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UNIVERSIDAD DE SEVILLA

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS

PROYECTO FIN DE CARRERA

CONTROL DE CONVERTIDORES AC/DC Y DC/DC PARA CARGA DE VEHÍCULOS ELÉCTRICOS

AUTOR: JOSÉ MARÍA BENOT MORELL

TUTOR: JUAN MANUEL MAURICIO FERRAMOLA

MAYO 2012

CONTENIDO CONTENIDO.......................................................................................................................................................................2

FIGURAS.............................................................................................................................................................................4

1. INTRODUCCIÓN.................................................................................................................................................7

1.1. EL VEHÍCULO ELÉCTRICO COMO ALTERNATIVA..............................................................................7

1.2. REGULACIÓN ELÉCTRICA CON VEHÍCULO ELÉCTRICO.................................................................8

1.3. BATERÍA ELÉCTRICA................................................................................................................................9

1.4. BATERÍAS ELÉCTRICAS Y MODOS DE CARGA.................................................................................10

a) BATERÍAS ELÉCTRICAS ACTUALES..............................................................................................11

b) TECNOLOGÍAS EN DESARROLLO DE BATERÍAS ELÉCTRICAS..............................................16

c) FUTURO DE LAS BATERÍAS ELÉCTRICAS...................................................................................18

d) ELECCIÓN DE BATERÍA PARA EL MODELO.................................................................................18

e) MODOS DE CARGA............................................................................................................................19

2. DISEÑO Y MODELO.........................................................................................................................................21

2.1. INTRODUCCIÓN.......................................................................................................................................21

2.2. BATERÍA ELÉCTRICA..............................................................................................................................22

2.3. CONVERTIDOR DC/DC BIDIRECCIONAL............................................................................................24

a) TOPOLOGÍAS CONVERTIDOR BIDIRECCIONALES....................................................................24

b) TOPOLOGÍA ELEGIDA......................................................................................................................28

c) MODELO DEL CONVERTIDOR........................................................................................................30

d) DISEÑO DE LOS COMPONENTES DEL MODELO........................................................................32

e) VALORES DE LOS PARÁMETROS DEL MODELO........................................................................35

2.4. CONVERTIDOR DC/AC............................................................................................................................36

2.5. MODELO COMPLETO DEL CONVERTIDOR........................................................................................36

2.6. COMPENSACIÓN ARRANQUE DE MOTOR.........................................................................................38

2.7. COMPENSANCIÓN AEROGENERADOR FRENTE A RÁFAGA..........................................................40

3. CONTROL...........................................................................................................................................................42

3.1. CORRIENTE DE LA BATERÍA.................................................................................................................42

3.2. CARGA MÁXIMA DE LA BATERÍA........................................................................................................43

3.3. CARGA MÍNIMA DE LA BATERÍA.........................................................................................................45

4. SIMULACIONES................................................................................................................................................47

4.1. DESCARGA DE ENERGÍA A LA RED.....................................................................................................47

a) DESCARGA A 500 A............................................................................................................................47

b) DESCARGA A 100 A............................................................................................................................51

c) LÍMITE DE DESCARGA DE LA BATERÍA.......................................................................................56

d) OBSERVACIONES...............................................................................................................................57

4.2. CARGA DE BATERÍAS.............................................................................................................................58

a) CARGA A 500 A...................................................................................................................................58

b) CARGA A 100 A...................................................................................................................................62

c) LÍMITE DE CARGA DE LA BATERÍA..............................................................................................66

d) OBSERVACIONES...............................................................................................................................67

4.3. FUNCIONAMIENTO DESCARGA – CARGA.........................................................................................69

4.4. FUNCIONAMIENTO CARGA – DESCARGA.........................................................................................73

4.5. ARRANQUE DE MOTOR..........................................................................................................................77

a) SIN APOYO DEL CONVERTIDOR....................................................................................................77

b) COMPENSACIÓN DE P.......................................................................................................................79

c) COMPENSACIÓN DE Q......................................................................................................................81

d) COMPENSACIÓN DE P Y Q...............................................................................................................83

4.6. COMPENSACIÓN AEROGENERADOR..................................................................................................87

a) SIN COMPENSACIÓN........................................................................................................................87

b) CON COMPENSACIÓN......................................................................................................................90

5. CONCLUSIONES...............................................................................................................................................93

5.1. CONCLUSIONES DISEÑO Y MODELO.................................................................................................93

5.2. CONCLUSIONES ARRANQUE DE MOTOR..........................................................................................93

5.3. CONCLUSIONES AEROGENERADOR..................................................................................................94

6. BIBLIOGRAFÍA.................................................................................................................................................95

FIGURAS

FIG. 1: GRÁFICO RESUMEN MODOS DE CARGA.....................................................................................................20

FIG. 2: CURVA DE DESCARGA A CORRIENTE NOMINAL. TENSIÓN VS CAPACIDAD......................................23

FIG. 3: CURVA DE DESCARGA A CORRIENTE NOMINAL. TENSIÓN VS TIEMPO..............................................23

FIG. 4: CONVERTIDOR DOBLE PUENTE COMPLETO BIDIRECCIONAL SIN BOBINAS....................................25

FIG. 5: CONVERTIDOR DOBLE MEDIO PUENTE BIDIRECCIONAL......................................................................26

FIG. 6: CONVERTIDOR PUENTE COMPLETO BIDIRECCIONAL CON ESQUEMA UNIFICADO PARA CONMUTACIÓN SUAVE.....................................................................................................................................26

FIG. 7: CONVERTIDOR MEDIO PUENTE Y PUSH-PULL BIDIRECCIONAL...........................................................27

FIG. 8: CONVERTIDOR FLYBACK BIDIRECCIONAL................................................................................................27

FIG. 9: TOPOLOGÍA ELEGIDA DEL CONVERTIDOR DC/DC BIDIRECCIONAL....................................................28

FIG. 10: FUNCIONAMIENTO COMO BOOST. I2 CERRADO.....................................................................................29

FIG. 11: FUNCIONAMIENTO COMO BOOST. I2 ABIERTO........................................................................................29

FIG. 12: FUNCIONAMIENTO COMO BUCK. I1 CERRADO.......................................................................................30

FIG. 13: FUNCIONAMIENTO COMO BUCK. I1 ABIERTO.........................................................................................30

FIG. 14: MODELO DEL CONVERTIDOR DC/DC BIDIRECCIONAL.........................................................................31

FIG. 15: MODELO COMPLETO DEL CONVERTIDOR................................................................................................37

FIG. 16: MODELO DE CIRCUITO ARRANQUE MOTOR............................................................................................39

FIG. 17: RÁFAGA DE VIENTO SEGÚN IEC..................................................................................................................40

FIG. 18: MODELO DE CIRCUITO COMPENSACIÓN AEROGENERADOR..............................................................41

FIG. 19: MODELO PARA VER LOS CONTROLADORES............................................................................................46

FIG. 20: CORRIENTE ABSORBIDA EN CARGA MÁXIMA........................................................................................44

FIG. 21: ESTADO DE CARGA EN CARGA MÁXIMA..................................................................................................44

FIG. 22: CORRIENTE ENTREGADA EN DESCARGA MÁXIMA...............................................................................45

FIG. 23: ESTADO DE CARGA EN DESCARGA MÁXIMA..........................................................................................45

FIG. 24: DESCARGA A 500 A. TENSIÓN DE LA BATERÍA.........................................................................................47

FIG. 25: DESCARGA A 500 A. INTENSIDAD DE LA BATERÍA..................................................................................48

FIG. 26: DESCARGA A 500 A. ESTADO DE CARGA DE LA BATERÍA.....................................................................48

FIG. 27: DESCARGA A 500 A. TENSIÓN EN EL LADO DE ALTA DEL DC/DC........................................................49

FIG. 28: DESCARGA A 500 A. INTENSIDAD QUE LLEGA AL DC/DC......................................................................49

FIG. 29: DESCARGA A 500 A. POTENCIA EXTRAÍDA DE LA BATERÍA Y TRANSMITIDA AL DC/AC..............50

FIG. 30: DESCARGA A 100 A. TENSIÓN DE LA BATERÍA.........................................................................................51

FIG. 31: DESCARGA A 100 A. INTENSIDAD DE LA BATERÍA..................................................................................52

FIG. 32: DESCARGA A 100 A. ESTADO DE CARGA DE LA BATERÍA.....................................................................52

FIG. 33: DESCARGA A 100 A. TENSIÓN EN EL LADO DE ALTA DEL DC/DC........................................................53

FIG. 34: DESCARGA A 100 A. INTENSIDAD QUE LLEGA AL DC/AC......................................................................54

FIG. 35: DESCARGA A 100 A. POTENCIA EXTRAÍDA DE LA BATERÍA Y TRANSMITIDA AL DC/AC..............55

FIG. 36: LÍMITE DE DESCARGA. INTENSIDAD DE LA BATERÍA...........................................................................56

FIG. 37: LÍMITE DE DESCARGA. ESTADO DE CARGA DE LA BATERÍA..............................................................56

FIG. 38: DESCARGA A 700 A. POTENCIAS..................................................................................................................57

FIG. 39: CARGA A 500 A. TENSIÓN DE LA BATERÍA................................................................................................58

FIG. 40: CARGA A 500 A. INTENSIDAD DE LA BATERÍA.........................................................................................59

FIG. 41: CARGA A 500 A. ESTADO DE CARGA DE LA BATERÍA.............................................................................59

FIG. 42: CARGA A 500 A. TENSIÓN EN EL LADO DE ALTA DEL DC/DC................................................................60

FIG. 43: CARGA A 500 A. INTENSIDAD QUE ENTREGA EL DC/AC........................................................................61

FIG. 44: CARGA A 500 A. POTENCIA ENTREGADA A LA BATERÍA Y ENTREGADA POR EL DC/AC...............61

FIG. 45: CARGA A 100 A. TENSIÓN DE LA BATERÍA................................................................................................62

FIG. 46: CARGA A 100 A. INTENSIDAD DE LA BATERÍA.........................................................................................63

FIG. 47: CARGA A 100 A. ESTADO DE CARGA DE LA BATERÍA.............................................................................63

FIG. 48: CARGA A 100 A. TENSIÓN EN EL LADO DE ALTA DEL DC/DC................................................................64

FIG. 49: CARGA A 100 A. INTENSIDAD QUE ENTREGA EL DC/AC........................................................................65

FIG. 50: CARGA A 100 A. POTENCIA ENTREGADA A LA BATERÍA Y ENTREGADA POR EL DC/AC...............65

FIG. 51: LÍMITE DE CARGA. INTENSIDAD DE LA BATERÍA..................................................................................66

FIG. 52: LÍMITE DE CARGA. ESTADO DE CARGA DE LA BATERÍA......................................................................67

FIG. 53: CARGA A 900 A. POTENCIAS..........................................................................................................................68

FIG. 54: DESCARGA – CARGA. TENSIÓN DE LA BATERÍA.....................................................................................69

FIG. 55: DESCARGA – CARGA. INTENSIDAD DE LA BATERÍA..............................................................................70

FIG. 56: DESCARGA – CARGA. ESTADO DE CARGA DE LA BATERÍA.................................................................70

FIG. 57: DESCARGA – CARGA. TENSIÓN EN EL LADO DE ALTA DEL DC/DC....................................................71

FIG. 58: DESCARGA – CARGA. INTENSIDAD EN DC/AC.........................................................................................72

FIG. 59: DESCARGA – CARGA. POTENCIAS..............................................................................................................72

FIG. 60: CARGA – DESCARGA. TENSIÓN DE LA BATERÍA.....................................................................................73

FIG. 61: CARGA – DESCARGA. INTENSIDAD DE LA BATERÍA..............................................................................74

FIG. 62: CARGA – DESCARGA. ESTADO DE CARGA DE LA BATERÍA.................................................................74

FIG. 63: CARGA – DESCARGA. TENSIÓN EN EL LADO DE ALTA DEL DC/DC....................................................75

FIG. 64: CARGA – DESCARGA. INTENSIDAD EN DC/AC.........................................................................................76

FIG. 65: CARGA – DESCARGA. POTENCIAS..............................................................................................................76

FIG. 66: ARRANQUE DE MOTOR. POTENCIA ACTIVA DEMANDADA POR EL MOTOR....................................77

FIG. 67: ARRANQUE DE MOTOR. POTENCIA REACTIVA DEMANDADA POR EL MOTOR...............................78

FIG. 68: ARRANQUE DE MOTOR. TENSIÓN DE LA RED..........................................................................................78

FIG. 69: COMPENSACIÓN P. POTENCIAS ACTIVAS..................................................................................................79

FIG. 70: COMPENSACIÓN P. POTENCIA REACTIVA DEMANDADA POR EL MOTOR........................................80

FIG. 71: COMPENSACIÓN P. TENSIÓN DE LA RED...................................................................................................80

FIG. 72: COMPENSACIÓN Q. POTENCIAS REACTIVAS...........................................................................................81

FIG. 73: COMPENSACIÓN Q. POTENCIA ACTIVA DEMANDADA POR EL MOTOR.............................................82

FIG. 74: COMPENSACIÓN Q. TENSIÓN DE LA RED..................................................................................................82

FIG. 75: COMPENSACIÓN P Y Q. POTENCIAS ACTIVAS..........................................................................................83

FIG. 76: COMPENSACIÓN P Y Q. POTENCIAS REACTIVAS.....................................................................................84

FIG. 77: COMPENSANCIÓN P Y Q. TENSIÓN DE LA RED........................................................................................84

FIG. 78: P Y Q DE LA RED SIN COMPENSACIÓN.......................................................................................................85

FIG. 79: P Y Q DE LA RED CON COMPENSACIÓN DE P Y Q....................................................................................86

FIG. 80: POTENCIA ACTIVA GENERADA POR EL AEROGENERADOR.................................................................87

FIG. 81: POTENCIA REACTIVA ABSORBIDA POR EL AEROGENERADOR...........................................................88

FIG. 82: TENSIÓN DE LA RED A LA SALIDA DEL AEROGENERADOR.................................................................88

FIG. 83: P Y Q DE LA RED...............................................................................................................................................89

FIG. 84: POTENCIA ACTIVA AEROGENERADOR Y CONVERTIDOR......................................................................90

FIG. 85: POTENCIA REACTIVA AEROGENERADOR Y CONVERTIDOR................................................................91

FIG. 86: TENSIÓN DE LA RED A LA SALIDA DEL AEROGENERADOR.................................................................92

FIG. 87: P Y Q DE LA RED CON COMPENSACIÓN.....................................................................................................92

1 INTRODUCCIÓN

La motivación principal de este proyecto es realizar un modelo de un convertidor que permita la carga de las baterías eléctricas de los vehículos eléctricos y la descarga a la red eléctrica de la energía previamente almacenada en ellas, en un marco de actualidad como es el desarrollo de las redes V2G (vehicle to grid).

Se usará el módulo Simulink de Matlab para simular la batería eléctrica, los elementos necesarios para conformar el convertidor y las redes de pruebas que se utilizarán. También se realizarán simulaciones para analizar y comprobar la utilidad del convertidor empleado para apoyar a la red en el arranque de un motor eléctrico, y para apoyar a un aerogenerador frente a una ráfaga de viento.

1.1 EL VEHÍCULO ELÉCTRICO COMO ALTERNATIVA

En la actualidad se calcula que el parque automovilístico mundial cuenta con alrededor de 800 millones de vehículos, una cifra que aumenta año a año y se prevee que para el 2030 existan más de 1500 millones de vehículos en todo el mundo. Casi la práctica totalidad de la energía que se emplea para el transporte proviene de los combustibles fósiles, que constituye un modelo que presenta serios problemas con vistas al futuro.

La dependencia de combustibles fósiles del sistema energético producirá un encarecimiento de estos recursos. Además, el encarecimiento del recurso no es el único peligro que debe salvar dicho modelo, que presenta un gran defecto en el peligro de agotamiento o de la insuficiencia para la extracción al ritmo que se necesite en el futuro de los combustibles fósiles. Este problema se verá agravado por el esperado crecimiento del consumo energético en los próximos años, ya sea por sustentación del crecimiento económico mundial, o por el aumento de la movilidad de la población. Por otro lado, la reducción de la emisión de gases de efecto invernadero que es necesaria para frenar el desequilibrio atmosférico existente constituye otro problema que se le presenta al modelo de transporte basado en combustibles fósiles. No se puede negar el avance en el aspecto ecológico en todo lo referente al marco del transporte basado en combustibles fósiles, pero ni son suficientes ni solucionan los otros problemas que lo afectan, por lo que ya se encuentran en desarrollo modelos alternativos para el transporte. La electrificación del transporte por carretera con energías renovables es una alternativa bastante prometedora.

Los vehículos eléctricos son una alternativa de propulsión que no emiten contaminación alguna en su uso, y además, si la energía para cargar las baterías provienen de energía renovables, se alcanzaría la cifra de cero emisiones en el ciclo energético global. Además, el coste de explotación de estos vehículos es muy inferior al de los basados en combustibles fósiles: hoy en día, recorrer 100 kilómetros con un coche eléctrico costaría alrededor de 2 euros; hacerlo con uno de gasolina costaría alrededor de 8 euros. El rendimiento energético del vehículo eléctrico es muy bueno, ya que tienen unas pérdidas bajas y aprovechan la inercia de la frenada con el sistema de frenado regenerativo. Por otro lado, el vehículo eléctrico tiene mejoras en cuanto al confort, ya que es muy silencioso y tiene menor mantenimiento al no tener piezas de desgaste.

La electrificación del transporte por carretera no plantea cambios y costes importantes en la generación y en la distribución, y permitiría una mayor participación de la energía eólica y otras renovables en la generación, contribuyendo a una mejor gestión de la red.

Obviamente, no todo son ventajas, al menos en la actualidad. El coche eléctrico presenta dos problemas principales por los que todavía es inferior al basado en combustible fósil en prestaciones: su baja autonomía y la inexistencia de una infraestructura adecuada para recargar las baterías. La autonomía del coche eléctrico actual ronda los 150-200 kilómetros en la mayoría de los modelos, lo que unido al escaso número de estaciones de recarga y el tiempo de éstas puede hacer muy incómodo el transporte a larga distancia, o simplemente hacerlo inviable de no encontrar una estación de recarga antes de agotar la batería. Sin embargo el coche eléctrico sí puede atender actualmente los 60 kilómetros que se estima como máximo de los desplazamientos diarios de automóviles. Una vez salvados los problemas de autonomía, que se resolverán con el desarrollo suficiente de la batería eléctrica, y con la creación de una buena infraestructura para las recargas de las baterías, el vehículo eléctrico prácticamente superaría al cualquiera basado en combustibles fósiles.

1.2 REGULACIÓN EÓLICA CON VEHÍCULO ELÉCTRICO

El escenario energético en España previsto para los próximos años incluye un porcentaje elevado de energías renovables para poder cumplir el protocolo de Kioto y los acuerdos europeos de reducción de emisiones y promoción de sistemas sostenibles. Según las estimaciones de capacidad instalada de eólica, su producción pasará de suponer un 13,5 % de la producción anual en 2009, a un 30 % en 2020, y la producción global de las energías renovables crecerá desde el 28 % de la producción anual en 2009, al 59 % en 2020, por lo que podemos ver que el aporte de las energías renovables, especialmente de la eólica, será cada vez más importante.

La gran penetración de la energía eólica está provocando que durante algunas horas del día los parques eólicos deban parar su producción. Esto es debido a la baja demanda de energía eléctrica durante algunas horas, especialmente por la noche. Con ello se desperdicia una energía limpia en beneficio de otras tecnologías convencionales que emplean recursos limitados, por los que hay que pagar o que son contaminantes.

Para evitar ese desperdicio de una energía gratis y limpia se pretende utilizar el vehículo eléctrico. La solución sería incrementar la demanda durante las horas valle para recargar las baterías de los vehículos eléctricos. Con ello se conseguiría no parar la producción de energía eólica y de otras renovables que se ven afectadas por el mismo problema, en menor medida. Con ello se conseguiría no desaprovechar una energía gratis que de otro modo ni se generaría debido a que la demanda ya está cubierta por centrales que tienen prioridad sobre los generadores eólicos. Además, permitiría un aumento de la aportación de la energía eólica y otras renovables. Se estima que el consumo de un millón de vehículos eléctricos en España sería apenas del 11 % de la generación eólica en el año 2007. Parece evidente que sólo con la aportación de la eólica y otras renovables se podría atender a la demanda de carga de baterías de vehículos eléctricos. Con ello no habría necesidad de emplear en horas valles otras centrales de tecnologías no renovables o contaminantes, que de otro modo

permanecerían sin producir durante esas horas.

Pero el beneficio puede ser doble con la tecnología de la red V2G, Vehicle to Grid (del vehículo a la red), que describe un sistema en el cual la energía puede ser vendida a la red eléctrica por el conductor de un vehículo eléctrico o de un híbrido enchufable, circulando la energía de la batería a la red, cuando éste es conectado a la red en los momentos que no se use para el transporte. Y por supuesto, cuando necesite ser recargado, el flujo se invierte y la energía circularía de la red a la batería, recargando la batería. El sistema V2G sería por tanto bidireccional.

Con ello, pasamos de una situación donde una energía gratis y no contaminante que sobraría y no se habría producido al estar la demanda cubierta, a otra situación donde almacenamos esa energía en las baterías de los vehículos eléctricos, ya sea para emplearse como transporte o para devolver esa energía a la red cuando ésta lo requiera. Además, alrededor de un 95% de los automóviles se encuentran estacionados durante gran parte del día, utilizándose una media de una hora al día, por lo que se estima que gran parte del parque móvil estaría disponible para dar energía a la red a lo largo del día.

Se encuentran en desarrollo proyectos de diversa consideración referentes a las redes V2G. Uno de los más destacados es el de la isla danesa de Bornholm, de unos 40.000 habitantes, que va a ser el banco de pruebas de un sistema a gran escala de V2G. Se trata de un proyecto europeo, denominado EDISON (Electric Vehicles in a Distributed and Integrated Market using Sustainable Energy and Open Networks), que pretende utilizar las baterías de los vehículos de la isla (se planea que todos los coches sean eléctricos) para aprovechar mejor la energía eólica. Sus responsables estiman que en la actualidad el 20% de la energía de Bornholm procede del viento. Gracias a este sistema de V2G, señalan, el aprovechamiento de esta fuente de energía podría llegar hasta el 50%.

1.3 BATERÍA ELÉCTRICA

La clave del futuro del vehículo eléctrico es la batería recargable, a la que se ha dedicado un esfuerzo muy pequeño de investigación, en relación con otras tecnologías: la capacidad de almacenamiento se ha duplicado cada diez años, cifra que palidece ante el desarrollo de la informática u otras tecnologías. Sólo en los últimos años, con el desarrollo de la telefonía móvil se empezaron a realizar inversiones importantes, aceleradas con la prevista generalización del automóvil eléctrico a partir de 2012.

El coste de un vehículo eléctrico o de un híbrido enchufable depende de la batería en un porcentaje determinante. El tipo y la capacidad de la batería condicionan la velocidad máxima, la autonomía entre recargas, el tiempo de recarga y la duración de la batería. Los precios de las baterías se han reducido en los últimos años, y lo harán aún más a medida que aumente la demanda y se produzcan en grandes series.

A pesar de que las baterías eléctricas no son el objeto de este proyecto, para su realización hay que detenerse a analizar el estado en el que se encuentran, debido a su importancia en el vehículo eléctrico. Ahora mismo causan uno de los principales problemas que presenta el vehículo eléctrico,

y es que su autonomía no puede competir con la de un vehículo basado en combustible fósil, a lo que se une la inexistencia de la infraestructura necesaria para recargar gran cantidad de baterías eléctricas y la velocidad actual de dichas recargas, lo cual provoca que la población no vea el vehículo eléctrico como un medio de transporte que pueda competir con los vehículos basados en combustible fósil. El problema de la autonomía se debe a que la densidad de energía de las baterías eléctricas es mucho menor que la que pueden proporcionar combustibles como la gasolina o el gasóleo. Los 0,22 kWh/kg que pueden proporcionar la última generación de baterías de litio no son rivales todavía de los 13 kWh/kg que proporciona la gasolina.

Una vez se consiga que las baterías eléctricas doten al vehículo eléctrico de una gran autonomía, éste estará en condiciones de competir en el mercado, y se puede suponer que muchas personas adquirirán uno y se tendrán muchos vehículos eléctricos en circulación. Mirándolo desde el punto de vista de las redes V2G, este aspecto proporciona dos ventajas fundamentales:

• Se dispondrán de una gran cantidad de vehículos eléctricos en los que almacenar energía de la red para ser usada posteriormente.

• Dichas baterías empleadas para almacenar energía de la red serán cada vez mejores, capaces de almacenar más energía cada una de ellas, aumentando la cantidad global de energía que una red puede almacenar.

En cuanto a la infraestructura necesaria para atender las necesidades de la batería del vehículo eléctrico, es evidente que irá realizándose progresivamente a medida que aumente el número de vehículo eléctricos. Las posibilidades son muy variadas. Se podría cargar la batería conectándola a la red en el garaje de la residencia particular. Se podrían habilitar pequeñas estaciones de carga y descarga a la red en los centros de trabajo, dejando cargando o descargando a la red la batería mientras se lleva a cabo la labor profesional. Se podría crear una red de estaciones de carga eléctrica, conocidas como electrolineras, o habilitar lugares donde dejar el vehículo eléctrico para descargar a la red cuando sea conveniente. Otra posibilidad que se comenta es la opción de cambiar la batería descargada en la electrolinera por una previamente cambiada, cargándose luego la batería descargada para ponerla a disposición del próximo cliente, para lo que sería muy necesario un proceso de estandarización.

1.4 BATERÍAS Y MODOS DE CARGA

En este apartado se van a mostrar las tecnologías disponibles para las baterías actuales, así como las tecnologías con las que se espera conseguir en un futuro mejores baterías. Se realizará también un estudio comparativo de las tecnologías actuales para elegir el tipo de batería a emplear en el proyecto. Al final se mostrarán los distintos modos de carga de una batería de un vehículo eléctrico.

A. BATERÍAS ELÉCTRICAS ACTUALES

A continuación se exponen los diversos tipos de tecnologías de baterías eléctricas que se emplean en la actualidad:

• Plomo-ácido

• Níquel-cadmio

• Níquel-hidruro metálico

• Iones de litio

• Polímeros de litio.

• Baterías Zebra

PLOMO-ÁCIDO:

Las baterías de plomo-ácido son las más antiguas. Está constituida por dos electrodos de plomo, de manera que, cuando el aparato está descargado, se encuentra en forma de sulfato de plomo II incrustado en una matriz de plomo metálico; el electrolito es una disolución de ácido sulfúrico.

Tienen una baja relación entre la electricidad acumulada con el peso y el volumen. Ocupan mucho espacio y pesan mucho, pero tienen la ventaja de ser duraderas, de bajo coste y de fácil fabricación, y su tasa de reciclaje supera el 90%. Como ejemplo, para conseguir una autonomía de 50 km con una velocidad punta de 70 km/h se necesitan más de 400 kg de baterías de plomo-ácido, por lo que conseguir una batería de gran capacidad que pueda ser transportada por un vehículo parece inviable con esta tecnología. Se emplea en múltiples aplicaciones, como por ejemplo equipos hospitalarios o para alimentar luces de emergencia

Otro problema que presenta esta tecnología es que son baterías altamente contaminantes, debido a la presencia del plomo. Además, no admiten sobrecargas ni descargas a intensidades elevadas, ya que provocan una disminución drástica de su vida útil, por lo que su periodo de carga puede ser bastante largo, llegando a oscilar entre 8 y 10 horas. Por otro lado, presentan una tasa de autodescarga baja.

Sus características más importantes son, de forma orientativa:

• Densidad de energía: 40 Wh/kg

• Densidad de potencia: 180 W/kg

• Energía/volumen: 60-75 Wh/l

• Ciclos de carga y descarga: 500

• Eficiencia energética: 82,5 %

NÍQUEL-CADMIO:

Utilizan un cátodo de hidróxido de níquel y un ánodo de un compuesto de cadmio. El electrolito es de hidróxido de potasio. Admiten sobrecargas, y se pueden seguir cargando cuando ya no admiten más carga, aunque obviamente no la almacena. Además, admiten un gran rango de temperaturas de funcionamiento, funcionando bastante bien a temperaturas bajas, y tienen una gran duración (más de 1.500 recargas). Es una batería de bajo coste

Por otro lado, pese a estas ventajas, presenta diversos inconvenientes. Su densidad de energía es bastante baja, lo que hace que tengan poca capacidad. El cadmio es un metal pesado muy tóxico, por lo que han sido prohibidas por la Unión Europea. Estas baterías se ven afectadas por el efecto memoria, por el cual en cada recarga de la batería se limita el voltaje o la capacidad, reduciendo la capacidad de almacenar energía. Presentan una tasa de autodescarga relativamente alta, y para ser una batería eléctrica, su rendimiento es un poco bajo, alrededor del 70%.




• Energía/volumen: 50-150 Wh/l



NÍQUEL-HIDRURO METÁLICO:

Utilizan un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de una aleación de hidruro metálico. Estas baterías surgen de una evolución de las baterías de níquel-cadmio, en un intento de sustituir el cadmio, por lo que su impacto ambiental es muy inferior. Las baterías de níquel-hidruro metálico son capaces de almacenar alrededor de tres veces más energía a igualdad de peso que las baterías de níquel-cadmio. Además, se ven menos afectadas por el efecto memoria. Siguen siendo unas baterías relativamente baratas, pero son alrededor de un 20% más caras que la baterías de níquel-cadmio.

Sin embargo, son baterías que no admiten bien el frío extremo, reduciendo de forma drástica la potencia eficaz que pueden entregar. De igual modo que las baterías de níquel-cadmio, para ser una batería eléctrica tiene un rendimiento bajo, alrededor del 70 %. Presentan una tasa de autodescarga relativamente alta. Otro problema que presentan estas baterías es que aunque son capaces de descargar a intensidades moderadas, hacerlo reduce de forma pronunciada su vida útil.

Aunque este tipo de baterías se emplea mayoritariamente en satélites, el coche híbrido Toyota Prius lleva baterías de este tipo.

http://es.wikipedia.org/wiki/Cadmio



• Densidad de potencia: 500 - 1000 W/kg

• Energía/volumen: 140 - 300 Wh/l


• Eficiencia energética: 70 %

IONES DE LITIO:

Las baterías de iones de litio, también conocidas como litio-ion, utilizan un ánodo de grafito, un cátodo de óxido de cobalto, trifilina u óxido de manganeso y como electrolito una sal de litio que procura los iones necesarios para la reacción electroquímica reversible que tiene lugar entre el cátodo y el ánodo. Deben su desarrollo a la telefonía móvil y desde la primera comercialización a principios de los años 1990, su uso se ha popularizado en aparatos como teléfonos móviles, ordenadores portátiles, reproductores de MP3 y cámaras. Además, la generación de vehículos eléctricos híbridos o puros enchufables a la red que verá la luz en el mercado alrededor del 2012 llevan casi en su práctica totalidad baterías de iones de litio. Modelos como el Renault ZOE, Nissan Leaf, Audi R-8 o Ford Focus Electric llevan baterías de este tipo.

Estas baterías suponen una gran evolución respecto a las baterías anteriormente existentes. Presentan una gran densidad de energía, por lo que pueden acumular mucha carga con unas baterías de relativamente poco peso y que ocupan poco espacio. Además, carecen de efecto memoria y tienen una larga vida útil. Algunos fabricantes de este tipo de baterías muestran en sus baterías más experimentales datos de incluso unos 3.000 ciclos de carga y descarga con unas pérdidas de capacidad de un 20%, y presentan una tasa bastante baja de autodescarga.

En cuanto a su impacto ambiental, son baterías poco contaminantes, dado que lo que se utiliza no es litio metálico sino sales de litio, la cuales no tienen problemas de toxicidad. Sí puede haberlo con el óxido de cobalto empleado como material catódico, pero se está sustituyendo progresivamente por fosfato de litio y hierro u óxido de manganeso litiado.

Por otro lado, presentan problemas de sobrecalentamiento, pudiendo llegar a incendiarse o a explotar. No trabajan bien a temperaturas frías, teniendo peor rendimiento que las baterías de níquel-hidruro metálico y níquel-cadmio en estas condiciones, pudiendo llegar a acortar su vida útil un 25 %. Su coste actualmente es bastante elevado, aunque se espera que a medida que se perfeccione la tecnología se pueda abaratar. Por otro lado, existe una gran controversia sobre si habría litio suficiente para abastecer todas las baterías eléctricas que hicieran falta si el vehículo eléctrico se generalizase. Además, las mayores reservas de litio se encuentran en países como Bolivia, Chile o Argentina, los cuales las empresas consideran que pueden suponer un problema a la hora de extraerlo debido a condiciones geopolíticas.

Estas baterías están siendo constantemente mejoradas, actualmente son en las que más esperanzas se tiene a corto plazo para lograr unas baterías capaces de dotar al vehículo eléctrico de las mejores características posibles.




• Energía/volumen: 270 Wh/l



POLÍMEROS DE LITIO:

Son una variación de las baterías de iones de litio. Sus características son en general muy similares a éstas, pero permiten una mayor densidad de energía y una tasa de descarga superior y un diseño ultraligero. Sin embargo, presentan alta inestabilidad si se sobrecargan y si se descargan por debajo de cierto voltaje.

Es una tecnología similar a la de iones de litio, pero con una mayor densidad de energía, diseño ultraligero (muy útil para equipos ultraligeros) y una tasa de descarga superior. Entre sus desventajas está la alta inestabilidad de las baterías si se sobrecargan o si la descarga se produce por debajo de cierto voltaje.







ZEBRA:

Esta batería fue inventada en 1985 por el grupo Zeolite Battery Research Africa Project (ZEBRA), de ahí su nombre. Es un tipo de batería de sal fundida, que son baterías de alta temperatura de funcionamiento, que usan la sal fundida como electrolito. En el caso de las baterías Zebra, El electrodo negativo es sodio triturado. El electrodo positivo es níquel cuando está la batería

http://es.wikipedia.org/wiki/Electrolito

http://es.wikipedia.org/wiki/Bater%C3%ADa_de_iones_de_litio

descargada, y cloruro de níquel cuando está cargada, y utilizan como electrolito cloroaluminato de sodio triturado, que tiene un punto de fusión de 157 °C, y para mantener el electrolito de sal líquido, la batería requiere una temperatura de entre 270° y 350°C. Por este motivo estas baterías requieren aislamiento térmico. Otro problema asociado a la alta temperatura a la que deben encontrarse, es que solo para mantener la batería caliente se emplea alrededor de un 10% de la energía de la batería. Los autobuses eléctricos de la EMT en Madrid van equipados con baterías ZEBRA, al igual que el Renault Twingo Quickshift Electric o los primeros modelos de coches de la marca Think City, que fueron los primeros coches eléctricos puros que se comercializaron en España.

Es una batería con una alta densidad energética, aunque no llega a los niveles de las baterías de litio-ion o las de polímero de litio. Sin embargo, Los elementos primarios usados en la fabricación de la batería ZEBRA (sodio, cloro y aluminio) tienen una disponibilidad mundial y unas reservas totales mucho más grandes que los de las baterías de litio, por lo que no existe la controversia que se da en las baterías de litio sobre si habrá suficiente litio para atender toda la demanda. Por otro lado, estas baterías tienen una vida útil considerable.







Se expone a continuación una tabla resumen de los datos más importantes de las baterías vistas hasta ahora, con sus valores orientativos. Hay que hacer notar el carácter orientativo de dichos valores, dado que las baterías están en constante desarrollo tecnológico y existen gran variedad de modelos, cada uno con sus valores que en muchos casos no coincidirán con los aquí expuestos.

Tipo de baterías recargables

Energía/peso (Wh/kg)

Potencia/Peso (W/kg)

Energía/volumen (Wh/litro)

Número de ciclos

Eficiencia energética-%

Zebra (NaNiCl) 125 1800 300 1500 92,5

Polímero de litio 200 2600 270 1500 90,0

Iones de litio 160 2200 270 1500 90,0

Níquel-Hidruro Metálico (NiMH) 80 500-1.000 140-300 1350 70,0

http://es.wikipedia.org/wiki/Bater%C3%ADa_de_i%C3%B3n_de_litio

Níquel Cadmio (NiCd) 60 150 50-150 1350 72,5

Plomo-ácido 40 180 60-75 500 82,5

B. TECNOLOGÍAS EN DESARROLLO DE BATERÍAS ELÉCTRICAS

Dada la importancia de la batería eléctrica en el vehículo eléctrico y las miras hacia el futuro que tiene este proyecto, se interesante conocer no solo el presente, sino también el futuro de las baterías. Se han mostrado las tecnologías disponibles en la actualidad, pero es interesante también conocer lo que se espera conseguir en unos años respecto a baterías con mejores prestaciones. A continuación se comentan algunas de las nuevas tecnologías que se encuentran en desarrollo y las mejoras para la batería que se esperan conseguir con ellas:

• Zinc-aire

• Aluminio-aire

• Ultracondensadores

• Grafeno

ZINC-AIRE:

Las baterías de zinc-aire son baterías de la familia de baterías de metal-aire. Constan de un metal en el ánodo y como electrolíto una disolución de potasa; y el cátodo, en lugar de tener un compuesto químico oxidante, tiene una membrana en contacto con el aire que permite la difusión y reacción con el oxígeno de este. Ello da como resultado la formación de un hidróxido del metal y de la corriente eléctrica mientras aún quede metal en el ánodo. Al no necesitar un compuesto químico oxidante en el cuerpo de la batería, se reduce su volumen y peso con lo que aumenta su densidad energética de acumulación. Las baterías de zinc-aire han reemplazado por completo las baterías de mercurio en las prótesis de oído, y están en desarrollo modelos para crear baterías con esta tecnología que puedan servir para suministrar la energía a un vehículo eléctrico.

La principal ventaja de esta tecnología respecto a las actuales es que las baterías zinc-aire tienen una densidad energética de 370 Wh/kg, entre dos y tres veces mayor que las baterías actuales. El principal problema al que hay que hacer frente es que todavía no hay baterías zinc-aire que sean recargables, y las investigaciones en este campo van dirigidas a lograrla y de forma que pueda incluirse en un vehículo eléctrico.

Otra ventaja de esta tecnología es la gran cantidad de zinc que se produce. Ya se ha comentado antes los temores sobre que no exista litio suficiente para abastecer la demanda de baterías, pero con el zinc no existiría ese problema. Además, el zinc es más barato que el litio, y la tecnología zinc-aire es 100% reciclable. En teoría, serían superiores en todo a las baterías de litio.

ALUMINIO-AIRE:

También pertenecen a la familia de las baterías de metal-aire. Son baterías de muy poco peso y gran densidad de energía. En teoría son las baterías que más densidad de energía tienen dentro de la familia de las batería de metal-aire. La densidad energética de las baterías de aluminio ya alcanza los 1.300 Wh/kg, y se espera llegara a 2.000 Wh/kg, es decir, pueden llegar a almacenar entre diez y veinte veces más energía que las baterías de litio.

Presentan problemas de estabilidad y corrosión. Actualmente no tienen todavía aplicaciones comerciales, solo militares.

ULTRACONDENSADORES:

Son condensadores electroquímicos que tienen una densidad de energía inusualmente alta en comparación con los condensadores comunes, generalmente miles de veces mayor que un condensador electrolítico de alta capacidad. Estos dispositivos no requieren un dieléctrico, por lo que pueden fabricarse casi en cualquier tamaño, desde el de un sello, ideal para móviles, hasta grandes tamaños ideales para vehículos.

Actualmente se están empleando ultracondensadores que garantizan una alta densidad de potencia, pero su densidad de energía es muy baja, aunque se están haciendo avances en este aspecto. Los ultracondensadores actuales trabajan a una tensión de 2.5 V, pero se cree que con las nuevas cerámicas empleadas en su fabricación se puede alcanzar incluso los varios miles de voltios. Como la energía almacenada es proporcional al cuadrado de la tensión en los bornes, con este avance se conseguiría un incremento enorme de la capacidad de los ultracondensadores. Además Los ultracondensadores pueden cargarse y descargarse cientos de miles (incluso millones) de ciclos sin perder rendimiento, además, dichas cargas y descargas se producen a velocidades mayores que en las baterías, al no basarse en reacciones químicas

GRAFENO:

El grafeno consiste básicamente en una simple hoja de anillos de carbono puro de tan sólo un átomo de espesor, que se parece a una malla de gallinero. Esta modesta estructura ha captado la atención de los laboratorios de investigación más avanzados del mundo, donde ya se experimenta con el grafeno en una amplia variedad de aplicaciones: baterías para los vehículos eléctricos, chips de ordenador, dispositivos de comunicación, pantallas táctiles o acumuladores de energía. El grafeno tiene varias características muy atractivas. Sus electrones afrontan 100 veces menos resistencia de la que enfrentan los componentes de silicio, debido a que es tan delgado que puede considerarse un material bidimensional, por lo que construir dispositivos más pequeños y controlar el flujo de electricidad dentro de ellos es más fácil que con las alternativas tridimensionales como los transistores de silicio. Se cree que los ultracondensadores de grafeno podrían tener entre el doble o el triple de la capacidad de almacenamiento de los disponibles actuales.

C. FUTURO DE LAS BATERÍAS ELÉCTRICAS

Las baterías de litio y las Zebra han supuesto una gran evolución en las baterías eléctricas, dado que sus prestaciones son muy superiores a las baterías anteriores, logrando aumentar la capacidad de la batería (posiblemente la característica más importante en vistas al vehículo eléctrico) en gran medida. Pero lo cierto es que acaba de comenzar el desarrollo de baterías eléctricas pensadas para ir equipadas en un vehículo aportando la energía necesaria para éste. Existen infinidad de investigaciones en este campo y los resultados se ven día a día. Son frecuentes las noticias sobre avances en las baterías de litio, las cuales las más novedosas son muy superiores a las primeras que se fabricaron con dicha tecnología.

Como se acaba de mostrar, la tecnología del litio, la cual avanza día a día dando mejores resultados, podría quedarse incapaz de competir en prestaciones con otras tecnologías en desarrollo. Éstas serían capaces de crear una batería con una capacidad muy superior a la de cualquier batería de litio actual. Ello acabaría con uno de los principales problemas que tiene el vehículo eléctrico: la autonomía, la cual rara vez supera los 200 kilómetros en los modelos que se comercian actualmente.

Por poner un ejemplo, la empresa IBM ha anunciado que ha conseguido crear una batería que podría dar una autonomía de 800 kilómetros a un vehículo eléctrico. Parece evidente que en unos pocos años la barrera de la autonomía del vehículo eléctrico estará eliminada, haciendo mucho más apetecible la adquisición de un modelo eléctrico en detrimento de uno de combustible fósil, dotando a las redes V2G de un número considerable de vehículos eléctricos con baterías de gran capacidad de almacenamiento de las que disponer para almacenar la energía y disponer de ella cuando sea necesario.

D. ELECCIÓN DE BATERÍA PARA EL MODELO

Tras la descripción de los distintos tipos de batería eléctrica, se va a valorar lo que ofrece cada una de ellas y se decidirá una de ellas para ser modelada y usada en el proyecto cuando se estime oportuno. La elección se realizará únicamente entre los modelos de batería ya existentes, los mostrados en el apartado A.

Es evidente que las baterías de plomo-ácido, las de níquel-cadmio y las de níquel-hidruro metálico se encuentran en clara desventaja frente a las de litio y a las Zebra. La capacidad de almacenamiento de energía de estas tres es muy inferior frente a las otras, por lo que no es lógico considerar vehículos eléctricos puros con baterías de este tipo. Por tanto, habrá que decidir cuál se considera más adecuada para el proyecto de entre las baterías de litio-ion, polímero de litio o baterías Zebra.

A la vista de las especificaciones que se han expuesto sobre la batería Zebra, la única ventaja real de esta batería son los elementos de los que se compone (principalmente sodio, cloro y aluminio), ya que no se emplea el litio en su fabricación, y no se ve afectada por las dudas sobre si habrá suficientes reservas de litio en el planeta para abastecer la demanda debida a las baterías. Por otro lado, esta batería presenta ciertos problemas debido a la temperatura a la que debe mantenerse para

poder funcionar, y aunque presenta unas prestaciones cercanas a las baterías de litio, dichas prestaciones son algo inferiores. Por lo tanto se descarta la batería Zebra.

Las baterías de polímero de litio y las de litio-ion son bastante parecidas en cuanto a prestaciones. Pese a que las primeras nacen como una evolución de las segundas, lo cierto es que las mejoras no son grandes, y a cambio presentan algunos problemas que no tienen las baterías de litio-ion (los comentados de estabilidad). Además, la propia evolución de las baterías de litio-ion prácticamente las sitúa al mismo nivel.

Por otro lado, dado que una de las hipótesis principales de este proyecto es un horizonte futuro donde parte de la energía de la red se almacene en las baterías de los vehículos eléctricos, parece acertado modelar dicha batería con la tecnología que se emplea en las baterías de los vehículos eléctricos más recientes en el mercado, y ésta es la batería de litio-ion.

Por estos motivos, se elige la batería de litio-ion para este proyecto.

E. MODOS DE CARGA

La IEC (International Electrotechnical Commission) reconoce 4 modos de carga de las baterías de los vehículos eléctricos en la norma IEC 61851 “Sistema conductivo de carga para vehículos eléctricos”.

MODO 1 DE CARGA:

En este modo se realiza la conexión al lado de corriente alterna utilizando tomas de corriente normalizadas de hasta 16 A en el lado de alimentación monofásica (hasta 3,7 kW) o trifásica (hasta 11 kW). Se pueden utilizar los conductores de fase, neutro y conductor de toma de tierra de protección. Se debe asegurar la presencia de un dispositivo de corriente residual (DCR) en el lado de alimentación. Sin piloto de control. En algunos países como Estados Unidos el modo 1 de carga está prohibido, principalmente porque la instalación de puesta a tierra necesaria no se encuentra en muchas instalaciones domésticas

MODO 2 DE CARGA:

En este modo se realiza la conexión a la red de corriente alterna utilizando igualmente tomas de corriente normalizadas de hasta 32 A monofásicas (hasta 7,4 kW) o trifásicas (hasta 22 kW) utilizando fases, neutros y conductores de tierra de protección además de un cable con dispositivo electrónico intermedio, con función de DCR y de piloto de control entre el vehículo eléctrico y la clavija o la caja de control.

MODO 3 DE CARGA:

En este modo se conecta directamente el vehículo eléctrico a la red de corriente alterna utilizando una estación de recarga de uso exclusivo para el vehículo eléctrico, permanentemente conectada a la red de corriente alterna. La función de control la realiza la misma estación. Si la alimentación es de hasta 32 A monofásico (hasta 7,4 kW) o trifásico (hasta 22 kW).

MODO 4 DE CARGA:

En este modo se conecta directamente el vehículo eléctrico a la red de corriente alterna utilizando una estación de recarga de uso exclusivo para el vehículo eléctrico, permanentemente conectada a la red de corriente alterna. Se suministra la energía al vehículo eléctrico en corriente continua con un máximo de 400 A, con un convertidor AC/DC externo al vehículo.

La norma 62196 “Bases, clavijas, acopladores y entradas de vehículo. Carga conductiva de vehículos eléctricos” especifica un voltaje de 600 V, con una corriente máxima de 400 A, por lo que la potencia máxima a suministrar sería de 240 kW.

Este modo será el que se considerará en el proyecto, ya que se empleará un convertidor externo al vehículo eléctrico.

A continuación se muestra un gráfico resumen de los modos de carga.

Fig. 1: Gráfico resumen modos de carga

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

3 CONTROL

En este capítulo se presentarán los diversos mecanismos de control que se han incluido en el convertidor. Se incluye al final del capítulo la fig. 19 para facilitar el seguimiento de los mecanismos de control que se van a explicar a continuación. En ella no se incluye el convertidor DC/AC dado que no interviene en ninguno de los controladores.

3.1 CORRIENTE DE LA BATERÍA

Se ha establecido un proceso de control para la corriente que proporciona o recibe la batería. Para ello se han usado dos controladores proporcional-integral. Este tipo de controlador se basa en el error entre la señal de referencia, que es la que deseamos obtener, y la señal real que se produce. Las actuaciones del controlador parten de la existencia de este error. Para conseguir que la diferencia entre la referencia y la realidad sea mínima, se emplean constantes para modificar el valor del error de la medida tomada, de forma que las actuaciones del controlador sean más fuertes.

Como se puede observar en la fig. 15, existe una pareja de cada controlador. Un bloque de cada controlador constituyen el control para la carga de la batería y el otro bloque de cada controlador constituyen el control para la descarga. Concretamente, los bloques Controlador I descarga y Controlador eta_bot constituyen el control de la corriente que se descarga a la red. Los bloques Controlador I carga y Controlador eta_top constituyen el control de la corriente de carga de la batería

El primero de los controladores proporcional-integral controla la intensidad que sale o entra a la batería con la tensión en el lado de menor tensión del convertidor DC/DC bidireccional. Se mide la corriente con el amperímetro A1. Se pretende que dicha corriente sea igual a la corriente que deseamos que proporcione la batería o que llegue a la batería. Dicha corriente medida se lleva a los bloques Controlador I descarga y Controlador I carga, los cuales son ambos el primer controlador proporcional-integral. La salida de dicho controlador es la tensión que debe haber en el lado de menor tensión del DC/DC bidireccional, para que la batería proporcionase la corriente deseada o le llegase a la batería la corriente deseada.

El segundo de los controladores proporcional-integral controla la tensión en el lado de menor tensión del convertidor DC/DC bidireccional con el duty de los conmutadores. Al modificar el duty se modifica el valor de la tensión a la entrada del convertidor DC/DC bidireccional. Se mide la tensión en dicho punto con el voltímetro U6 y se lleva a los bloques Controlador eta_bot y Controlador eta_top, los cuales son ambos el segundo controlador proporcional-integral. Como referencia de tensión se emplea la salida del primer controlador proporcional-integral. Dicha salida es la tensión que se desea tener en ese punto para que circule la corriente deseada. Se pretende que la tensión medida con el voltímetro U6 sea igual a la que proporciona el primer controlador. Este segundo controlador nos proporciona a la salida el valor del duty necesario para ello. Dicho valor de duty se introduce en la Embedded Function Matlab como ya se comentó en el funcionamiento del modelo.

Cuando se desea que la batería se cargue, el valor de duty que usa el segundo controlador es el del duty especificado para el funcionamiento del convertidor DC/DC bidireccional como reductor de tensión. Dicho duty se llama eta_top en el modelo. Si la batería descarga energía, el duty que se emplea para controlar es eta_bot, el que corresponde al funcionamiento del convertidor DC/DC bidireccional como elevador de tensión.

El valor que los dutys pueden tomar se encuentra acotado superiormente en el segundo controlador. Se ha especificado de esta manera para evitar que se puedan tomar valores mayores que provocarían un rendimiento demasiado bajo del convertidor, como ya se comentó en el capítulo de diseño y modelo.

Por otro lado, cuando se introduce el valor de la corriente que se desea que proporcione la batería o que le llegue a esta, dicha señal se lleva también a la Embedded Matlab Function. Esto se hace para especificar al bloque que controla al convertidor DC/DC bidireccional si debe funcionar como elevador o reductor de tensión. Si la señal de intensidad es positiva, se considera que la corriente se descarga a la red, por tanto el convertidor DC/DC bidireccional funciona como elevador de tensión. Si la señal es negativa, se considera que la corriente fluye hacia la batería, por tanto el convertidor DC/DC bidireccional funciona como reductor de tensión.

3.2 CARGA MÁXIMA DE LA BATERÍA

Cuando el sistema se encuentra funcionando de forma que el flujo circule de la red a la batería, se necesita identificar el momento en el que la batería se ha cargado completamente. Cuando la batería se haya cargado completamente, es necesario algún mecanismo de control que se encargue de avisar que se debe de interrumpir el flujo de corriente hacia la batería. Esa función la realiza el bloque Carga y descarga máxima. Como observa en la fig. X, se toma de la batería una señal llamada SOC (state of charge), que representa el estado de carga de la batería, la cual es proporcionada por Simulink en tanto por ciento. Se divide dicha señal por 100 para disponer de ella en tanto por uno, y dicha señal se lleva al bloque Carga y descarga máxima.

En este bloque se especifica que cuando el estado de carga de la batería tenga un valor de 1, la señal I carga tenga un valor de 0. Dicha señal es la referencia de intensidad que le llega al primer controlador proporcional-integral. Por tanto, una vez se carga la al completo la batería, el sistema da la orden de llevar al 0 el valor de la corriente. Conviene aclarar que la señal de intensidad deseada, la que rige el funcionamiento del convertidor DC/DC bidireccional como elevador o reductor de tensión, conserva el valor que se le dio originalmente. De esta forma el convertidor DC/DC bidireccional sabe si debe funcionar como elevador o reductor de tensión.

En la fig. 20 se puede ver la evolución con el tiempo de la intensidad cuando el sistema detecta que la batería se ha cargado completamente. En la fig. 21 se presenta la evolución del estado de carga de la batería para dicho caso. En ambas figuras se puede apreciar lo comentado en este apartado.

Fig. 20: Corriente absorbida en carga máxima.

Fig. 21: Estado de carga en carga máxima.

3.3 CARGA MÍNIMA DE LA BATERÍA

Cuando el sistema se encuentra funcionando de forma que el flujo circule de la batería a la red, se necesita identificar el momento en el que la batería se ha descargado más de un cierto nivel a partir del cual no se desea que se siga descargando. Cuando la batería se haya descargado hasta llegar a dicho nivel de estado de carga, es necesario algún mecanismo de control que se encargue de avisar que se deje de extraer corriente de la batería. Dicho nivel de estado de carga se decide que sea del 5 %. Debido al gran descenso en la tensión de la batería que se produce cuando el nivel de carga es muy bajo, los controladores presentan algunos problemas para trabajar con la batería si ésta presenta un nivel de carga muy bajo.

Esta tarea la lleva a cabo el bloque Carga y descarga máxima. De forma análoga a la explicada en la sección 3.2, el bloque recibe la señal del estado de carga de la batería. Cuando dicha señal sea igual o menor a 0.05, la referencia de intensidad que recibe el primer controlador proporcional-integral será de 0. Por tanto, se ordena al sistema dejar de extraer corriente de la batería.

En la fig. 22 se puede ver la evolución con el tiempo de la intensidad cuando el sistema detecta que la batería se ha descargado lo suficiente y ha llegado al límite permitido. En la fig. 23 se presenta la evolución del estado de carga de la batería para dicho caso. En ambas figuras se puede apreciar lo comentado en este apartado.

Fig. 22: Corriente entregada en descarga máxima.

Fig. 23: Estado de carga en descarga máxima.

Fig. 19: Modelo para ver los controladores

4 SIMULACIONES

En este capítulo se van a mostrar las diferentes simulaciones a las que se han sometido los modelos explicados anteriormente, analizándose sus resultados. Mediante las sucesivas simulaciones se mostrarán las prestaciones del convertidor diseñado.

Se comenzará mostrando el funcionamiento del convertidor, tanto descargando energía a la red como cargando la batería. Con ello podremos ver si se ha logrado el objetivo de conseguir un convertidor que permita hacer ambas funciones.

4.1 DESCARGA DE ENERGÍA A LA RED

En este apartado se pretende mostrar el funcionamiento del convertidor cuando se le pide que descargue energía a la red.

A. DESCARGA A 500 A

Se le pide al convertidor que extraiga de la batería una intensidad de 500 A y la transfiera a la red. La batería se encuentra al 100 % de la carga. En las siguientes figuras se pueden ver, representadas todas frente al tiempo, la intensidad y la tensión de la batería, la intensidad que llega al convertidor DC/AC, y la tensión en el lado de alta del convertidor DC/DC bidireccional. También se muestra el estado de carga de la batería y la potencia extraída de la batería y la entregada al DC/AC.

Se muestran los diez primeros segundos de descarga, ya que en ellos se pueden observar el transitorio inicial y el comienzo de la evolución de la descarga. Debido a la complejidad del modelo se presentan problemas con el ordenador para realizar una simulación más larga. Sin embargo, se considera mucho más importante la parte inicial que la descarga completa de la batería, la cual no es objetivo el mostrarla.

Fig. 24: Descarga a 500 A. Tensión de la batería

Como puede observarse en la fig. 24 y era de esperar, la tensión en bornes de la batería va disminuyendo a medida que se descarga la batería. El pequeño repunte de tensión que se observa se debe al momento en el que empieza a actuar el controlador.

Fig. 25: Descarga a 500 A. Intensidad de la batería

Se observa en la fig. 25 que la intensidad crece hasta que comienza a actuar el controlador, con el que se obtiene la deseada intensidad de 500 A.

Fig. 26: Descarga a 500 A. Estado de carga de la batería

Como puede verse en la fig. 26, el estado de carga de la batería disminuye a medida que va descargando energía a la red. Durante 10 segundos descargando a 500A, la batería del modelo se ha descargado ya un 1.5%.

Fig. 27: Descarga a 500 A. Tensión en el lado de alta del DC/DC

Como puede verse en la fig. 27, las tensiones en el lado de alta del DC/DC se mantienen entre unos 788 V y 810 V tras el transitorio con un pico ligeramente superior. Estos valores de tensiones se mantienen dentro de un rango razonable.

Fig. 28: Descarga a 500 A. Intensidad que llega al DC/AC

En la fig. 28 se ve la intensidad que le llega al DC/AC. Hay que recordar que el nivel de tensión es de 800 V. Se observa una pequeña pendiente negativa debido a que el controlador mantiene constante la intensidad que sale de la batería. Al ir descargándose la batería, la tensión de ésta es menor, por lo que para mantener constante la intensidad, se debe ir aumentando el duty, lo que provoca un pequeño aumento de las pérdidas en el convertidor.

Se observa en dicha figura que cuando la batería aporta 500 A en el lado de baja tensión del DC/DC, en el lado de alta se obtienen tras el transitorio unas intensidades del orden de unos 180 A iniciales, que van decayendo lentamente.

Fig. 29: Descarga a 500 A. Potencia extraída de la batería y transmitida al DC/AC

En la fig. 29 podemos ver la potencia extraída de la batería (rojo) y la potencia que el convertidor DC/DC es capaz de transferir al DC/AC (azul). En este caso, descargando a 500 A, se observa que la potencia que se hace llegar al DC/AC es de algo menos de 150 kW. De la batería se extrae alrededor de unos 160 kW. La diferencia entre ambos valores se debe a las pérdidas en el convertidor.

De forma análoga a la comentada en la intensidad, la potencia que se entrega a la red va reduciéndose a medida que se va descargando la batería.

B. DESCARGA A 100 A

Se le pide al convertidor que extraiga de la batería una intensidad de 100 A y la transfiera a la red. En las siguientes figuras se pueden ver, representadas todas frente al tiempo, la intensidad y la tensión de la batería, la intensidad que llega al convertidor DC/AC, y la tensión en el lado de alta del convertidor DC/DC bidireccional. También se muestra el estado de carga de la batería y la potencia extraída de la batería y la entregada al DC/AC.

Fig. 30: Descarga a 100 A. Tensión de la batería

Como puede observarse en la fig. 30, la tensión en bornes de la batería va disminuyendo a medida que se descarga la batería. Nuevamente, el repunte de tensión que se observa se debe al momento en el que empieza a actuar el controlador. Dado que se descarga esta vez a una intensidad menor, la batería se descarga más lentamente. Podemos ver que debido a ello la tensión de la batería tarda más en decaer.

Fig. 31: Descarga a 100 A. Intensidad de la batería

Fig. 32: Descarga a 100 A. Estado de carga de la batería

Se puede observar en la fig. 31 la actuación del controlador para llevar la intensidad a 100 A. Si se compara con la figura de 500 A, se puede ver que para 100 A el sistema responde de una forma más lenta. Esto se debe a que los condensadores del filtro están diseñados para intensidades mayores, dado que queremos transmitir la mayor cantidad de energía posible a la red. Si se desea transmitir una cantidad pequeña, los condensadores serían demasiado grandes para las intensidades que circularían, provocando una respuesta más lenta.

En la fig. 32 del estado de carga se puede observar como la batería modelada se descarga apenas un 0.3 % en unos 10 segundos.

Fig. 33: Descarga a 100 A. Tensión en el lado de alta del DC/DC

Como puede verse en la fig. 33, las tensiones en el lado de alta del DC/DC se mantienen entre unos 797 V y algo menos de 803 V tras el transitorio con un pico ligeramente superior. Estos valores de tensiones se mantienen dentro de un rango razonable.

Fig. 34: Descarga a 100 A. Intensidad que llega al DC/AC

En la fig. 34 se ve la intensidad que le llega al DC/AC. Hay que recordar que el nivel de tensión es de 800 V. A diferencia de cuando se descargaba a 500 A, esta vez la intensidad no presenta la pequeña pendiente negativa que se observaba. Esto se debe a que la descarga a 100 A no es tan exigente para la batería, la cual se descarga mucho más lentamente, disminuyendo su tensión de la misma manera. Ello hace que el controlador no deba cambiar tan rápidamente el duty. Realmente la pendiente negativa existe también para 100 A, pero es imperceptible debido a la variación más lenta que el controlador hace del duty.

Se observa también el efecto de la lentitud en la respuesta comentado con anterioridad debido al dimensionado de los condensadores del filtro. Este problema podría arreglarse si se añaden condensadores de menor capacidad junto con interruptores, de forma que se empleen esos condensadores cuando se desee que circulen intensidades más bajas.

Fig. 35: Descarga a 100 A. Potencia extraída de la batería y transmitida al DC/AC

En la fig. 35 podemos ver la potencia extraída de la batería (rojo) y la potencia que el convertidor DC/DC es capaz de transferir al DC/AC (azul). En este caso, descargando a 100 A, se observa que la potencia que se hace llegar al DC/AC es de algo más de 30 kW. De la batería se extrae alrededor de unos 35 kW. La diferencia entre ambos valores se debe a las pérdidas en el convertidor.

De forma análoga a la comentada en la intensidad, la potencia que se entrega a la red varía de forma mucho más lenta que cuando se descarga a 500 A, manteniéndose prácticamente constante hasta que la batería se haya descargado lo suficiente como para variar demasiado su tensión y provocar que el controlador aumente el duty más rápidamente.

C. LÍMITE DE DESCARGA DE LA BATERÍA

En esta sección se va a mostrar la simulación realizada para ver el control que se realiza sobre la batería cuando ésta está descargando a la red y se encuentra ya muy descargada. Como se explicó en el capítulo de control, cuando la batería llega al 5 % de su capacidad, se ordena al sistema que deje de extraer energía de la batería.

Fig. 36: Límite de descarga. Intensidad de la batería

Fig. 37: Límite de descarga. Estado de carga de la batería

En las dos figuras anteriores (fig. 36 y fig. 37) se observa este efecto. Cuando el estado de la carga de la batería llega al 5%, se ordena al sistema que deje de extraer corriente de la batería. En la figura que muestra la evolución de la corriente, se observa que cuando el estado de carga llega al 5%, la batería pasa de dar los 300 A que está entregando a dejar de entregar corriente en unos pocos segundos.

D. OBSERVACIONES

Realizando simulaciones con el modelo descargando a la red, se puede afirmar que el modelo propuesto es capaz de entregar energía de la batería a la red. De dichas simulaciones se puede afirmar lo siguiente:

Para intensidades más pequeñas, como lo mostrado en las simulaciones para 100 A, se tiene que la respuesta del sistema es algo más lenta. Esto se debe a que para corriente pequeñas los condensadores están sobredimensionados, provocando una respuesta más lenta del sistema. Se podría evitar este efecto añadiendo condensadores más pequeños que se emplearan cuando se desea descargar poca potencia a la red.

La mayor intensidad que se ha podido extraer de la batería y transferir con el convertidor ha sido de 700 A. Debido a la batería empleada para el proyecto, se ha podido mantener dicha corriente poco más de 20 segundos. Cuando en el futuro se dispongan de baterías más apropiadas, se podría mantener dicha intensidad durante todo el tiempo que la batería fuese capaz de aguantar. El convertidor es capaz de transferir esa corriente a la red. La potencia correspondiente se muestra en la fig 38.

Fig. 38: Descarga a 700 A. Potencias

Como se puede ver, la potencia entregada al DC/AC es alrededor de unos 190 kW tras el transitorio, reduciéndose a medida que se descarga la batería. La potencia que se toma de la batería es de unos 220 kW inicialmente. De disponer de una batería mejor, el convertidor podría transmitir los 190 kW durante el máximo de tiempo posible que permitiese la batería, o se podrían emplear varias baterías de las que extraer dicha potencia. De igual modo, se podrían emplear varios convertidores conectados a las baterías suficientes (por ejemplo en un parking de coches eléctricos) para descargar a la red una potencia mucho mayor durante un tiempo prolongado.

Nuevamente, la diferencia entre los valores de la potencia que entrega la batería y la que se entrega al DC/AC se debe a las pérdida que se producen en el convertidor.

4.2 CARGA DE BATERÍAS

En este apartado se pretende mostrar el funcionamiento del convertidor cuando se pretende cargar la batería.

A. CARGA A 500 A

En esta sección se mostrará el comportamiento del convertidor cuando se le pide cargar la batería a 500 A. La batería se encuentra inicialmente al 50 % de carga. En las siguientes figuras se pueden ver, representadas todas frente al tiempo, la intensidad y la tensión de la batería, la intensidad que llega del convertidor DC/AC, y la tensión en el lado de alta del convertidor DC/DC bidireccional. También se muestra el estado de carga de la batería y la potencia entregada a la batería y la entregada por el DC/AC.

Se muestran los diez primeros segundos de carga, ya que en ellos se pueden observar el transitorio inicial y el comienzo de la evolución de la carga. Debido a la complejidad del modelo se presentan problemas con el ordenador para realizar una simulación más larga. Sin embargo, se considera mucho más importante la parte inicial que la carga completa de la batería, la cual no es objetivo el mostrarla.

Fig. 39: Carga a 500 A. Tensión de la batería

Como puede verse en la fig. 39, la tensión de la batería comienza a aumentar una vez actúa el controlador. Como se está cargando la batería, y por tanto aumentando su estado de carga, aumenta la tensión de la batería.

Fig. 40: Carga a 500 A. Intensidad de la batería

Fig. 41: Carga a 500 A. Estado de carga de la batería

En las dos figuras anteriores (fig. 40 y fig. 41) podemos ver como la batería comienza a cargarse. Una vez actúa el controlador, la batería se carga a la intensidad deseada. El controlador tarda aproximadamente 1.5-2s en situar la corriente en 500 A. Como se puede observar en la gráfica del estado de carga, la batería se va cargando de forma lineal, una vez vez se fija la intensidad. En unos 10s se ha cargado aproximadamente un 1.5% al cargarse a 500 A.

Hay que comentar que la intensidad en dirección hacia la batería se ha tomado con el signo negativo, por ello en las gráficas se observa la intensidad en signo negativo.

La pequeña discontinuidad que se aprecia en la gráfica de la intensidad y de la tensión al poco tiempo se debe al momento en el que el controlador comienza a actuar.

Fig. 42: Carga a 500 A. Tensión en el lado de alta del DC/DC

En la fig. 42 se presenta la tensión en el lado de alta tensión del DC/DC. Se pueden apreciar que tras el transitorio la tensión se mueve en unos valores entre 790-810 V. Durante el transitorio se observan unos picos mayores, incluso uno de un poco más de 900 V. El convertidor debe estar preparado para soportar ese pico.

A continuación se presenta la fig. 43. En ella se ve la intensidad que entrega el DC/AC. Se observa que para cargar la batería a 500 A, se absorbe de la red una intensidad de unos 250 A (nivel de tensión 800 V). Se observa un pequeño transitorio en el que incluso se llega a enviar energía a la red.

Fig. 43: Carga a 500 A. Intensidad que entrega el DC/AC

Fig. 44: Carga a 500 A. Potencia entregada a la batería y entregada por el DC/AC

En la fig. 44 se puede observar la evolución respecto al tiempo de la potencia entregada a la batería (rojo) y de la potencia entregada por el DC/AC (azul), que evidentemente es la entregada por la red. La diferencia entre ambas se debe las pérdidas que se producen en el convertidor. Se puede observar que para cargar la batería a 500 A se necesitan unos 170 kW, para lo que se ha tomado de la red una

cantidad aproximada de 200 kW. Se observa un pequeña pendiente negativa en las gráficas (que en valor absoluto sería positiva). A medida que se carga la batería, ésta va subiendo su tensión. El controlador mantiene constante la corriente que le entra a la batería. Por tanto la potencia que se necesita para cargar la batería va aumentando al aumentar la tensión. Y esa potencia la tiene que ceder la red, de ahí que en ambas gráficas se observe un pequeño aumento de la potencia con el tiempo.

B. CARGA A 100 A

En esta sección se mostrará el comportamiento del convertidor cuando se le pide cargar la batería a 100 A. La batería se encuentra inicialmente al 50 % de carga. En las siguientes figuras se pueden ver, representadas todas frente al tiempo, la intensidad y la tensión de la batería, la intensidad que llega del convertidor DC/AC, y la tensión en el lado de alta del convertidor DC/DC bidireccional. También se muestra el estado de carga de la batería y la potencia entregada a la batería y la entregada por el DC/AC.

Fig. 45: Carga a 100 A. Tensión de la batería

Como puede verse en la fig. 45, la tensión de la batería comienza a aumentar una vez actúa el controlador. Como se está cargando la batería, y por tanto aumentando su estado de carga, aumenta la tensión de la batería. Se aprecia un aumento menor de la tensión que cuando se carga a 500 A, dado que la carga es más lenta en este caso y el nivel de carga aumenta con más lentitud.

Fig. 46: Carga a 100 A. Intensidad de la batería

Fig. 47: Carga a 100 A. Estado de carga de la batería

En las dos figuras anteriores (fig. 46 y fig. 47) podemos ver como la batería comienza a cargarse. El controlador tarda unos 5s en llevar la corriente a los 100 A deseados. Análogamente a lo ocurrido cuando se descargaba la batería, el sistema responde de forma lenta a intensidades más bajas. Esto se debe a que los condensadores del filtro están diseñados para intensidades mayores, lo que provoca una respuesta más lenta frente a intensidades más pequeñas.

En la fig. 47 se observa como la batería comienza a cargarse, cargándose alrededor de un 0.3% durante 10s con una corriente de 100 A.

La pequeña discontinuidad que se aprecia en la figura de la intensidad y de la tensión al poco tiempo se debe al momento en el que el controlador comienza a actuar.

Fig. 48: Carga a 100 A. Tensión en el lado de alta del DC/DC

En la fig. 48 se presenta la tensión en el lado de alta tensión del DC/DC. Se pueden apreciar que tras el transitorio la tensión se mueve en unos valores entre 797-803 V. Durante el transitorio se observan unos picos mayores, incluso uno de un poco más de 900 V. El convertidor debe estar preparado para soportar ese pico.

A continuación se presenta la figura de la intensidad que entrega el DC/AC, la fig. 49. Se observa que para cargar la batería a 100 A, se absorbe de la red una intensidad de unos 50 A (nivel de tensión 800 V). Se observa la lentitud en la respuesta comentada con anterioridad.

Fig. 49: Carga a 100 A. Intensidad que entrega el DC/AC

Fig. 50: Carga a 100 A. Potencia entregada a la batería y entregada por el DC/AC

En la fig. 50 se puede observar la evolución respecto al tiempo de la potencia entregada a la batería (rojo) y de la potencia entregada por el DC/AC (azul), que evidentemente es la entregada por la red. La diferencia entre ambas se debe las pérdidas que se producen en el convertidor. Se puede observar que para cargar la batería a 100 A se necesitan unos 32 kW, para lo que se ha tomado de la red una cantidad aproximada de 35 kW. Se aprecia una pequeña mejoría en el rendimiento del convertidor cuando se carga a intensidades más pequeñas.

Dado que la carga se produce más lentamente, la tensión de la batería aumenta más lentamente. En este caso aún no se aprecia el efecto comentado con anterioridad. La corriente absorbida de la red aumentará poco a poco a medida que se necesite más potencia para cargar la batería debido al incremento de tensión de ésta.

C. LÍMITE DE CARGA DE LA BATERÍA

En esta sección se va a mostrar la simulación realizada para ver el control que se realiza sobre la batería cuando ésta está cargándose y acaba de cargarse completamente. Como se explicó en el capítulo de control, cuando la batería llega al 100 % de su capacidad, se ordena al sistema que deje de cargar la batería.

Fig. 51: Límite de carga. Intensidad de la batería.

Fig. 52: Límite de carga. Estado de carga de la batería

Se puede ver el efecto explicado en las dos figuras expuestas (fig. 51 y fig. 52). Se tiene una batería cargándose a cerca de 500 A. En el momento en el que la batería se carga por completo y el estado de carga es del 100%, el sistema ordena que se deje de cargar la batería. En la gráfica se puede apreciar como tras recibir la señal, el sistema lleva la corriente que va hacia la batería a cero en cuestión de segundos.

D. OBSERVACIONES

Realizando simulaciones con el modelo cargando la batería, se puede afirmar que el modelo propuesto es capaz de absorber energía de la red y enviarla a la batería. De dichas simulaciones se puede afirmar lo siguiente:

De forma análoga a lo ocurrido descargando a la red, para intensidades más pequeñas, como lo mostrado en las simulaciones para 100 A, se tiene que la respuesta del sistema es algo más lenta.

Anteriormente se habló sobre la normativa de modos de carga. Se habló del modo 4 de carga, en el que se enviaba la energía a la batería a través de corriente continua, por medio de convertidores DC/AC externos al vehículo. En dicha normativa se especificaban 600 V de tensión en el lado de mayor tensión, y un máximo de 400 A de corriente. Esto es, tomar 240 kW de potencia de la red para cargar la batería.

El convertidor diseñado es capaz de cargar la batería a una intensidad de hasta 900 A. La fig. 53 muestra frente al tiempo la potencia entregada a la batería y la potencia entregada por el DC/AC en el caso en el que se quiere cargar la batería a 900 A. Como puede observarse, la potencia tomada de la red es de unos 380 kW, que supera los 240 kW máximos según la norma. Es decir, que el convertidor diseñado es capaz de aportar incluso más potencia en la carga que la máxima permitida por la normativa actual. Si se estima que los 240 kW de la norma se desean tener en la batería y no en el lado de mayor tensión del DC/DC, se tienen unos 320 kW que llegan a la batería. Dicha cantidad supera lo máximo permitido por la normativa actual.

Es decir, el convertidor diseñado es capaz de aportar la potencia permitida por la normativa actual, e incluso puede aportar algo más si se estimase necesario en un futuro.

Fig. 53: Carga a 900 A. Potencias

4.3 FUNCIONAMIENTO DESCARGA – CARGA

En este apartado se va a mostrar el comportamiento del convertidor cuando se le pide pasar de descargar energía a la red a cargar la batería. A continuación se muestra una simulación donde inicialmente se pide al convertidor que comience a descargar la batería a 500 A, la cual se encuentra a un 85% de capacidad. A los cinco segundos se ordena que debe cambiar su modo de funcionamiento y comience a cargar la batería a 500 A.

En las siguientes figuras se pueden ver, representadas todas frente al tiempo, la intensidad y la tensión de la batería, la intensidad que llega o aporta el convertidor DC/AC, y la tensión en el lado de alta del convertidor DC/DC bidireccional. También se muestra el estado de carga de la batería y la potencia que se extrae o entrega a la batería, y la que se entrega al DC/AC o la que éste entrega, según el caso.

Fig. 54: Descarga - Carga. Tensión de la batería

En la fig. 54 se puede ver la evolución de la tensión de la batería frente al tiempo. Se observa la caída de tensión que origina en la batería la descarga de ésta, y como en el segundo cinco comienza a cargarse. Entonces podemos ver como la tensión de la batería aumenta al estar cargándose.

Fig. 55: Descarga – Carga. Intensidad de la batería

Fig. 56: Descarga – Carga. Estado de carga de la batería

En las dos figuras anteriores (fig. 55 y fig. 56) se puede ver la evolución de la intensidad de la batería y del estado de carga de la misma. Se observa como al principio el controlador actúa llevando a la batería a descargar a los 500 A que se le ha especificado. A los cinco segundos recibe la orden de comenzar a cargar la batería a 500 A, lo cual se consigue en un tiempo de poco más de un segundo. Por lo que aproximadamente en un tiempo de un segundo se ha invertido el funcionamiento del convertidor de descarga a carga.

Respecto al estado de carga, se puede observar que efectivamente la batería comienza a descargarse durante los primeros cinco segundos. A partir de entonces comienza a cargarse tal como se deseaba.

Fig. 57: Descarga – Carga. Tensión en el lado de alta del DC/DC

En la fig. 57 se presenta la tensión en el lado de alta del DC/DC. Como se puede observar, una vez trascurridos los transitorios, la tensión se mantiene dentro de unos rangos razonables, muy cercana a los 800 V. No obstante, hay que comentar que en el instante en el que se pide al convertidor que varíe su modo de funcionamiento, se observa un pico de tensión bastante apreciable. En dicho pico la tensión llega a variar entre 500 V y 1000 V, por cual debe ser tenido en cuenta a la hora de elegir los IGBTs a utilizar en el convertidor, los cuales deben soportar estos picos.

A continuación se presenta la fig. 58. En ella se puede ver la intensidad que llega al DC/AC o que éste proporciona al DC/DC, según el caso. Hay que recordar que el nivel de tensión es de 800 V. Para cargar la batería a 500 A, se toma de la red una intensidad de unos 250 A. Si se descarga la batería a 500 A, se observa que se entrega a la red una intensidad de aproximadamente unos 180 A. Se observa que cuando se le pide al convertidor que varíe su funcionamiento, se presenta un transitorio donde se producen unos picos de intensidad que el sistema debe soportar.

Fig. 58: Descarga – Carga. Intensidad en DC/AC

Fig. 59: Descarga – Carga. Potencias

La fig. 59 corresponde a la potencia extraída o entregada a la batería, y a la potencia que se entrega al DC/AC o la entregada por éste, según el caso. Como se observa en la figura, efectivamente se consigue lo pretendido, pasar de entregar potencia de la batería a la red, a entregar potencia de la red a la batería para que ésta se cargue. Dicho cambio se produce en un tiempo de poco más de un segundo para cargar o descargar a 500 A. Dicho tiempo se mantiene prácticamente igual para cualquier intensidad, salvo que se empleen intensidades muy bajas (como los casos presentados de 100 A donde ya se habló de la lentitud de la respuesta) o cercanas al máximo que el convertidor soporta (700 A para descarga, 900 A para carga). Se observa un pico de potencia en el transitorio que el sistema debe estar preparado para soportar. La diferencia existente entre las dos gráficas corresponde a las pérdidas que se producen en el convertidor.

4.4 FUNCIONAMIENTO CARGA – DESCARGA

En este apartado se va a mostrar el comportamiento del convertidor cuando está cargando la batería y se le pide que pase a descargar energía de ésta a la red. A continuación se muestra una simulación donde inicialmente se pide al convertidor que comience a cargar la batería a 500 A, la cual se encuentra a un 85% de capacidad. A los cinco segundos se ordena que debe cambiar su modo de funcionamiento y comience a descargar la batería a 500 A.

En las siguientes figuras se pueden ver, representadas todas frente al tiempo, la intensidad y la tensión de la batería, la intensidad que llega o aporta el convertidor DC/AC, y la tensión en el lado de alta del convertidor DC/DC bidireccional. También se muestra el estado de carga de la batería y la potencia que se extrae o entrega a la batería, y la que se entrega al DC/AC o la que éste entrega, según el caso.

Fig. 60: Carga – Descarga. Tensión de la batería

En la fig. 60 se puede ver la evolución de la tensión de la batería frente al tiempo. Se observa como la tensión de la batería aumenta a medida que se va cargando. A los cinco segundos se le pide que comience a descargarse. Una vez descargándose, se observa como la tensión de la batería va decayendo a medida que se descarga, como era de esperar.

Fig. 61: Carga – Descarga. Intensidad de la batería

Fig. 62: Carga – Descarga. Estado de carga de la batería

En las dos figuras anteriores (fig. 61 y fig. 62) se puede ver la evolución de la intensidad de la batería y del estado de carga de la misma. Se observa como al principio el controlador actúa llevando a la batería a descargarse a los 500 A que se le ha especificado. A los cinco segundos recibe la orden de comenzar a cargar la batería a 500 A, lo cual se consigue en un tiempo de aproximadamente un segundo (ligeramente más rápido que cuando se pasa de descarga a carga). Por lo que aproximadamente en un tiempo de un segundo se ha invertido el funcionamiento del convertidor de carga a descarga.

Respecto al estado de carga, se puede observar que efectivamente la batería comienza a cargarse durante los primeros cinco segundos. A partir de entonces comienza a descargarse tal como se deseaba.

Fig. 63: Carga – Descarga. Tensión en el lado de alta del DC/DC

En la fig. 63 se presenta la tensión en el lado de alta del DC/DC. Como se puede observar, una vez trascurridos los transitorios, la tensión se mantiene dentro de unos rangos razonables, muy cercana a los 800 V. No obstante, hay que comentar que en el instante en el que se pide al convertidor que varíe su modo de funcionamiento, se observa un pico de tensión bastante apreciable. En dicho pico la tensión llega a variar entre algo menos de 650 V y algo más de 950 V, por cual debe ser tenido en cuenta a la hora de elegir los IGBTs a utilizar en el convertidor, los cuales deben soportar estos picos. Hay que comentar que en el caso de carga – descarga, el pico de tensión es menor que en el caso de descarga – carga.

A continuación se presenta la fig. 64. En ella se ve la intensidad que llega al DC/AC o que éste proporciona al DC/DC, según el caso. Hay que recordar que el nivel de tensión es de 800 V. Si se descarga la batería a 500 A, se observa que se entrega a la red una intensidad de aproximadamente unos 180 A. Para cargar la batería a 500 A, se toma de la red una intensidad de unos 250 A Se observa que cuando se le pide al convertidor que varíe su funcionamiento, se presenta un transitorio donde se producen unos picos de intensidad que el sistema debe soportar. Como se puede apreciar en la figura, estos picos son mucho menores que en el caso de descarga – carga.

Fig. 64: Carga – Descarga. Intensidad en DC/AC

Fig. 65: Carga – Descarga. Potencias

La fig. 65 corresponde a la potencia extraída o entregada a la batería, y a la potencia que se entrega al DC/AC o la entregada por éste, según el caso. Como se observa en la figura, efectivamente se consigue lo pretendido, pasar de entregar potencia de red a la batería, a entregar potencia de la batería a la red. Dicho cambio se produce en un tiempo de aproximadamente un segundo para cargar o descargar a 500 A. Dicho tiempo se mantiene prácticamente igual para cualquier intensidad, salvo que se empleen intensidades muy bajas (como los casos presentados de 100 A donde ya se habló de la lentitud de la respuesta) o cercanas al máximo que el convertidor soporta (700 A para descarga, 900 A para carga). En este caso, en el transitorio se produce un pico de potencia muy pequeño, a diferencia de cuando se pasa de descarga a carga, donde los picos son bastante mayores. La diferencia existente entre las dos gráficas corresponde a las pérdidas que se producen en el convertidor.

4.5 ARRANQUE DE MOTOR

En este apartado se va a mostrar las simulaciones realizadas para observar la influencia del convertidor cuando se ayuda con uno al arranque de un motor eléctrico en una red de baja tensión.

A. SIN APOYO DEL CONVERTIDOR

Se presenta a continuación en las figuras, la evolución frente al tiempo de la potencia activa y reactiva que demanda el motor a la red cuando éste se arranca. También se presenta la evolución de la tensión de la red frente al tiempo. En este caso no se aporta nada con el convertidor, no hay compensación.

Fig. 66: Arranque de motor. Potencia activa demandada por el motor

Fig. 67: Arranque de motor. Potencia reactiva demandada por el motor

Fig. 68: Arranque de motor. Tensión de la red

Como se puede observar en las figuras (fig. 66, fig. 67 y fig. 68), el motor se inicia tras transcurr un tiempo de un segundo. Se puede ver como en el arranque absorbe mucha más potencia activa y reactiva de la que necesitará una vez arrancado, lo cual ocurre ya a partir de poco después 2.5 segundos. La tensión de la red decae en el arranque, llegando a rozar los 350 V, habiendo caído por tanto unos 50 V, lo cual es demasiado.

B. COMPENSACIÓN DE P

En este caso el convertidor solo aporta potencia activa en el momento del arranque del motor. Se presenta a continuación en las figuras, la evolución frente al tiempo de la potencia activa y reactiva que demanda el motor a la red cuando éste se arranca y la potencia activa que aporta el convertidor. También se presenta la evolución de la tensión de la red frente al tiempo.

Fig. 69: Compensación P. Potencias activas

Como se puede observar en la fig. 69, al iniciarse el arranque del motor en el primer segundo, el convertidor aporta potencia activa. El convertidor aporta casi toda la potencia activa que el motor necesita para arrancar. Una vez arrancado el motor, el convertidor deja de aportar potencia activa y el motor absorbe de la red la potencia que necesite para funcionar. Con ello se consigue que la red no tenga que aportar la potencia necesaria para el arranque del motor y por tanto no provoque una caída de la tensión de la red, o de haberla, será en menor medida.

Fig. 70: Compensación P. Potencia reactiva demandada por el motor

Fig. 71: Compensación P. Tensión de la red

Como se puede observar en la fig. 71, la tensión de la red no ha caído tanto como cuando el convertidor no compensaba. Durante el arranque del motor, la tensión de la red se ha mantenido prácticamente constante, siendo ligeramente inferior a 380 V.

C. COMPENSACIÓN DE Q

En este caso el convertidor solo aporta potencia reactiva en el momento del arranque del motor. Se presenta a continuación en las figuras, la evolución frente al tiempo de la potencia activa y reactiva que demanda el motor a la red cuando éste se arranca y la potencia activa que aporta el convertidor. También se presenta la evolución de la tensión de la red frente al tiempo.

Fig. 72: Compensación Q. Potencias reactivas

Como se puede observar en la fig. 72, al iniciarse el arranque del motor en el primer segundo, el convertidor aporta potencia reactiva. El convertidor aporta casi toda la potencia reactiva que el motor necesita para arrancar. Una vez arrancado el motor, el convertidor deja de aportar potencia reactiva y el motor absorbe de la red la potencia que necesite para funcionar. Con ello se consigue que la red no tenga que aportar la potencia necesaria para el arranque del motor y por tanto no provoque una caída de la tensión de la red, o de haberla, será en menor medida.

Fig. 73: Compensación Q. Potencia activa demandada por el motor

Fig. 74: Compensación Q. Tensión de la red

Como se puede observar en la fig. 74, la tensión de la red no ha caído tanto como cuando el convertidor no compensaba. Durante el arranque del motor, la tensión se ha mantenido entre valores cercanos a 370 y 380 V. Los resultados son algo peores que cuando se compensaba sólo con potencia activa.

D. COMPENSACIÓN DE P y Q

En este caso el convertidor aporta potencia activa y reactiva en el momento del arranque del motor. Se presenta a continuación en las figuras, la evolución frente al tiempo de la potencia activa y reactiva que demanda el motor a la red cuando éste se arranca y la potencia activa que aporta el convertidor. También se presenta la evolución de la tensión de la red frente al tiempo.

Como se observa en las figuras siguientes (fig. 75 y fig. 76), el comportamiento de la potencia activa y de la reactiva es similar al de los casos estudiados con anterioridad.

Fig. 75: Compensación P y Q. Potencias activas

Fig. 76: Compensación P y Q. Potencias reactivas

Fig. 77: Compensación P y Q. Tensión de la red

En la fig. 77 se ha representado la tensión de la red con esta compensación, y la tensión de la red sin compensación, para poder comparar con claridad la mejora obtenida. Como se puede observar, la tensión de la red apenas cae en este caso. En el momento en el que el motor arranca la tensión de la red cae momentáneamente hasta 370 V, recuperándose rápidamente hasta los 390 V. Cuando el motor está terminando el periodo de arranque, se produce una pequeña sobretensión, en la que la tensión de la red alcanza los 415 V durante un breve periodo de tiempo. Una vez arrancado el motor, la tensión de la red vuelve a los 400 V.

Como se ha visto, se obtienen mejores resultados compensando con potencia activa y reactiva a la vez, obteniéndose unos resultados muy buenos. Se puede comprobar también como la compensación con potencia activa para evitar caídas de tensión en redes de baja tensión da mejores resultados que la compensación con potencia reactiva.

Para ver mejor el efecto conseguido, en las dos figuras siguientes (fig. 78 y fig. 79) se puede ver la potencia activa y reactiva que la red envía al motor durante el arranque, ambas frente al tiempo. Corresponden al caso donde no hay compensación ninguna y con compensación de activa y reactiva.

Fig. 78: P y Q de la red sin compensación

Se ve claramente como la red debe proporcionar toda la potencia activa y reactiva que demanda el motor durante el arranque y posteriormente, dado que no hay compensación alguna por parte de la batería. Ello provoca la caída de tensión que se observó con anterioridad para este caso.

Fig. 79: P y Q de la red con compensación de P y Q

En la fig. 79 se muestra la potencia activa y reactiva que la red ve para el caso con esta compensación y sin compensación. Claramente se ve como la potencia activa y reactiva entregada por la red al motor es mucho menor que en el caso sin compensación. Se observa un pico en la aportación al principio, dado el retraso que presenta el conjunto batería-convertidor en entregar la potencia que se le ordena, la cual ha de entregarla mientras la red. Una vez en juego el convertidor con la batería, la red aporta mucha menos potencia, llegando incluso a absorber un poco al final del periodo de arranque. Esto es provocado nuevamente por el retraso existente en el convertidor.

Dado que la exigencia a la que se ve sometida la red por el arranque del motor es mucho menor gracias a batería y el convertidor, la tensión se ve afectada en menor medida, como se acaba de ver en esta sección.

4.6 COMPENSACIÓN AEROGENERADOR

En este apartado se va a mostrar las simulaciones realizadas para observar la influencia del convertidor cuando se lo emplea para ayudar a un aerogenerador frente a una ráfaga de viento. Se mostrará primero el caso en el que el aerogenerador no cuenta con el apoyo del convertidor y la batería. Posteriormente se mostrará el comportamiento del sistema cuando el aerogenerador cuenta con el apoyo del convertidor.

A. SIN COMPENSACIÓN

Se presenta a continuación las simulaciones realizadas al modelo explicado en el capítulo segundo, en el que no se emplea el convertidor para compensar las variaciones en el aerogenerador. En las siguientes figuras se puede observar la evolución frente al tiempo de la potencia activa generada por el aerogenerador, la reactiva consumida y la tensión a la salida del aerogenerador.

Fig. 80: Potencia activa generada por el aerogenerador.

Se presenta en la fig. 80 la potencia activa generada por el aerogenerador. Como puede observarse, se dispone de un aerogenerador que genera 15 kW, cuando a éste le llega una ráfaga de viento. Dicha ráfaga provoca primero un descenso en la generación, situándose esta en los 5 kW. Posteriormente la generación aumenta hasta casi 25 kW, cayendo de nuevo hasta los 5 kW instantes después. Finalmente, una vez transcurrida la ráfaga de aire, el aerogenerador recupera su estado normal y vuelve a generar los 15 kW. Toda esta potencia es inyectada a la red, la cual ha visto como la potencia que le llega por parte del aerogenerador ha estado variando sensiblemente durante un pequeño periodo de tiempo. Se observa una fuerte variación en la potencia activa debido a la ráfaga, ya que el valor de la potencia varía alrededor de un 66% por encima y por debajo.

Fig. 81: Potencia reactiva absorbida por el aerogenerador

Se presenta en la fig. 81 la potencia reactiva absorbida por el aerogenerador. Es análogo a lo ocurrido con la potencia activa. El aerogenerador absorbe unos 40 kvar cuando llega la ráfaga de viento, que lo hace absorber primero 38 kvar, posteriormente casi 42,5 kvar, vuelve a 38 kvar y se recupera tras la ráfaga de nuevo a 40 kvar. Se observa menor influencia de la ráfaga en la reactiva, cuyo valor ha variado apenas un 5%

Fig. 82: Tensión de la red a la salida del aerogenerador.

Se presenta en la fig. 82 la tensión de la red a la salida del aerogenerador. Como era de esperar, las variaciones en la potencia (especialmente en la activa) han provocado oscilaciones en la tensión. La tensión ha variado unos 5 V por encima y por debajo del valor que traía la red por culpa de las oscilaciones en la potencia.

A continuación se presenta en la fig. 83 la evolución de la potencia activa y reactiva que ve la red a la que están conectados el aerogenerador y el convertidor (en este caso no actúa). Dicha red espera que el aerogenerador le aporte una potencia activa constante, y que absorba también una cantidad constante de reactiva. Se puede observa en la fig. X las variaciones en la potencia activa que le llegan a la red, y en la reactiva que ésta aporta al aerogenerador, provocadas por la ráfaga de aire.

Fig. 83: P y Q de la red.

Como era de esperar, es la red la que se hace cargo de toda la potencia producida por el aerogenerador y de la reactiva que éste necesita. En la siguiente sección, en la que el convertidor ayudará a compensar las variaciones provocadas por la ráfaga, se espera que el convertidor se haga cargo de dichas variaciones en lo máximo posible. De esta manera la red apenas verá las oscilaciones provocadas por la ráfaga en la generación.

B. CON COMPENSACIÓN

Se presenta a continuación las simulaciones realizadas al modelo explicado en el capítulo segundo, en el que se emplea el convertidor para compensar las variaciones en el aerogenerador. En las siguientes figuras se puede observar la evolución frente al tiempo de la potencia activa generada por el aerogenerador y la aportada/absorbida por la batería; la reactiva consumida y aportada/absorbida por batería y la tensión a la salida del aerogenerador.

Fig. 84: Potencia activa aerogenerador y convertidor.

En la fig. 84 se puede observar la evolución de la potencia activa que aporta o absorbe el conjunto convertidor-batería. También se observa la potencia activa que genera el aerogenerador. En el momento en el que la generación en el aerogenerador se ve disminuida por culpa de la ráfaga de aire, el convertidor comienza a aportar potencia activa. Cuando la potencia generada por el aerogenerador aumenta por la acción de la ráfaga, el convertidor pasa de aportar activa a absorberla y almacenarla en la batería eléctrica. Nuevamente, cuando la generación en el aerogenerador disminuye, el convertidor vuelve a aportar potencia activa. Cuando la ráfaga ha pasado y el generador ha vuelto a la situación que tenía antes de la ráfaga, el convertidor deja de interactuar con él.

Fig. 85: Potencia reactiva aerogenerador y convertidor.

En la fig. 85 se puede observar la evolución de la potencia reactiva que aporta o absorbe el conjunto convertidor-batería. También se observa la potencia reactiva que absorbe el aerogenerador. El comportamiento del convertidor es análogo al visto para el caso de la potencia activa. Aporta reactiva en los momentos en los que el aerogenerador absorbe más y absorbe reactiva en los momentos en los que el aerogenerador absorbe menos debido a la ráfaga. Al ser la variación de la potencia reactiva mucho menor que la de la activa, la influencia del convertidor es casi imperceptible, ya que debe absorbe o ceder muy poca cantidad de reactiva.

A continuación se presenta la evolución de la tensión de la red a la salida del aerogenerador con el tiempo en la fig. 86. Se incluye también el caso sin compensación, para poder comparar fácilmente. En ella se puede ver que las oscilaciones son mucho menores que en el caso sin compensar. Antes la tensión llegaba a variar hasta 5 V por encima o por debajo. Ahora apenas varíaunos 1.5 V tanto por arriba como por debajo del valor que tenía anteriormente a la presencia de la ráfaga de aire.

Finalmente, se presenta en la fig. 87 la evolución de la potencia activa y reactiva que ve la red a la que están conectados el aerogenerador y el convertidor. Se incluye en la figura también el caso sin compensación, para comprar. Se puede ver, que como el convertidor ha ido corrigiendo las variaciones de activa y reactiva del generador, la red apenas se percata de los cambios que ha habido. La potencia reactiva que la red envía al aerogenerador prácticamente no varía durante la ráfaga. La potencia activa que la red recibe del aerogenerador y del convertidor es mucho más constante que la que recibía cuando no actuaba el convertidor frente a la ráfaga e viento. Como se puede observar en la figura, las variaciones en la potencia activa que ve la red son mucho menores que sin la presencia del convertidor.

Fig. 86: Tensión de la red a la salida del aerogenerador.

Fig. 87: P y Q de la red con compensación.

5. CONCLUSIONES

Los principales objetivos de este proyecto eran los siguientes:

1. Realizar el diseño y modelado de un convertidor que permitiera descargar energía de una batería eléctrica a la red y que permitiera cargar la batería. El mismo aparato debe realizar las dos funciones.

2. Simular el arranque de un motor eléctrico, en el que la potencia necesaria durante el arranque lo proporciona dicho convertidor. De esta manera se busca disminuir en lo posible las variaciones en la tensión de la red provocada por el arranque del motor.

3. Simular el comportamiento de un aerogenerador frente a una ráfaga de viento. El convertidor debe ayudar a compensar las variaciones de tensión en la red debidas a la ráfaga.

5.1 CONCLUSIONES DISEÑO Y MODELO

La realización del diseño y modelado del convertidor se ha centrado principalmente en el convertidor bidireccional DC/DC, obteniéndose un modelo detallado del mismo. Con menor medida de exactitud se ha modelado la batería, aunque ésta representa con suficiencia la realidad. El convertidor AC/DC no se ha modelado, pues se ha decidido que en otros estudios y trabajos está suficientemente detallado lo que aquí se asume sobre dicho aparato.

Como se ha podido ver en el capítulo de simulaciones, se ha conseguido lo que se deseaba. Se ha obtenido un convertidor capaz de permitir el flujo de la energía en ambas direcciones: de la batería a la red y de la red a la batería. El convertidor llega a manejar potencias de más de 200 kW con una velocidad de respuesta bastante aceptable.

5.2 CONCLUSIONES ARRANQUE DE MOTOR

Como se ha podido observar en el apartado de simulaciones, los resultados en este campo han sido muy satisfactorios. El convertidor permite el arranque del motor con una gran reducción de la caída de tensión que se presenta a la entrada del motor en el momento de su arranque. Se observa que dicha tensión pasa de rozar los 350 V en el arranque del motor, a valer alrededor de 390 V durante el arranque gracias al apoyo del convertidor.

Se observa que resulta más efectivo evitar la caída de tensión en la red de baja tensión compensando con la potencia activa proporcionada por la batería y reactiva, que compensar sólo con potencia reactiva. De hecho, en baja tensión, para compensar la tensión resulta mucho más eficaz inyectar potencia activa. Si por algún motivo se inyecta una cantidad de potencia activa que

provoca demasiado aumento de la tensión, para compensarla absorbiendo reactiva de debe absorber mucha mayor cantidad de potencia reactiva que potencia activa se ha inyectado.

Por tanto, en baja tensión el concepto de nodo PV, donde se consideran constantes la tensión y la potencia activa, presenta un grave problema dada la clara relación existente entre ambas. Dicha relación no es tan importante en media tensión, y es casi inexistente en alta tensión. Por ello, los razonamientos empleados para el transporte de la energía en alta y media tensión deben ser empleados con cautela en baja tensión, donde el transporte de la energía es bastante más difícil.

En baja tensión podría ser más recomendable situar generación de potencia activa en los nudos donde se desee tener controlada la tensión, en lugar de recurrir al transporte de dicha potencia activa de un nodo a otro. Esto último podría dificultad el control de la tensión en los nodos por donde dicha potencia activa circule hasta llegar a su destino.

5.3 CONCLUSIONES AEROGENERADOR

Los resultados también son bastante satisfactorios. El conjunto batería-convertidor cumple con la función esperada. La batería es capaz de aportar o absorber potencia según las necesidades del aerogenerador al enfrentarse éste a una ráfaga de viento. Con ello se logra que la red apenas se percate de las variaciones sufridas en la generación de potencia del aerogenerador, que son cubiertas por la batería.

También se observa como la tensión a la salida del aerogenerador no sufre tantas variaciones cuando se dispone de la batería para apoyarle, encontrándose dicha tensión dentro de niveles razonables.

6 BIBLIOGRAFÍA

Wikipedia. Batería eléctrica. Wikipedia la enciclopedia libre 2012

Wikipedia. Batería de ion de litio. Wikipedia la enciclopedia libre 2012

Wikipedia. Batería de sal fundida. Wikipedia la enciclopedia libre 2012

Wikipedia. Red V2G. Wikipedia la enciclopedia libre 2012

Página web del proyecto de Regulación Eólica con Vehículo Eléctrico (REVE). Www.evwind.com

Página web sobre baterías. www.buchmann.ca

Impacto en la red de la conexión del vehículo eléctrico. Centro de Investigaciones y Recursos de Consumos Energéticos (CIRCE). Octubre 2009

Análisis del sistema energético con coches eléctricos. Regulación eólica con vehículos eléctricos.Centro Nacional de Energías Renovables (CENER). Febrero 2010

Estándares y normativa internacional referente al vehículo eléctrico. Jon Asín Muñoa, Ingeteam. Octubre 2010

Tesis doctoral. Estudio y análisis de soluciones topológicas de convertidores CC-CC bidireccionales para su aplicación a vehículos híbridos. Luis Alejandro Flores Oropeza. 2004

Tesis doctoral. Control de convertidores en fuente de tensión y sistemas de potencia con generación renovable. Juan Manuel Mauricio Ferramola. Febrero 2009

An electrical approach to Mechanical effort reduction in wind energy conversion systems. Juan M. Mauricio, Andrés E. León, Antonio Gómez-Expósito, Jorge A. Solsona. Abril 2008

http://Www.evwind.com/

http://www.buchmann.ca/

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