momento de cuál sea considerada la entrada y cuál la salida. Pese a existir otras topologías de convertidores bidireccionales, como el buck-boost intercalado o el buck-boost en cascada (ver [ 9 ]), se ha optado por esta topología por su simplicidad y mayor facilidad de 3.3 Operación en modo boost 9 control. + − Vin L iL S 1−SC2 C1RO + − VO Figura 3.6 Esquema del convertidor reductor elevador bidireccional. Para el estudio del modelo del convertidor se han considerado diversos aspectos típicos de los convertidores DC-DC, como son: 1. La corriente en la bobina es periódica y continua, de forma que: iL(t+T) = iL(t)(3.3) siendo Tel periodo de conmutación. 2. La tensión media en la bobina es cero: vL(t) = 1 TZT 0 vL(t)dt =0(3.4) 3. La corriente media en el condensador es cero: iC(t) = 1 TZT 0 iC(t)dt =0(3.5) 4. Suponiendo componentes ideales, la potencia entregada por la fuente es igual a la potencia entregada a la carga: Pin =Pout (3.6) 5. Los elementos semiconductores conmutarán según una frecuencia indicada, y se mantendrán en estado de conducción durante un tiempo dependiente del "duty cycle" o "ciclo de trabajo": D=ton ton +to f f =ton T(3.7) Bajo estas consideraciones se establecen las ecuaciones de diseño de cualquier convertidor DC-DC. Para el caso de estudio, dado que el convertidor se comporta como un buck o un boost dependiendo del interruptor que se esté utilizando, se pueden obtener las ecuaciones de diseño analizando estos circuitos más simples. Consideraremos modo de conducción continua (CCM) en ambos casos, de forma que la corriente en la bobina nunca llegue a cero. 3.3 Operación en modo boost Al funcionar el convertidor en este modo, la señal de control será el interruptor marcado como 1−S en la Figura 3.6, que se designará como S1 . De esta forma, el convertidor bidireccional se comporta de manera equivalente a un circuito boost convencional: 10 Capítulo 3. Modelo del circuito convertidor + − vS iS,iL S + − vT + −vD L +− vL C iC R + − vO io Figura 3.7 Convertidor elevador. El funcionamiento del circuito depende de la posición del interruptor, como se muestra a continuación: + − vS iS,iL + − vT + −vD L +− vL C iC R + − vO io (a) Circuito para S1=1(0≤t≤Ton). + − vS iS,iL+ − vT + −vD L +− vL C iC R + − vO io (b) Circuito para S1=0(Ton ≤t≤Ts). Si consideramos que al comienzo S1está cerrado, se extrae lo siguiente: vL=vS=LdiL dt →diL dt =vS L iC=iL−iO 3.3 Operación en modo boost 11 t t t t vg vL iL=iS iC Ton Ts Vs I1 I2 −IO Figura 3.8 Gráficas de interés para S1=1. Cuando se abre el interruptor, se finaliza el ciclo de conmutación de la siguiente manera: vL=vS−vO=LdiL dt →diL dt =vS−vO L iC=iL−iO 4 Algoritmo de control E n este capítulo se presenta el procedimiento seguido para conseguir un control óptimo del circuito que debería instalarse para la gestión de la batería de la microrred. Todas las simulaciones se han realizado con la herramienta Simscape Electrical en Simulink, de Matlab. El circuito que se ha usado en las simulaciones se presenta en la Figura 4.1: + − Vbat C1 + − VC1 RLL iL S2 S1 C2 + − VC2RO Switch + −Vbus Figura 4.1 Circuito buck-boost bidireccional. Este circuito es, en esencia, el mismo que el de la Figura 3.6, con la diferencia de que se ha añadido una resistencia en serie con la inductancia, para simular la resistencia interna de dicho componente. Además, se ha añadido un interruptor, que se considera ideal, encargado de conectar y desconectar una fuente de tensión continua, que simula una conexión con la fuente de energía renovable, que bien podría ser un panel solar. De esta forma, cuando el interruptor está cerrado se considera que la batería está cargándose y el circuito funciona en modo buck, mientras que cuando el interruptor se abre, la batería se descarga, y el circuito opera en modo boost. Como ya se ha comentado anteriormente, existen numerosas configuraciones de controladores para este tipo de circuitos. En este caso, se ha optado por implementar un doble lazo de control que permita gestionar tanto la corriente como la tensión. Figura 4.2 Esquema de control. El controlador interno se encarga de regular la corriente que fluye a través del inductor, mientras que el 19 20 Capítulo 4. Algoritmo de control controlador externo se encarga de regular la tensión en el condensador, que en modo boost será C2 y en modo buck será C1 . El principal motivo de elección de este doble lazo es que permite una respuesta más robusta ante perturbaciones en la carga o en la tensión de entrada. En cuanto a la naturaleza de cada controlador, se ha decidido implementar un PI para todos los casos. El hecho de no usar un PID se debe a que, debido a la rápida dinámica del circuito, el término derivativo podría amplificar el ruido, lo que podría llevar a un comportamiento inestable del sistema. Además, el uso de un controlador PI permite una implementación más sencilla y menos costosa en términos de recursos computacionales. En cuanto al ajuste de parámetros, resulta complejo dada la no linealidad del circuito y también del control, que al fin y al cabo será una señal digital que se introduce a los interruptores. Aun así, se ha decidido usar el método del lugar de las raíces, a través de rltool de Matlab, para obtener una idea del orden de magnitud de los mismos. Será necesario para esto obtener las funciones de transferencia significativas del circuito, equivalentes a los bloques G1 y G2 de la Figura 4.2. Dada la complejidad de la tarea, se ha descompuesto el problema en diferentes partes, hasta que se ha llegado a los parámetros adecuados para controlar el circuito completo. 4.1 Representación en espacio de estados En primer lugar se han sacado las ecuaciones diferenciales que rigen el comportamiento del circuito, simplemente aplicando las leyes de Kirchoff. Estas ecuaciones permiten obtener una representación en espacio de estados del sistema, que es la forma más adecuada para implementar un controlador con salida digital. ˙ x=Ax+Bu x=iL VCnn=1,2 u=Snn=1,2 Se detallará a continuación el procedimiento seguido hasta obtener dicha representación, para ambos modos de funcionamiento del circuito. 4.1.1 Modo boost En este modo, el interuptor se encuentra abierto, de forma que la fuente de tensión que se correspondería con la suministrada por la fuente renovable queda desconectada, y es preciso mantener la tensión en el bus de continua. Nos encontramos ante dos posibles circuitos en función de la posición del interruptor S1 ( S2 no se controla en este caso, sino que siempre será el negado de S1): + − Vbat C1 + − VC1 RLL iL C2 + − VC2RO Figura 4.3 Esquema para S1=0. 4.1 Representación en espacio de estados 21 LdiL dt +RL·iL+VC2=Vbat C2 dVC2 dt +VC2 R0 =iL + − Vbat C1 + − VC1 RLL iL C2 + − VC2RO Figura 4.4 Esquema para S1=1. LdiL dt +RL·iL=Vbat C2 dVC2 dt =−VC2 R0 De todas estas expresiones se obtiene la siguiente representación: "diL dt dVC2 dt #="−RL L−1−u L 1−u C2−1 R0C2#iL VC2+Vbat L 0 Se puede observar que la matriz A depende de la entrada u , que es en este caso S1 . De este hecho se deduce que el sistema es no lineal. Sin embargo, podemos considerarlo lineal si se opera en torno a un punto de equilibrio. Este punto se obtiene al resolver el sistema de ecuaciones, considerando estado estacionario del circuito ( ˙ iL=˙ VC2=0):        0=−RL LIE−1−UE LVE+Vbat L(4.1) 0=1−UE C2 IE−1 R0C2 VE(4.2) (4.2) 1−UE=VE IE·R0 →UE=1−VE IE·R0 (4.3) (4.1) + (4.3) −RLIE−V2 E IER0 +Vbat =0→RLR0I2 E+V2 E−Vbat R0IE=0(4.4) (4.4) IE= Vbat R0±q(Vbat R0)2−4·RLR0V2 E 2RLR0 (4.5) Con este desarrollo, se conocen los valores de IE y UE , para un valor fijado de VE , que en este caso es la tensión esperada en el bus de continua. La linealización del sistema se realiza en torno a este punto de equilibrio, de forma que las variables con barra ( ¯x ) son variables que indican la diferencia con este ( ¯x=x−XE ). 22 Capítulo 4. Algoritmo de control Teniendo esto en cuenta, se obtiene el modelo linealizado del sistema:        d¯ IL dt +RL L ¯ IL+1−UE L ¯ VC2−VE L ¯ U=0(4.6) d¯ VC2 dt + ¯ VC2 R0C2 +UE−1 C2 ¯ IL+IE C2 ¯ U=0(4.7) A continuación, se efectúa la transformada de Laplace a las ecuaciones (4.6) y (4.7): sIL+RL LIL+1−UE LVC2−VE LU=0→IL(s+RL L) = −1−UE LVC2+VE LU(4.8) U(s) = L VE (s+RL L)IL+1−UE VE VC2(4.9) sVC2+VC2 R0C2 +UE−1 C2 IL+IE C2 U=0→VC2(s+1 R0C2 ) = 1−UE C2 IL−IE C2 U(4.10) VC2(s) = 1−UE C2IL−IE C2U (s+1 R0C2)(4.11) Finalmente, obtenemos G1uniendo (4.9) y (4.11), y G2uniendo (4.8) y (4.10): G1(s) = IL(s) U(s)=VEC2s+(VE R0+IE(1−UE)) LC2s2+(RLC+L R0)s+(RL R0−(1−UE)2) G2(s) = VC2(s) IL(s)=−sIEL VEC2+(1−UE C2+RLIE C2VE) s+( 1 R0C2+IE C2VE(1−UE)) 4.1.2 Modo buck En este modo, el Switch de la Figura 4.1 se encuentra cerrado, de forma que la fuente de tensión del bus de continua, que representa la fuente de energía renovable, queda conectada al circuito. En este caso, el lazo de control se emplea para efectuar la carga de la batería. Nos encontramos ante dos posibles circuitos en función de la posición del interruptor S1: + − Vbat C1 + − VC1 RLL iL C2 + − VC2RO + −Vbus Figura 4.5 Esquema para S2=0. LdiL dt +RL·iL=−VC1 C1 dVC1 dt +VC1 Rint =iL 4.1 Representación en espacio de estados 23 + − Vbat C1 + − VC1 RLL iL C2 + − VC2RO + −Vbus Figura 4.6 Esquema para S2=1. LdiL dt +RL·iL+VC1=Vbus C1 dVC1 dt +VC1 Rint =iL Para este modo reductor se observan dos grandes diferencias con respecto al caso del elevador. En este caso no se tiene resistencia de carga, sino que se considera Rint , que simboliza la resistencia interna de la batería, siempre de menor valor. Además, el sentido de la corriente en la bobina es el contrario, ya que para cargar la batería la corriente debe entrarle. Con esto, y habiendo sacado las ecuaciones en función de la posición del interruptor, se obtiene la representación buscada: "diL dt dVC1 dt #="−RL L−1 L 1 C1−1 RintC1#iL VC2+Vbus L 0u En este caso, la matriz A es independiente de la entrada, por lo que este sistema es lineal. Sin embargo, y al igual que en el caso anterior, se calcula el estado de equilibrio que nos servirá como base de referencia para el control del sistema:        0=−RL LIE−VE L+Vbus L(4.12) 0=IE C1 −VE RintC1 (4.13) (4.13) IE=VE Rint (4.14) (4.12) + (4.14) RL Rint ·LVE+VE L=Vbus LUE→UE=VE Vbus (1+RL Rint )(4.15) Una vez obtenidas estas ecuaciones, podemos conocer el estado de equilibrio para un valor fijado de VE , que se corresponde con la tensión esperada en la batería. A continuación, se efectúa la transformada de Laplace a las ecuaciones (4.12) y (4.13): sIL=−RL LIL−1 LVC1+Vbus LU→IL(s+RL L) = −VC1 L+Vbus LU(4.16) sVC1=IL C1 −VC1 RintC1 →VC1(s+1 RintC1 ) = IL C1 (4.17) 24 Capítulo 4. Algoritmo de control A partir de (4.16) y (4.17) se obtiene G1(s), mientras G2(s)se extrae únicamente de (4.16): G1(s) = IL(s) U(s)=VbusRintC1s+Vbus RintC1Ls2+(L+RLRintC1)s+RL+Rint G2(s) = VC1(s) IL(s)=Rint RintC1s+1 4.2 Ajuste de parámetros La herramienta rltool de Matlab permite seleccionar una arquitectura de control de entre varias opciones disponibles. Por suerte, el doble lazo es una de ellas, lo que facilita el trabajo de ajuste. Figura 4.7 Arquitecturas disponibles. Una vez definidas las funciones de transferencia G1 y G2 , se muestran varias pantallas con las que se pueden ajustar los parámetros de cada controlador. 4.2 Ajuste de parámetros 25 Figura 4.8 Ventana de rltool. Como se observa en la imagen, se pueden mover los puntos de cada controlador, que se corresponden con los polos y ceros de cada uno de ellos. A medida que se posiciona cada punto, se observa en la gráfica de la derecha cómo sería la respuesta del sistema ante una entrada en escalón, y clicando en el controlador correspondiente se pueden observar los parámetros, que se pueden ajustar tanto manualmente (introduciendo un valor concreto) como automáticamente (con el movimiento de los puntos). Para el ajuste de los parámetros de cada modo se ha añadido un integrador y un cero en cada controlador, y dado que la ganancia se ajusta automáticamente en base a la localización de los polos del sistema, se construye de esta forma la arquitectura de un PI. Una vez hecho esto, se ha ido tocando cada uno de los controladores hasta conseguir una respuesta sin error en régimen permanente, con un tiempo de establecimiento bajo y sin sobreoscilación. Estos objetivos se han conseguido para ambos modos de funcionamiento, considerados los parámetros ajustados de la Tabla 3.1. Figura 4.9 Resultado del ajuste del modo boost. 26 Capítulo 4. Algoritmo de control Figura 4.10 Resultado del ajuste del modo buck. La realidad es que los parámetros resultantes de este ajuste no ofrecen la respuesta que se observa en la gráfica de la derecha, puesto que esa se corresponde con una entrada en escalón, y no con una entrada digital a alta frecuencia. Así, partiendo de los valores obtenidos se han ido variando manualmente hasta conseguir una respuesta más adecuada. Tabla 4.1 Parámetros de los controladores. Parámetro Valor obtenido Valor ajustado Kpv01.083 -0.8 Kiv06.5 6 Kpi00.07 -7 Kii02 30 Kpv15.7248 10.7248 Kiv11 6.2 Kpi122.358 22.358 Kii110 0.4 Cabe destacar que estos valores se corresponden con la forma ideal del PI, es decir; C(s) = Kp(1+Ki s) Además, se observan valores negativos para el modo boost ( Kx1 ), que son necesarios para conseguir una respuesta que compense el cero de fase no mínima del sistema en este modo. Finalmente, también se han ajustado los controladores para los componentes del equipo real. Este ajuste se ha hecho partiendo de los anteriores valores para los componentes en simulación, pensando que al funcionar de esta forma también funcionaría en el equipo real. Sin embargo, se observa que de nuevo la respuesta no es la esperada, por razones como la no linealidad que queda sin modelarse en la función de transferencia, así como el funcionamiento en ocasiones muy lejos del punto de operación utilizado para linealizar. Por todo ello se optado por un nuevo ajuste manual, siendo el resultado el de la Tabla 4.2. 4.2 Ajuste de parámetros 27 Tabla 4.2 Parámetros de controladores para el equipo real. Parámetro Valor ajustado Kpv00.1 Kiv0100 Kpi01 Kii0100 Kpv10.01 Kiv110 Kpi10.5 Kii110 En este caso, los parámetros se corresponden a la forma paralela del controlador, es decir; C(s) = Kp+Ki s Se ha cambiado la forma por el tipo de bloque que se ha usado en Simulink, aspecto en el que se entrará más adelante. Este hecho provoca también que se haya optado por cambiar el signo al error de tensión, en lugar de cambiar el signo a los parámetros del controlador del modo boost, lo que explica que no sean negativos en este caso. 34 Capítulo 5. Análisis de resultados - Simulación Figura 5.9 Resultados de la perturbación en modo boost. En las gráficas de la Figura 5.9 se observa cómo la tensión del condensador 2 se regula rápidamente tras los cambios de referencia, con un rizado de menos de 0.1V, y solo con un pequeño pico en t=1s. Por su parte, la corriente sí presenta picos más grandes en los momentos de cambio, aunque se estabiliza rápidamente al nuevo valor. A medida que aumentamos el valor de referencia, la corriente aumenta, por lo que la pendiente de descarga también lo hace (segundo tramo de la gráfica del SOC). Cuando se disminuye esta tensión, se observa una pendiente menor como era de esperar. Para el modo buck, realizar una variación en la tensión de referencia no es posible, dado que las corrientes de referencia que se alcanzan hacen que el circuito sature y el error del controlador no hace más que aumentar. Para hacer algo parecido, se ha optado por eliminar el control en tensión, que es el que provoca estas intensidades tan grandes. De esta forma, la perturbación se ha realizado variando directamente la corriente de referencia. De nuevo, se ha alterado el control para hacer esto posible: (a) Diagrama de control. (b) Detalle de los cambios de referencia. Figura 5.10 Modificaciones en el control para la perturbación en modo buck. 5.3 Resultados 35 Y de nuevo, se observa la respuesta tras una simulación de 3 segundos: Figura 5.11 Resultados de la perturbación en modo buck. Si se observa la corriente en la bobina, se ve que tras las perturbaciones la actuación del controlador es prácticamente inmediata, y en este caso los picos no son apreciables ya que son más pequeños que el rizado. Se ha incluido la tensión en el condensador 1, pese a que no se está controlando, la cual aumenta en los dos primeros tramos de la gráfica, siendo la pendiente mayor en el segundo por pedir una corriente mayor. Sin embargo, en el tercer tramo la tensión disminuye, aunque no tiene mucho sentido debido a que la corriente sigue siendo negativa. En la gráfica del estado de carga de la batería se comprueba cómo la pendiente de carga es mayor cuando la corriente es más negativa, y viceversa. Finalizado este análisis de resultados en simulación, se ha comprobado que la solución propuesta cumple con los requisitos establecidos en el diseño. Queda comprobar si estos resultados se obtendrían en un banco de pruebas (bench-mark) del departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática. En el próximo capítulo se analizará esto mismo para un caso real, pudiendo así sacar las conclusiones finales. 6 Análisis de resultados - Equipo real E l objetivo final de este trabajo es la implementación del convertidor en un sistema real, de forma que pueda comprobarse su funcionamiento en condiciones en las que exista ruido y otras perturbaciones que puedan afectar al rendimiento del sistema. Aunque ya se ha comprobado en el capítulo anterior que el convertidor funciona en simulación, en este capítulo se realizan nuevamente las simulaciones pertinentes con los valores de componentes disponibles, esta vez con el circuito montado en otro software, para prevenir posibles fallos que puedan dañar los equipos. 6.1 Modelo para simulación Como paso previo a la implementación de los controladores en un bench-mark del laboratorio del departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática, se ha implementado el controlador y el circuito en Simulink utilizando la Toolbox del software Plecs. En este caso, el archivo de Simulink no se ha creado desde cero, sino que se ha hecho uso de un ejemplo estándar con una estructura concreta proporcionado por Imperix, que es la empresa que fabrica los dispositivos utilizados para la implementación del cricuito hardware. Este modelo incluye bloques específicos que permiten ejecutar el archivo en modo simulación (tomando tensiones y corrientes del modelo en Plecs) o en modo real (tomando las señales directamente de los equipos), que funciona compilando el programa y pasándoselo al dispositivo principal. Así, el aspecto del archivo se muestra en la Figura 6.1: Figura 6.1 Visión principal del modelo genérico. En este esquema de realimentación clásico, la planta proporciona los valores de tensiones y corrientes del circuito, bien por simulación o por los equipos, mientras que el controlador se encarga de realizar el PWM en 37 38 Capítulo 6. Análisis de resultados - Equipo real base a ellos. (a) Selección de modo. (b) Entradas y salidas del modo simulación. Figura 6.2 Vista detallada de la planta. En cuanto al circuito, los experimentos se han realizado en dos diferentes, por facilitarnos el trabajo en el laboratorio e ir incrementando la complejidad de los experimentos con certeza de que el circuito funciona en fases anteriores más sencillas. Figura 6.3 Circuito importado para la simulación (sin interruptor). Como puede observarse, el circuito es ligeramente diferente al analizado en el apartado anterior. Esto se debe a que el modelo de Plecs no contiene un bloque específico de batería, de forma que se ha optado por un modelo de fuente de tensión ideal. Además, por el hecho de no tener resistencia interna, se incluye una resistencia en paralelo que se activa en modo de carga, simulando la demanda de corriente de la batería. Por otro lado, se han omitido los interruptores ideales que desconectarían la fuente de mayor tensión y que conectaría la resistencia de carga en modo boost. Esto se ha hecho por la dificultad añadida que supone en el circuito real desconectar la fuente de manera automática, aunque sí que se hará en el circuito siguiente. 6.1 Modelo para simulación 39 Figura 6.4 Circuito importado para la simulación (con interruptor). Se comprueba que ambos circuitos son iguales, solo que en este sí que se gestiona la desconexión de la fuente. La resistencia de carga se ha mantenido en paralelo, igualmente por la dificultad de desconectar este elemento del circuito real. Sin embargo, en este caso sí que se mantendrá de esta forma en los experimentos, ya que el impacto que tiene es pequeño y lo compensa el controlador. Cabe destacar de ambos modelos que no es necesario el uso de medidores de corriente o tensión, pues el propio software proporciona esta información internamente en el bloque Probe. También los interruptores esta vez son un bloque específico de Imperix, al que solo le entra una señal digital, y el propio bloque la gestiona para asignar a un interruptor esa señal, y al otro la negada. Por último, es importante señalar que en este caso si el flujo de potencia va de izquierda a derecha, el circuito funcionaría en modo buck, que es al contrario que en las anteriores simulaciones. Esto hace que el valor del Switch sea el contrario, aunque el funcionamiento es el mismo. Por su parte, acerca del apartado de control, se mantiene la estructura de las pasadas simulaciones, solo que se han usado bloques de Imperix para poder compilar el programa y visualizar los resultados en un software específico del fabricante, como es Imperix Cockpit. A continuación se detalla cada parte de este apartado: Figura 6.5 Entradas al controlador. El bloque de la esquina superior izquierda de la Figura 6.5 permite ejecutar el programa en modo simulación o en modo de generación de código (para trabajar con el equipo real). Los bloques conectados al "demux" de entrada toman los valores de tensiones y corrientes del circuito en Plecs (entrada "sim") o del equipo real (entrada "ADC") en función del modo de ejecución anterior. Las etiquetas pequeñas con borde rojo 40 Capítulo 6. Análisis de resultados - Equipo real son variables medibles en el software del fabricante. El cambio de signo a la corriente viene dado por la reversibilidad del modelo, que hace que el sensor de corriente de la placa real tome un valor negativo. Otro aspecto, que resulta necesario para la conmutación automática de variables en función del modo de fucionamiento, es el conjunto de selectores: Figura 6.6 Selección de variables. Por su parte, el esquema de control es prácticamente idéntico al del Capítulo 5 Figura 6.7 Controlador. 6.1 Modelo para simulación 41 Como se comentó en el capítulo de ajuste de controladores, los bloques que forman los controladores lo hacen en forma "paralelo", y también se habló acerca de la preferencia de usar exclusivamente parámetros positivos, de ahí que en modo boost se le cambie el signo al error. También se comprueba cómo el bloque PWM genera una señal doble para los dos interruptores, de forma que evita formar el negado manualmente. Pese a ser este el esquema general de control, ha sido necesario realizar pequeños ajuste del funcionamiento basado en el modelo considerado en cada expermiento. Para el circuito de la Figura 6.3, se observa que en modo boost no es necesario regular la tensión de salida, pues ya viene impuesta por la fuente, que en este caso no se desconecta nunca. Por esta razón, en este modo únicamente se considera control de corriente. Además, para que se realice un correcto seguimiento de la consigna impuesta en este modo, se ha omitido la suma de la corriente de equilibrio, de forma que es el controlador de tensión el que se encarga de proporcionar la corriente de referencia en el otro modo. Figura 6.8 Ajuste para el circuito sin interruptor. En el circuito de la Figura 6.4, sin embargo, sí que es necesario regular esa tensión, por lo que se deja el esquema original. En este caso es necesario gestionar el interruptor que se usa para desconectar la fuente, y eso se hace con las siguientes conexiones: Figura 6.9 Ajuste para el circuito con interruptor. Con todo esto configurado, realizando los ajustes necesarios según el circuito que esté montado en cada caso, se estaría en condiciones de realizar las pruebas pertinentes. 42 Capítulo 6. Análisis de resultados - Equipo real 6.2 Resultados del modo simulación El fin de estos resultados es comprobar el correcto funcionamiento del convertidor en este nuevo entorno de simulación y obtener un mayor índice de seguridad del correcto funcionamiento de los experimentos. No se pretende profundizar mucho en estas simulaciones ya que se han realizado en el capítulo anterior y no tienen mucho interés sin el estado de carga de la batería, que no puede representarse en estos casos por carecer de un bloque específico de este elemento. De esta forma, estas simulaciones sólo nos servirán de base para relizar los experimentos en el equipo real, con el que sí que se pretende realizar un análisis más exhaustivo. Siguiendo el orden lógico de dificultad en el control, se muestran a continuación los resultados de la simulación correspondiente al circuito de la Figura 6.3: Figura 6.10 Resultados de la simulación del circuito sin interruptor. Se observa una respuesta adecuada, con un tiempo de establecimiento pequeño y un rizado prácticamente despreciable. Sin embargo, en t=1s se observa un pico de corriente de varios amperios que provoca un pico en la tensión. No se ha representado la tensión en el condensador C2 debido a que en este modelo, esa tensión queda siempre alimentada por la fuente. A continuación se muestran los resultados del circuito de la Figura 6.4: 6.3 Equipos del laboratorio 43 Figura 6.11 Resultados de la simulación del circuito con interruptor. Se observan unas gráficas muy parecidas a las anteriores, con rizado prácticamente despreciable y un tiempo de establecimiento muy pequeño. Acerca de los picos de tensión y corriente que se observan, en ambas simulaciones, posiblemente podrían eliminarse ajustando los parámetros de los controladores, aunque no se ha considerado necesario en este caso, ya que se comprobará más adelante que en el circuito real no se producen esos picos tan grandes con los mismos parámetros. 6.3 Equipos del laboratorio Para llevar a cabo los experimentos se han usado una serie de equipos de Imperix. El dispositivo principal que gestiona las entradas y salidas del circuito es la B-Box, un sistema de control de prototipos de alta velocidad para aplicaciones electrónicas. Otro elemento fundamental para el montaje del circuito es la caja de elementos pasivos que ofrece el mismo fabricante como complemento. Conectando sus terminales a los del circuito se pueden realizar los experimentos de forma sencilla, ya que no es necesario soldar los componentes. (a) B-Box.(b) Caja de elementos pasivos. Figura 6.12 Detalle de la B-Box y de la caja de elementos pasivos. Los elementos pasivos necesarios para montar el circuito vienen dados por el anterior dispositivo, sin embargo, la resistencia de carga se tiene que aportar por otro lado. La que se ha usado en este caso es de 47Ω, que es el valor más cercano al que se había pensado inicialmente. 50 Capítulo 6. Análisis de resultados - Equipo real Figura 6.24 Ventana de Imperix Cockpit. Una vez obtenido el resultado esperado en estos primeros experimentos, lo siguiente es comprobar el funcionamiento del mismo circuito conectando la batería. Para ello, como se muestra en la Figura 6.17, se emplean dos fuentes de alimentación, una de 48V en modo ideal, y otra de 24V en modo batería. 6.5.2 Ensayos en circuito sin interruptor Acorde al software que usamos para manipular los parámetros de la batería, es necesario colocar varias pequeñas baterías en serie para alcanzar la tensión de 24V. Además, esta tensión es la nominal, que varía en función del estado de carga y de la salud de la batería, de forma que ha sido necesario ajustar todo esto para poder ofrecer una tensión cercana a la esperada en todo momento. 6.5 Resultados en el circuito real 51 Figura 6.25 Configuración del módulo de batería. De nuevo, probaremos el funcionamiento del circuito en modo boost, esta vez con la novedad de que podremos ver cómo la batería se descarga. Para este circuito sólo se conecta la fuente que está en modo batería, puesto que la tensión que daría la fuente ideal es precisamente la que queremos regular. El propio software de la batería permite visualizar en tiempo real ciertas variables relacionadas con tal elemento. Estos valores son mucho menos precisos que los que nos ofrece Cockpit, pero no tenemos otra forma de obtener los datos del estado de carga. Figura 6.26 Interfaz del software de la batería. A continuación se muestran tales resultados de una manera más ordenada. Dado que tanto la corriente como las tensiones son constantes durante todo el ensayo, se ha representado únicamente su valor en una ventana de 1s: 52 Capítulo 6. Análisis de resultados - Equipo real Figura 6.27 Resultados del ensayo en modo boost con batería. Se observa que el estado de carga disminuye con el tiempo. La corriente es constante en todo momento, lo que indica que la tensión VC2 se mantiene constante en torno a la referencia. Por su parte, la tensión de la batería, que no se regula en este modo, se encuentra a una tensión superior a 24V en promedio. Pasando al modo buck, ahora sí que conectamos tanto la batería como la fuente ideal de 48V: Figura 6.28 Resultados del ensayo en modo buck con batería. Puede comprobarse en este caso que, dado que se está regulando la tensión VC1 en torno a 24V, la corriente no es constante. La tensión de la batería tiende a aumentar a medida que aumenta el porcentaje de carga, por ello la corriente se opone a este crecimiento cambiando su valor. Esta particularidad en la corriente hace que el estado de carga, aunque en constante aumento, vea su pendiente reducida con el paso del tiempo. Como ya se había comentado tras las simulaciones del Capítulo 5, quizás tiene más sentido en este caso no controlar la tensión de la batería, sino la corriente de carga. Sin embargo, se ha querido probar esto en el sistema real para ver si era posible. Tras ello, se procede a realizar el ensayo con la consigna en corriente (equivalente a la simulación de la Figura 6.10): 6.5 Resultados en el circuito real 53 Figura 6.29 Resultados del ensayo en modo buck con batería y corriente de referencia. Para este ensayo se ha fijado la corriente de referencia en -10A. Además, se ha partido desde un estado de carga distinto que genera una tensión de 21.5V, y dado que se ha eliminado el control de tensión, esta tensión crece continuamente a medida que aumenta el porcentaje de carga, de forma que en régimen permanente tiene un 8.33% de error. 6.5.3 Ensayos en circuito con interruptor Para acabar con los experimentos, pasamos al circuito con el interruptor, que es en realidad el circuito completo y el que nos permite realizar la conmutación entre carga y descarga en el mismo ensayo. Se realizan dos conmutaciones a cada modo de funcionamiento para comprobar que la respuesta del sistema es adecuada ante los cambios en ambos sentidos. En estos ensayos se ha mantenido el algoritmo de control original, con control de tensión en ambas direcciones, y los resultados se muestran en la Figura 6.30. Figura 6.30 Resultados del ensayo del circuito con interruptor. En este ensayo en particular se han capturado los valores de IL , VC1 y VC2 con una función de Cockpit que 54 Capítulo 6. Análisis de resultados - Equipo real nos permite guardar los valores del transitorio, mientras que el estado de carga se ha tomado del software de la batería. El tiempo en los primeros datos se toma en base a la hora del experimento, como puede verse en el eje x de la Figura 6.26, mientras que en el estado de carga se guarda en segundos. Esto explica que en el eje x de esta última gráfica, el tiempo no coincida con el de las otras, aunque sí que corresponden al mismo ensayo, como puede verse en la Figura 6.31. Figura 6.31 Resultados del ensayo del circuito con interruptor en el software de la batería. Como puede verse en las gráficas de la Figura 6.30, cuando la corriente está variando significa que se está controlando la tensión VC1 , y VC2 queda impuesta por la fuente ideal, que pese a establecerse en 48V, en realidad se miden unos 48.3V. En el momento en que se cambia el estado del interruptor externo, la corriente se hace constante (aunque se observa un pico de unos 3A) y es VC2 la que se regula, mientras que VC1 queda impuesta por la batería, con un valor algo menor de 24V. El estado de carga es coherente con el modo de funcionamiento en cada momento, siendo la pendiente positiva en modo buck (corriente variable) y negativa en modo boost (corriente constante). 7 Conclusiones P ara culminar este trabajo, se presentan las conclusiones extraídas a partir de los resultados obtenidos en el desarrollo del proyecto. 7.1 Objetivos alcanzados El circuito propuesto ha cumplido exitosamente con la meta de gestionar el flujo de potencia en un sistema bidireccional. En conjunto con el algoritmo de control implementado, se ha logrado la regulación de la tensión de salida del convertidor para ambos modos de operación, a la vez que se ha cargado y descargado la batería. Además, se ha demostrado la robustez de la solución ante variaciones en la referencia y en la tensión de entrada. La implementación del circuito en el equipo real ha permitido validar todo aquello que se había simulado previamente en el Capítulo 5. Esta última parte del trabajo ha evidenciado la importancia de realizar pruebas en un entorno real, ya que se han presentado diferencias significativas entre los resultados obtenidos en simulación y los medidos en el laboratorio. Pese a contar con programas del propio fabricante de los equipos que acercan mucho la simulación a la realidad, ha habido que ajustar los parámetros de control para que el circuito funcionara correctamente, tanto en simulación como en el laboratorio. De hecho, esta parte del ajuste ha sido la más laboriosa del trabajo, debido a numerosos efectos no lineales del convertidor bidireccional no modelados en la función de transferencia con la que se realizó el diseño del controlador. Este hecho se ha traducido en la necesidad de realizar un gran número de pruebas, muchas de ellas terminando en errores por haber saltado las protecciones de los equipos como consecuencia de grandes sobreoscilaciones. Pese a todo ello, puede decirse que el proyecto ha cumplido con todos los objetivos que se habían instaurado al inicio, superando incluso las expectativas en alguno de ellos. Gracias a esto, se puede determinar que se dispone de un circuito capaz de gestionar el flujo de energía en una microrred de autoconsumo. 7.2 Trabajo futuro Pese a que se está satisfecho con el trabajo realizado, siempre hay aspectos que se pueden mejorar, o detalles en los que podría profundizarse. En este sentido, se han planteado una serie de trabajos futuros que podrían llevarse a cabo para mejorar el sistema propuesto. Algunos de ellos son: • El convertidor se ha probado con una sola batería y una fuente. Generalmente, en una microrred real habría varias fuentes correspondientes a diferentes sistemas de generación renovable, a la vez que habría distintos puntos que se conectarían a la tensión del bus de continua. De esta forma, podría integrarse el sistema en una microrred con varios consumidores y generadores, para así evaluar su rendimiento en un entorno más realista. • Podría implementarse un sistema de control predictivo, que permita anticiparse a los cambios en la carga y en la generación en base a los datos históricos, por ejemplo de las horas punta de consumo o 55 56 Capítulo 7. Conclusiones generación, y adaptar el modo de funcionamiento en base a ello. • A partir de la anterior idea surge la necesidad de implementar un lazo de control para el estado de carga de la batería, que permita mantenerla en un rango óptimo de funcionamiento. Esto podría hacerse mediante un algoritmo de control que ajuste la potencia de carga o descarga en función del estado de carga actual y el deseado. • También podría afianzarse únicamente el control en corriente en modo buck, considerando que la alimentación del circuito se toma del bus de continua. Esta particularidad necesitaría que cada punto de la microrred generase una corriente de referencia óptima para su situación particular, ya que de ello dependería el ritmo de carga de su batería. Estas son solo algunas ideas que podrían contribuir en hacer del proyecto una solución mucho más competente en cuanto a una micorred real. De esta forma, podría incluso pensarse en la posibilidad de comercializar el sistema, o de implementarlo en un entorno real que se ajuste a las características en las que sería capaz de funcionar. En cualquier caso, se plantean como mejoras interesantes que podrían llevarse a cabo en un futuro para enriquecer el trabajo. Índice de Figuras 1.1 Esquema general de una microrred 2 3.1 Esquema del convertidor reductor 7 3.2 Esquema del convertidor elevador 8 3.3 Esquema del convertidor reductor-elevador 8 3.4 Esquema del convertidor cuk 8 3.5 Esquema del convertidor sepic 8 3.6 Esquema del convertidor reductor elevador bidireccional 9 3.7 Convertidor elevador 10 3.8 Gráficas de interés para S1=111 3.9 Gráficas de interés completas 12 3.10 Convertidor reductor 13 3.11 Gráficas de interés para S2=114 3.12 Gráficas de interés completas 15 4.1 Circuito buck-boost bidireccional 19 4.2 Esquema de control 19 4.3 Esquema para S1=020 4.4 Esquema para S1=121 4.5 Esquema para S2=022 4.6 Esquema para S2=123 4.7 Arquitecturas disponibles 24 4.8 Ventana de rltool 25 4.9 Resultado del ajuste del modo boost 25 4.10 Resultado del ajuste del modo buck 26 5.1 Modelo del circuito en Simulink 29 5.2 Configuración del bloque de batería 30 5.3 Bloque de cambio de valores 30 5.4 Estructura de control 31 5.5 Detalle de bloques de control 31 5.6 Formas de selección de modo de operación del convertidor 32 5.7 Resultados de la simulación 32 5.8 Modificaciones en el control para la perturbación en modo boost 33 5.9 Resultados de la perturbación en modo boost 34 5.10 Modificaciones en el control para la perturbación en modo buck 34 5.11 Resultados de la perturbación en modo buck 35 6.1 Visión principal del modelo genérico 37 6.2 Vista detallada de la planta 38 6.3 Circuito importado para la simulación (sin interruptor) 38 57 58 Índice de Figuras 6.4 Circuito importado para la simulación (con interruptor) 39 6.5 Entradas al controlador 39 6.6 Selección de variables 40 6.7 Controlador 40 6.8 Ajuste para el circuito sin interruptor 41 6.9 Ajuste para el circuito con interruptor 41 6.10 Resultados de la simulación del circuito sin interruptor 42 6.11 Resultados de la simulación del circuito con interruptor 43 6.12 Detalle de la B-Box y de la caja de elementos pasivos 43 6.13 Resistencia de carga 44 6.14 Detalle del módulo de potencia 44 6.15 Elementos externos 45 6.16 Acondicionamiento de señal 45 6.17 Equipo de alimentación 46 6.18 Esquemático del módulo de potencia 46 6.19 Conexiones al módulo de potencia 47 6.20 Disposición de los elementos pasivos 47 6.21 Conexiones para el circuito con interruptor 48 6.22 Resultados del ensayo en modo boost 49 6.23 Resultados del ensayo en modo buck 49 6.24 Ventana de Imperix Cockpit 50 6.25 Configuración del módulo de batería 51 6.26 Interfaz del software de la batería 51 6.27 Resultados del ensayo en modo boost con batería 52 6.28 Resultados del ensayo en modo buck con batería 52 6.29 Resultados del ensayo en modo buck con batería y corriente de referencia 53 6.30 Resultados del ensayo del circuito con interruptor 53 6.31 Resultados del ensayo del circuito con interruptor en el software de la batería 54 Índice de Tablas 3.1 Parámetros de diseño simulación 16 3.2 Parámetros de diseño equipo real 17 4.1 Parámetros de los controladores 26 4.2 Parámetros de controladores para el equipo real 27 59