2 DISEÑO Y MODELO

En este capítulo del proyecto se procederá a la descripción del diseño y del modelo del convertidor que se usará para realizar las simulaciones. El modelo usa como formato el módulo Simulink del programa Matlab. Se mostrará el circuito modelado para mostrar su efecto compensando el arranque de un motor en una red de baja tensión. Se presentará también el circuito modelado para ver su comportamiento compensando a un aerogenerador frente a una ráfaga de viento.

El cargador del vehículo lo conforman el modelo de la batería eléctrica, el modelo de un convertidor bidireccional DC/DC y el modelo de un convertidor AC/DC. En los siguientes apartados se describen estos modelos que conforman el convertidor. Posteriormente se presentarán los otros dos circuitos mencionados.

2.1 INTRODUCCIÓN

En este apartado se va a describir los motivos por los que se ha decidido tomar los niveles de tensión que se han tomado a la hora de diseñar los modelos.

Se considera que se va a conectar la batería eléctrica a una red de distribución de baja tensión, con un nivel de tensión de 400 V eficaces en corriente alterna. Dado que la batería aporta corriente continua, se debe introducir un convertidor AC/DC.

La mayoría de fabricantes de convertidores AC/DC los proporcionan con una tensión en el lado de continua de 800 V para aquellos que tienen 400 V en el lado de alterna. Por ello se decide tomar un valor de tensión de 800 V para el lado de continua.

Por otro lado, se decide tomar una batería con una tensión entre sus bornes de 300 V nominales, el cual es un valor bastante aproximado al de las baterías de los coches eléctricos puros que se están comercializando en la actualidad. Además, aumentar demasiado dicho valor llevaría a tener que considerar problemas de aislamiento en el vehículo eléctrico.

A la vista de los valores de tensión de la batería y del convertidor AC/DC, es necesario un convertidor DC/DC que nos acople ambos niveles de tensión de continua, la tensión nominal de la batería de 300 V y los 800 V del lado de continua del convertidor AC/DC. Dado que se pretende diseñar un convertidor que permita cargar la batería eléctrica y descargar la energía almacenada en ésta a la red, es necesario que dicho convertidor DC/DC sea bidireccional.

Por tanto los componentes a modelar serán:

• Una batería con una tensión nominal de 300 V

• Un convertidor DC/DC bidireccional con unos niveles de tensión de 300 V en el lado de baja y 800 V en el lado de alta.

• Un convertidor AC/DC con una tensión de 800 V en el lado de continua y una tensión de 400 V eficaces en el lado de alterna.

2.2 BATERÍA ELÉCTRICA

En este apartado se va a describir todo lo referente al diseño y al modelo de la batería utilizada en el proyecto.

Como ya se comentó en la introducción, la batería que se empleará para este proyecto será una batería de litio-ion. La batería tendrá una energía de 25 kWh. Se ha optado por este valor de energía debido a que es un valor aproximado de la energía de las baterías que tienen los coches eléctricos que se comenzaban a comercializar en 2012. Se estima que con una batería de 25 kWh, un coche eléctrico puede recorrer una distancia de entre 150 y 200 Km. La mayoría de modelos actuales de coches eléctricos tienen una autonomía incluida en este rango.

Se ha tomado el modelo de batería eléctrica de litio-ion del módulo Simulink de Matlab. Se han considerado tantas celdas en serie como fuesen necesarias para que la tensión de la batería alcanzase una tensión nominal de 300 V. Se han considerado tantas celdas en paralelo como fuesen necesarias para que la batería tuviese una energía de 25 kWh.

El modelo de batería de Simulink presenta las siguientes simplificaciones:

• La resistencia interna se supone constante durante los ciclos de carga y descarga, y no varía con la amplitud de la corriente

• Los parámetros del modelo se obtienen a partir de la curva de descarga y se asumen los mismos para la curva de carga

• La capacidad de la batería no cambia con la amplitud de la corriente

• La temperatura no afecta al comportamiento de la batería

• No se representa la autodescarga de la batería

• La batería no tiene efecto memoria

A pesar de las simplificaciones presentes en el modelo de la batería, el modelo es lo suficientemente exacto. Los resultados que se obtienen con dicho modelo son bastante veraces, corresponden con la realidad y por tanto son aceptables.

La batería resultante empleada en el modelo de Simulink de Matlab tiene los siguientes parámetros:

• Tensión nominal: 300 V

• Capacidad máxima: 93 Ah

• Tensión a plena carga: 349,2 V

• Corriente nominal de descarga: 40,43 A

• Resistencia interna: 0,032 Ω

• Capacidad a tensión nominal: 84,103 Ah

• Tensión final zona exponencial: 324,125 V

• Capacidad final zona exponencial: 4,57 Ah

En la Fig. 2 se puede observar la curva de descarga a corriente nominal que presenta dicha batería, representando tensión frente a capacidad. En la Fig. 3 se observa la curva representando tensión frente al tiempo

Fig. 2: Curva de descarga a corriente nominal. Tensión vs capacidad

Fig. 3: Curva de descarga a corriente nominal. Tensión vs tiempo

A la vista de la curva de descarga, conviene aclarar el concepto de tensión nominal de la batería. La tensión nominal de la batería es la tensión presente cuando se termina la zona lineal de la curva de descarga, cuando comienza una segunda fase exponencial donde la tensión decrece a gran velocidad. La primera curva exponencial es la que se produce nada más comenzar a descargar la batería cuando esta se encuentra completamente cargada. En ella la tensión disminuye rápidamente hasta llegar a un valor a partir del cual comienza la zona lineal. En dicha zona la tensión se mantiene prácticamente constante, comenzando a descender lentamente a medida que la batería se descarga, hasta llegar a la segunda zona exponencial.

Debido a la gran caída de tensión no es aconsejable el uso de la batería en la segunda zona exponencial. Por ello la batería se utilizará normalmente con una tensión mayor a la tensión nominal, pues tanto en la primera zona exponencial como en la zona lineal, la tensión es mayor que la tensión nominal.

Hay que hacer notar que la tensión de la batería siempre variará a lo largo de su uso. Por ello, en el lado que conecta con la batería del convertidor DC/DC bidireccional, la tensión estará variando constantemente.

Se ha añadido una impedancia a la salida de la batería que será utilizada en el bloque de control. Su nombre es RL4 y su valor es de 0.001 Ω para la resistencia y de 1 mF para la inductancia.

2.3 CONVERTIDOR DC/DC BIDIRECCIONAL

En este apartado se va a describir todo lo referente al diseño y modelo del convertidor DC/DC bidireccional empleado en el proyecto.

A. TOPOLOGÍAS CONVERTIDORES BIDIRECCIONALES

Un convertidor bidireccional es aquel que tiene la capacidad de transferir la energía en los dos sentidos. Dado que se pretende conectar la batería a la red para cargarla y también para que la batería devuelva la energía a la red, es necesario que estén conectadas por un convertidor que permita ambas transferencias. La primera decisión a tomar es el tipo de convertidor bidireccional a emplear. Por simplicidad se ha decidido tomar un convertidor resultante de fusionar un convertidor Buck (reductor) y un convertidor Boost (elevador).

Se busca con ello que se permita el flujo de energía del lado de mayor tensión al de menor tensión cuando se desea cargar la batería, funcionando como Buck. De igual modo se busca también permitir el flujo de energía del lado de menor tensión al de mayor tensión cuando se desea descargar energía a la red, funcionando como Boost.. Dicho modelo será mostrado y explicado en la siguiente sección.

Existen otro tipos de topologías de convertidores bidireccionales. A título informativo se comentan a continuación algunas de ellas:

• Convertidor doble puente completo bidireccional sin bobina

• Convertidor doble medio puente bidireccional

• Convertidor puente completo bidireccional con esquema unificado para conmutación suave

• Convertidor medio puente y push-pull bidireccional

• Convertidor Flyback bidireccional

CONVERTIDOR DOBLE PUENTE COMPLETO BIDIRECCIONAL SIN BOBINA

Se basa en la idea de construir un convertidor utilizando dos puentes completos y un transformador. La característica principal es que no tiene bobina. Las únicas impedancias inductivas presentes son la inductancia magnetizante y de dispersión del transformador. El flujo de energía se controla con la inductancia de dispersión del transformador. En la Fig. 4 se muestra el esquema de este convertidor.

Fig. 4: Convertidor doble puente completo bidireccional sin bobina

CONVERTIDOR DOBLE MEDIO PUENTE BIDIRECCIONAL

Se basa en la utilización de dos convertidores de medio puente. Se pretende minimizar al máximo los elementos que se utiliza en un convertidor con dos puentes completos. Esta topología tiene una densidad de potencia mayor que la basada en puentes completos. En la Fig. 5 se muestra el esquema de este convertidor.

Fig. 5: Convertidor doble medio puente bidireccional

CONVERTIDOR PUENTE COMPLETO BIDIRECCIONAL CON ESQUEMA UNIFICADO PARA CONMUTACIÓN SUAVE

Este convertidor bidireccional incorpora un esquema de conmutación suave. Una rama simple formada por un condensador y un interruptor en serie se utilizan para alcanzar conmutaciones suaves en ambas direcciones de flujo. En la Fig. 6 se muestra el esquema de este convertidor.

Fig. 6: Convertidor puente completo bidireccional con esquema unificado para conmutación suave

CONVERTIDOR MEDIO PUENTE Y PUSH-PULL BIDIRECCIONAL

Esta topología está integrada por un transformador de alta frecuencia, por un medio puente en un lado del transformador y por una salida Push-Pull alimentada en corriente. En la Fig. 7 se muestra el esquema de este convertidor.

Fig. 7: Convertidor medio puente y push-pull bidireccional

CONVERTIDOR FLYBACK BIDIRECCIONAL

Es una de las topologías con aislamiento galvánico más sencillas. Está integrada por un transformador de alta frecuencia, por dos interruptores, uno a cada lado del transformador y también por dos condensadores, uno para cada lado del convertidor. En la Fig. 8 se muestra el esquema de este convertidor.

Fig. 8: Convertidor Flyback bidireccional

B. TOPOLOGÍA ELEGIDAEn esta sección se va a explicar el modelo tomado para el convertidor DC/DC bidireccional. El modelo elegido para el convertidor DC/DC bidireccional es una fusión de un convertidor Buck (reductor) con un convertidor Boost (elevador), el cual se muestra a continuación, en la Fig. 9. Se ha optado por este modelo debido a su simplicidad y a su facílidad para acoplarse al convertidor DC/AC

Fig. 9: Topología elegida del convertidor DC/DC bidireccional

El modelo está conectado a la batería por la izquierda, el cual es el lado de menor tensión, y a la derecha conecta con el convertidor DC/AC en el lado de mayor tensión. Este modelo puede funcionar como convertidor Buck (reductor) y como convertidor Boost (elevador), y por tanto es bidireccional. El modelo del convertidor consta de una bobina encargada de almacenar y liberar energía, con dos condensadores, uno a cada lado del convertidor, con la función de filtrar las corrientes y mantener constante las tensiones. También consta de dos parejas de diodo e IGBT en serie, que son los que permitirán el flujo de corriente entre el lado de mayor tensión y el de menor tensión.

Como convertidor Boost (elevador) funciona de la siguiente manera. El IGBT I1 permanece abierto. Con el IGBT I2 cerrado, la corriente circula de la batería a través de la bobina L sistema, atravesando el interruptor, cerrando el circuito a través de la batería. La bobina almacena energía en el campo magnético que se crea al pasar la corriente por ella (Fig. 10). Cuando se abre el IGBT I2, se interrumpe el paso de corriente por la bobina. Ésta reacciona liberando la energía almacenada, aumentando su tensión de forma que la tensión a la izquierda de los IGBT es ahora mayor que a la derecha, circulando la corriente hacia la derecha, a través del diodo D1 (Fig. 11). Al cerrar de nuevo el IGBT I2, vuelve a cargarse la bobina, repitiéndose el proceso.

Fig. 10: Funcionamiento como Boost. I2 cerrado

Fig. 11: Funcionamento como Boost. I2 abierto

El funcionamiento como convertidor Buck (reductor) es el siguiente. El IGBT I2 permanece abierto. Con el IGBT I1 cerrado, la intensidad circula de la fuente de tensión a través del IGBT I1, pasando por la bobina, la cual se carga de energía (Fig. 12). Al abrir el IGBT I1, la fuente de tensión ya no puede enviar corriente a la batería. La bobina libera la energía acumulada enviando corriente a la batería al cerrarse el circuito a través del diodo D2 (Fig. 13). Al cerrar de nuevo el IGBT I1, la bobina vuelve a cargarse, repitiéndose el proceso.

Fig. 12: Funcionamiento como Buck. I1 cerrado

Fig. 13: Funcionamiento como Buck. I1 abierto

C. MODELO DEL CONVERTIDOR

En esta sección se va a mostrar y explicar el modelo creado para el convertidor DC/DC bidireccional en el módulo Simulink del programa Matlab, el cual ha sido empleado en las simulaciones. En la Fig. 14 se puede ver dicho modelo.

Fig. 14: Modelo del convertidor DC/DC bidireccional

El módulo Universal Bridge junto con la Embedded Matlab Function representan los puentes de IGBT y diodos mostrados en la topología. La Embedded Matlab Function realiza varias funciones. Por un lado recibe una señal de intensidad con la cual se indica si se quiere que el convertidor funcione como elevador o como reductor. Si la corriente es positiva, el flujo circula de la batería hacia la red, por lo que el convertidor funciona como elevador de tensión. Si la corriente es negativa, el flujo circula de la red hacia la batería, por lo que el convertidor funciona como reductor. Esta función se mostrará mejor en el apartado de control, ya que la señal de intensidad se introduce en la Embedded Matlab Function debido al bloque de control.

Por otro lado, la Embedded Matlab Function recibe dos señales llamadas eta_bot y eta_top. Eta_bot representa el duty de los IGBTs funcionando como elevador de tensión (Boost). Eta_top es el duty de los IGBTs funcionando como reductor de tensión (Buck). El duty es la fracción del periodo de conmutación durante la cual el IGBT está ON (permitiendo el paso de corriente). Por tanto el duty variará entre 0 (IGBTs siempre OFF) y 1 (IGBTs siempre ON). El duty es un dato que necesita el bloque de la Embedded Matlab Function para simular todo lo referente a la conmutación de los IGBT en el bloque de Universal Bridge. A dicho bloque le llega la variable g de la Embedded Function Matlab. La variable g es una onda cuadrada construida a través de la onda triangular carrier y del valor del duty, y representa la evolución de la conmutación de los IGBTs, con un valor 1 si el IGBT está ON y 0 si está OFF. La frecuencia de conmutación es un dato que se incluye en la Embedded Matlab Function

Respecto a lo presentado en la topografía, se han añadido filtros pasivos al modelo. En el lado de mayor tensión se ha añadido un par de inductancias de filtrado, con sus correspondientes resistencias, formando un filtro pasivo de tercer orden con el condensador que ya figuraba en la topografía (dos inductancias y un condensador). En el lado de menor tensión se ha añadido una inductancia de filtrado con su correspondiente resistencia. Aparentemente forman otro filtro pasivo de tercer orden, pero la inductancia de la derecha (RL sistema) tiene como función almacenar y liberar energía, no realizar funciones de filtrado. El objetivo de estos filtros pasivos es el de eliminar los armónicos de alta frecuencia que distorsionarían la señal resultante del convertidor.

D. DISEÑO DE LOS COMPONENTES DEL MODELO

En esta sección se van a mostrar los valores definitivos de los parámetros del modelo y los motivos por los que se han determinado dichos valores. El diseño de los componentes del modelo se ha hecho de la manera que se comenta a continuación.

DISEÑO COMO ELEVADOR DE TENSIÓN (BOOST)

Se sitúa el modelo funcionando como elevador de tensión (Boost), descargando energía de la batería a la red. La prioridad es conseguir que el convertidor transfiera la mayor cantidad de energía posible a la red, manteniendo un rendimiento adecuado. De todos los parámetros presentes en el modelo, se identifican cuatro parámetros importantes. Dichos parámetros intervienen de forma decisiva en la cantidad de corriente que el convertidor es capaz de transferir del lado de menor tensión al de mayor tensión, aunque sus efectos en el rendimiento son distintos. Dichos parámetros son:

• Frecuencia de conmutación

• Duty

• Inductancia RL sistema

• Inductancia RL 2

Los componentes de los filtros pasivos nombrados con anterioridad han sido dimensionados de forma que cumplieran con su cometido de la forma más económica posible. Los valores tomados para el modelo se muestran en la siguiente sección.

FRECUENCIA DE CONMUTACIÓN

Realizando simulaciones para distintos valores de frecuencia de conmutación, se observa lo siguiente. Cuanto mayor es la frecuencia de conmutación, menor corriente es capaz de transferir el convertidor. Y por cuanto, a menores frecuencias de conmutación, mayor energía es capaz de transferir de la batería hacia la red. No se aprecian variaciones de consideración en el rendimiento del convertidor al variar la frecuencia de conmutación. Para evitar caer en frecuencias de conmutación excesivamente bajas, se tomó un valor para la frecuencia de conmutación de 1 kHz.

DUTY

El duty es la fracción del periodo de conmutación durante la cual el IGBT está ON (permitiendo el paso de corriente). Dado que trabajamos con el convertidor funcionando como elevador de tensión, se hace referencia al duty asociado al funcionamiento como elevador de tensión (Boost).

Realizando simulaciones para distintos valores de duty, se observa que cuanto mayor duty, mayor es la corriente que el convertidor es capaz de transferir desde la batería hasta la red. Sin embargo el efecto en el rendimiento del convertidor es bastante apreciable, y se explica a continuación. De la teoría del convertidor elevador de tensión (Boost) se extrae la siguiente fórmula:

Hay que aclarar que esta fórmula no es del todo fiable para el convertidor que se está diseñando. Se ha hallado en condiciones más ideales y para un convertidor con menos componentes que el aquí comentado. Aún así muestra una aproximación aceptable para lo que se detalla a continuación

Dicha fórmula nos da una relación lineal entre el valor de las tensiones de entrada y de salida y el duty. La tensión de entrada está variando constantemente, pues la batería varía su tensión con su nivel de carga. Si se toma como tensión de entrada Vi el valor nominal de la batería (300V), y como tensión de salida los 800 V que ya se han comentado con anterioridad, se tiene un valor de duty de 0.625. Se debe recordar que la tensión de la batería estará por lo general por encima de esos 300 V, por lo que el valor del duty calculado con esa fórmula debería ser algo inferior.

Mientras el valor de duty sea menor o del orden de ese valor calculado, el rendimiento del convertidor es bastante bueno y prácticamente constante. A medida que se toman valores de duty superiores, el rendimiento se va haciendo cada vez peor. A pesar de que el convertidor toma más corriente de la batería cuanto mayor sea el duty, esta corriente no se transmite al otro lado de los IGBTs.

Un duty excesivamente alto representa que los IGBTs se encuentran cerrados durante casi todo el periodo. Por tanto están muy poco tiempo abiertos, que es cuando se produce el flujo del lado de menor tensión al de mayor. Ello provoca que no puedan transferir buena parte de la energía tomada de la batería al otro lado de los IGBTs. La corriente tomada de la batería que no ha podido pasar al otro lado del IGBT se queda circulando por el cortocircuito formado por el IGBT en estado cerrado (Fig. 10).

Por ello, aunque a priori parece que tomar un duty muy alto es una buena opción, dicha idea es totalmente errónea por lo que se acaba de comentar. Por otro lado, dado que la tensión a la entrada del convertidor varía en el tiempo debido a la batería, es obvio que no se puede tomar un valor concreto de duty. Además, como se verá en el apartado de control, el duty es una variable que se usará para controlar y estará sujeta constantemente a variaciones.

INDUCTANCIA DE RL SISTEMA

Esta inductancia es la encargada de almacenar la energía y liberarla según las posiciones en las que se encuentran los IGBTs. Realizando simulaciones para distintos valores de la inductancia, se observa el siguiente efecto.

Cuanto mayor es el valor de la inductancia, menor corriente es capaz de transferir al lado de mayor tensión del convertidor. Por tanto, cuanto menor valor de la inductancia, mayor corriente transfiere al lado de mayor tensión. Dado que se pretende transferir la mayor cantidad de energía posible con el convertidor, el valor de la inductancia deberá ser pequeño. Por otro lado, realizando simulaciones para valores pequeños de la inductancia, se observa que por debajo de un valor de 1 mH el rendimiento del convertidor comienza a decaer, empezando a tomar valores que no se pueden

aceptar por debajo de los 0.5 mH. Por tanto, se decide tomar un valor de la inductancia de 0.5 mH.

INDUCTANCIA DE RL 2

Realizando simulaciones para valores distintos de RL 2 se observa lo siguiente. Cuanto mayor valor de la inductancia, menor es la corriente que el convertidor es capaz de transferir del lado de menor tensión al de mayor. Esta inductancia tiene una influencia bastante menor que los otros tres parámetros comentados más arriba en lo que se refiere al flujo de corriente. Sin embargo, se observa que un valor elevado de esta inductancia provoca un descenso bastante pronunciado del rendimiento del convertidor. Un valor demasiado bajo provoca que la señal de salida no esté correctamente filtrada. Teniendo en cuenta ambas cosas, se ha tomado un valor para la inductancia de 0.1 mH.

DISEÑO COMO REDUCTOR DE TENSIÓN (BUCK)

Una vez dimensionados los componentes del convertidor como elevador de tensión (Boost), se procede a colocar el convertidor como reductor de tensión (Buck), transfiriendo energía de la red hacia la batería. Realizando simulaciones con el modelo del convertidor funcionando como Buck, se observa que funciona de forma correcta. Hay que tener en cuenta que variar cualquier parámetro para mejorar su funcionamiento como reductor de tensión empeoraría su funcionamiento como elevador de tensión.

Dado que se le ha concedido prioridad al funcionamiento como elevador de tensión, y que el funcionamiento como reductor es suficientemente bueno para considerarse correcto, se decide no modificar ningún parámetro.

E. VALORES DE LOS PARÁMETROS DEL MODELO

Los valores determinados de la manera explicada con anterioridad para los distintos componentes del modelo son los siguientes:

• RESISTENCIAS

Las resistencias tienen todas un valor de 0.0001 Ω.

• CONDENSADORES

El condensador denominado C_low tiene un valor de 5000 μF.

El condensador denominado C_high tiene un valor de 5000 μF y tiene una tensión inicial de 800 V

• INDUCTANCIAS

La inductancia de RL 1 tiene un valor de 50 mH.

La inductancia de RL sistema tiene un valor de 0.5 mH.

La inductancia de RL 2 tiene un valor de 0.1 mH.

La inductancia de RL 3 tiene un valor de 2 mH.

2.4 CONVERTIDOR DC/AC

Se ha decidido que no es objetivo de este proyecto diseñar y mostrar un convertidor DC/AC. Se va a considerar que se dispone de un convertidor en fuente de tensión. Dichos convertidores tienen la capacidad de transferir de forma rápida y eficiente una cantidad dada de potencia activa y reactiva.Precisamente eso se le pide a nuestro convertidor DC/AC. Ser capaz de transferir toda la potencia que le envía la batería a través del convertidor DC/DC bidireccional, para transmitirla a la red. De igual modo, tiene que ser capaz de transferir al DC/DC bidireccional la energía que le llega de la red en dirección a la batería. Y debe hacer todo ello de forma rápida y de forma eficiente, sin muchas pérdidas. Para todo ello es adecuado un convertidor en fuente de tensión.

Existen una gran cantidad de publicaciones y estudios que demuestran que un convertidor en fuente es capaz de realizar todo lo aquí mencionado. Si se desea leer algún texto para documentarse sobre lo que aquí se describe, ello puede verse en la tesis doctoral: Control de convertidores en fuente de tensión y sistemas de potencia con generación renovable, de Juan Manuel Mauricio Ferramola.

2.5 MODELO COMPLETO DEL CONVERTIDOR

En los apartados anteriores se ha explicado las distintas partes de las que constan el convertidor que se desea diseñar. En la fig. 15 se muestra el modelo completo, con las partes explicadas con anterioridad y los bloques de control añadidos. También se pueden observar los distintos medidores empleados para la toma de datos. Este modelo es el que se ha empleado en las simulaciones

En la zona superior izquierda del modelo se pueden observar los bloques de control, los cuales serán explicados en el siguiente capítulo. Estos bloques controlan la corriente que sale de la batería o entra en ella. Básicamente, en la casilla Intensidad deseada se introduce la corriente que se desea que aporte la batería a la red (signo positivo), o con la que desea cargarla (signo negativo).

La batería puede visualizarse en la parte izquierda del modelo. La batería tiene conectada unos medidores que muestran la corriente que aporta o con la que se está cargando, la tensión en bornes de la batería, y el estado de carga, el cual se expresa en por unidad. La batería conecta con el convertidor DC/DC bidireccional, el cual ocupa la práctica totalidad del modelo. Dicho convertidor se encarga de transferir la energía de la batería a al convertidor DC/AC y viceversa, elevando o reduciendo la tensión según el caso.

El convertidor DC/AC se ha modelado aquí como una fuente de tensión dependiente, a la cual se le asigna un valor de 800 V en el lado de continua. Dicho valor de tensión era el que se deseaba tener en el lado de continua del DC/AC.

Por otro lado, en la zona superior derecha del modelo se pueden ver las mediciones necesarias para poder visualizar la potencia instantánea. Se han tomado la tensión e intensidad a la salida de la batería y en el lado de alta tensión del convertidor DC/DC. Con ello se podrán ver las pérdidas del convertidor diseñado, cuanta potencia de la que se extrae de la batería o de la red llega a la red o a la batería, respectivamente.

Fig. 15: Modelo completo del convertidor

2.6 COMPENSACIÓN ARRANQUE DE MOTOR

En este apartado se va a mostrar el circuito modelado que se va a utilizar para comprobar la influencia del convertidor cuando se lo utiliza para compensar en un arranque de motor de una red trifásica de baja tensión. Se pretende que la energía que requiere el motor en su arranque sea aportada por el bloque batería-convertidor. En la fig. 16 se muestra dicho circuito.

En dicho circuito se puede visualizar los diferentes bloques que lo componen. En la parte central se puede ver el motor eléctrico del cual se va a simular su arranque. Dicho motor es de una potencia nominal de 37 kW, de dos polos, y de una tensión nominal de 400 V. El motor se encuentra conectado a una red trifásica de baja tensión que forma parte de una red eléctrica de mayor tamaño. En la parte superior izquierda se encuentra el bloque que modela la batería y el convertidor tratados con anterioridad. Se ha modelado un convertidor que proporciona a la red la potencia activa y reactiva que se le pida.

Se toman las medidas de la tensión y la intensidad de fase-tierra a la entrada del motor y a la salida del convertidor. Con ellas se obtienen la potencia activa y reactiva de ambos. Dichas potencias se llevan al bloque situado en la zona inferior izquierda.

Dicho bloque es el encargado de enviar al bloque del convertidor la corriente que éste debe proporcionar. Para ello se vale de la medida de activa y reactiva tomadas a la entrada del motor, que son las que el convertidor debe proporcionar. Con dichas potencias y la tensión a la entrada del motor en zdq, se calcula la intensidad en zdq, se le realiza la antitransformada para tenerla en abc y se envía al convertidor.

Como se puede observar, las señales de la potencia activa y reactiva medida a la entrada del motor que entran en este bloque están unidas a dos filtros antes de llegar al bloque donde se calcula la intensidad en zdq. El primero de esos filtros añade el retraso que existe en el convertidor entre que se le ordena extraer o cargar la batería con una corriente en concreto y el instante en el que lo consigue. El segundo filtro es un filtro Wash-Out, con el que modelamos la caída de valor de la señal que alcanza el máximo en el escalón y con el transcurso del tiempo se va haciendo cada vez más débil.

La parte superior e inferior derecha del circuito la componen los medios necesarios para medir variables, filtrarlas y para la muestra de datos

El objetivo que se desea conseguir es que la tensión de la red no decaiga, o lo haga en menor medida, cuando el motor arranque, mediante la compensación que aporta el convertidor. Se desea también observar el hecho de que en baja tensión, al contrario que en alta, para compensar las caídas de tensiones es mucho más eficaz inyectar potencia activa en lugar de reactiva.

Fig. 16: Modelo de circuito arranque motor

2.7 COMPENSACIÓN AEROGENERADOR FRENTE A RÁFAGA

En este apartado se va a mostrar el circuito modelado que se va a utilizar para comprobar la influencia del convertidor si se lo utiliza para compensar la variación de potencia generada por un aerogenerador cuando le llega una rágafa de viento. La IEC (International Electrotechnical Commission) define la ráfaga de viento tal como se se muestra en la fig. 17

Fig. 17: Ráfaga de viento según IEC

La ráfaga de viento conlleva un gran aumento temporal de la velocidad del viento, de una duración de pocos segundos. Se produce también un pequeño decremento en la velocidad del viento poco antes y poco después de dicho aumento. Ello provocará que el aerogenerador al principio produzca menos potencia, luego más y luego vuelve a producir un poco menos, para luego retornar al funcionamiento normal tras recuperar el viento la velocidad anterior a la ráfaga.

Se pretende que el conjunto batería-convertidor compense esas diferencias temporales de generación de potencia por parte del aerogenerador. Por tanto, dicho conjunto deberá aportar primero la potencia que deja de generar el aerogenerador tras la caída en la velocidad del viento. Posteriormente, durante el pico de velocidad del viento, la batería deberá absorber la potencia de más que está generando el aerogenerador. Finalmente, la batería deberá aportar potencia a la red nuevamente en la segunda etapa de disminución de la velocidad del viento. Por último, una vez superada la ráfaga, y habiendo recuperado el viento la velocidad que tenía antes de la ráfaga, la batería deja de aportar o absorber potencia. Con ello, la tensión a la salida del aerogenerador se debería ver menos afectada que si no hubiese compensación.

El circuito modelado para observar dichos efectos es el mostrado en la fig. 18. Dicho circuito es prácticamente idéntico al mostrado en la sección anterior. Es el mismo circuito, en el que se ha sustituido el motor eléctrico por un modelo de aerogenerador, para el que también se emplea el modelo de motor asíncrono del módulo Simpowers systems de Simulink. También se ha añadido un grupo de inductancias encargadas de mantener la tensión constante a la salida del aerogenerador. Estas inductancias no son capaces de mantener la tensión constante cuando la velocidad del viento varía. Sería necesario variar el valor de las inductancias para que pudiesen cumplir su función a medida que el viento va cambiando su velocidad. En lugar de ello, se propone compensar con el conjunto batería-convertidor.

Utilizando el modelo de aerogenerador incluido en Simpowers systems y modelando la ráfaga mostrada arriba, se le indica al modelo de la máquina asíncrona el par aplicado. Todo ello se encuentra incluido en el bloque Subsystem que se encuentra junto con el modelo de la máquina asíncrona.

Fig. 18 Modelo de circuito compensación aerogenerador