Control de Un Sistema Fotovoltaico Con Asistencia de Red Para La Produccion de h2

7/25/2019 Control de Un Sistema Fotovoltaico Con Asistencia de Red Para La Produccion de h2

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Cuarto Congreso Nacional Tercer Congreso IberoamericanoHidrgeno y Fuentes Sustentables de Energa HYFUSEN 2011 01-077

CONTROL DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO CON ASISTENCIA DE REDPARA LA PRODUCCIN DE H2

Garca Cla J. G.(1), Inthamoussou F. A.(2), Cendoya M. G.(3), Mantz R. J.(4)y De Battista H.(5)

(1)

UNLP, LEICI, Facultad de Ingeniera, UNLP, 1 y 47, CC 91 (1900), La Plata, Argentina.(2)(3)(5)CONICET, LEICI, Facultad de Ingeniera, UNLP, 1 y 47, CC 91 (1900) La Plata, Argentina.(4)CICpBA, LEICI, Facultad de Ingeniera, UNLP, 1 y 47, CC 91 (1900) La Plata, Argentina.E-mail: [email protected]

RESUMEN

En este trabajo se considera la electrlisis del agua a partir de la conversin fotovoltaica (PV) comouna de las opciones ms viables para la produccin limpia de H2. Diferentes configuraciones se hanpropuesto para estos sistemas donde el mayor desafo es compatibilizar los requerimientos de

operacin de los electrolizadores, la calidad y eficiencia de produccin del H2, con la variabilidad delrecurso energtico y los rendimientos de conversin de los paneles fotovoltaicos. En este marco, elcontrol global del sistema juega un papel fundamental. El sistema de produccin PV de H 2 bajoestudio consiste bsicamente en paneles PV, convertidor DC/DC, electrolizador e inversor para laasistencia de red. El control del convertidor compatibiliza la generacin fotovoltaica con losrequerimientos bsicos de operacin del electrolizador dando prioridad al rendimiento de conversindel recurso renovable. En forma complementaria, el control del inversor establece las condiciones decalidad del suministro de potencia para garantizar la calidad del H2 producido y la vida til delelectrolizador. Se propone un supervisor discreto que permite comandar ambos controladoresreduciendo al mximo el aporte de potencia de la red. Se presentan resultados de simulacin quepermiten verificar los objetivos de operacin.

Palabras Claves: Produccin de hidrgeno, energa solar, control

1. INTRODUCCIN

La capacidad de almacenamiento y transporte deenerga de alta calidad hace del hidrgeno unexcelente vector energtico [1]. Debido a que nose encuentra naturalmente aislado, este elementorequiere una determinada cantidad de energapara su extraccin de diversas fuentes, las cualesse pueden clasificar en combustibles fsiles,biomasa o agua [2]. Entre los diversos mtodosde produccin de hidrgeno existentes se destacala electrlisis del agua, cuya principal ventaja esque admite la energa elctrica generada a partirde fuentes renovables. El hidrgeno producidode esta manera queda exento de emisiones decarbono, condicin necesaria para que estevector energtico constituya una alternativasustentable a los combustibles fsiles [3].La disminucin progresiva de costos de lastecnologas elica y solar desde los aos 70 ha

hecho posible que en la actualidad la electrlisisa partir de la energa elctrica generada por stassea una opcin viable en trminos econmicos[4]. Este trabajo considera el aprovechamiento de

la energa solar a partir de la conversinfotovoltaica (PV), cuyo potencial es tal que unpas en particular podra cubrir en teora lademanda total de combustible con hidrgenobasado en este recurso renovable [5]. Sin embar-go las variaciones estacionales y condicionesclimticas locales hacen de ste un recursofuertemente estocstico. Por lo tanto uno de losmayores desafos es compatibilizar la variabili-dad de la energa entregada por los panelesfotovoltaicos con los requerimientos de opera-cin de los electrolizadores para garantizarespecificaciones de calidad y eficiencia de laelectrlisis.Los electrolizadores alcalinos constituyen latecnologa ms madura para realizar la electr-lisis. Entre las ventajas que los tornan comercial-mente competitivos, especialmente en baja ymediana escala, se destacan la eficiencia delproceso y la pureza del gas producido [1].

Algunos de los requerimientos de operacinimpuestos por el fabricante son los que sedescriben en [6]:


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1. Mantener la corriente por encima de un valormnimo (tpicamente 25-40% de la corrientenominal), si se desea operar con unaeficiencia suficiente y producir los gases conuna pureza aceptable.

2. Operar a corriente fija nominal para obtenerla mxima tasa de produccin de hidrgeno,la cual es proporcional a la transferencia decarga.

3. Operar a corriente fija de mantenimiento, paraevitar interrupciones bruscas que puedenacelerar la corrosin de los electrodos eincrementar la difusin de gases.

Para la implementacin de los sistemas deproduccin PV de H2 se han propuesto en laliteratura diversas configuraciones [7-10]. Elpresente trabajo evala un sistema de produccin

PV de H2 con asistencia de red y acoplamientoDC. Este sistema consiste bsicamente enpaneles fotovoltaicos, convertidor DC/DC, elec-trolizador e inversor para la conexin a red. Laasistencia de la red slo tiene por objeto aportarlas condiciones de operacin que den grados delibertad para cumplir las especificaciones, perosu participacin aqu es reducida al mximo paragarantizar la produccin limpia de H2 (es decirslo a partir de recursos renovables).El control que se propone para el sistema bajoestudio hace hincapi en los problemas para

conciliar los requerimientos de la conversinfotovoltaica con los de la electrlisis previamentecitados. El control del convertidor de los panelescompatibiliza la generacin fotovoltaica con losrequerimientos bsicos de operacin del electro-lizador dando prioridad al rendimiento de con-

versin del recurso renovable. En formacomplementaria, el control del inversor del ladode la red permite establecer condiciones decalidad del suministro de potencia paragarantizar la calidad del H2producido y la vidatil del electrolizador. El control global delsistema juega un papel fundamental en lainteraccin de tales controles individuales, por loque se propone un supervisor encargado decomandarlos. Desde el punto de vista terico lasntesis de ste se efecta con base en conceptosde sistemas de control hbrido. Para satisfacer losrequisitos expuestos se aplica como criteriominimizar el aporte de potencia de la red, el cualse verifica con resultados de simulacin.

2. SISTEMA PV-H2ASISTIDO POR RED

Las configuraciones propuestas para los sistemasde produccin PV de H2 se pueden representarcon los esquemas bsicos de las Figuras 1a y 1b.Mientras que todas ellas tienen en comn lossubsistemas de conversin PV y de produccinde H2, algunas pueden carecer de la conexin a lared elctrica o de la reutilizacin del hidrgenoproducido. En lo que respecta a la estructurapueden diferir en el tipo de bus y la electrnicade potencia destinada al acoplamiento de dichossubsistemas.

Segn la conexin a red, el sistema deproduccin solar de H2se puede clasificar comoindependiente de red (o autnomo) yasistido por red (o ms ampliamente conec-tado a red). Una distincin independiente surgede tener en cuenta el uso del H2producido. Esto

AC

DC

AC

DC

DC

DC

DC

H2

AC

DC

DC

DC

Alm

acenam

ien

to

Paneles PV

H2

Celda decombustible

Electrolizador

Bus

de

tensi

n

alt

erna(

AC)

DC

DC

DC

DC

H2

DC

DC

Alm

acenam

ien

to

Paneles PV

H2

Redelctrica

Celda decombustible

Electrolizador

Bus

de

tensi

n

con

tinua

(DC)

DC

DC

ACRed elctrica

a) b)

Figura 1. Esquemas de produccin PV de H2con acoplamiento a) AC y b) DC


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es, si aquel es reutilizado o no para inyectarenerga elctrica al sistema (a travs de una celdade combustible) y as poder cubrir la demandaespecfica de una carga o la red [7, 8]. Segn laestructura de interconexin de los subsistemas ofuentes se tiene el acoplamiento AC (Figura 1a)y el acoplamiento DC (Figura 1b), los cualesdifieren bsicamente en la cantidad y calidad delos convertidores electrnicos requeridos para elacondicionamiento y control de potencia [9]. Enla Tabla I se listan las ocho configuraciones quese pueden obtener por combinacin de las tresclasificaciones mencionadas. La configuracinrotulada con el nmero 7 es la que se evala eneste trabajo.

Conexin aRed

Reutilizacindel H2

Acoplamientode las fuentes

1 NO NO AC2 NO SI AC3 SI NO AC4 SI SI AC5 NO NO DC6 NO SI DC7 SI NO DC8 SI SI DC

Tabla I.Configuraciones de los sistemas PV-H2

La conexin a red se realiza a travs de uninversor y su funcin es proporcionar un soportepara poder satisfacer la demanda de produccinde H2 independientemente de las variaciones dela radiacin solar. Dado que el hidrgenoalmacenado no se reutiliza para inyectar energaelctrica al sistema, aqu su demanda puede serpara combustible de transportes u otras aplica-ciones [10]. El acoplamiento DC tiene la ventajade que la tensin y frecuencia de la red esindependiente de las fuentes conectados al buscomn de tensin continua, que en nuestro caso

son los subsistemas de conversin PV (panelesfotovoltaicos - convertidor DC/DC) y de produc-cin de H2 (electrolizador). Otra ventaja de estaestructura es que reduce el nmero de converti-dores intervinientes, por lo que se obtiene unamejora tanto en la eficiencia como en el costototal [11]. Tngase en cuenta que puede simple-ficarse an ms esta configuracin eliminando elconvertidor DC/DC que conecta el electrolizadoral bus comn, si el dimensionamiento de ste esel adecuado.

3. MODELO DEL ACOPLAMIENTO DC

El comportamiento elctrico de los subsistemasacoplados al bus comn de tensin continua vdcse puede caracterizar con fuentes de corrientecontroladas conectadas en paralelo, como semuestra en el circuito de la Figura 2. El capacitorCdc a la salida del inversor permite suavizar lasfluctuaciones debidas al desbalance de potencia.La dinmica del bus resulta dominante respectode la de los subsistemas, por lo que para los finesde este trabajo stos se van a representar con lascurvas estticas que se describen a continuacin.

i vE dc( ) Cdci*

PV i*

C

vdc

Figura 2. Circuito equivalentedel acoplamientoDC

3.1 Subsistema de conversin PV

Dado un panel solar de npmdulos en paralelo yns celdas en serie cada uno, la ecuacin (1)expresa explcitamente la dependencia de sucorriente iScon su tensin en bornes vS:

( ) ( ), exp 1SS p ph S rs S s T

vi n I T I T

n V

=

, (1)

donde Iph e Irs son corrientes en cada celdadependientes de su temperatura TS. La primera esgenerada por radiacin solar y la segunda es lacorriente inversa de saturacin de la juntura pn.La tensin umbral VT es proporcional a TS. Porsimplicidad se despreciaron las resistenciasparalelo y serie de las celdas.

El convertidor DC/DC acta como interfaz entreel panel solar y el bus comn, adaptando latensin vS al valor vdc. Se elige un convertidorelevador boostporque permite obtener vdc/vS> 1.Dicho cociente en estado estacionario est dadopor el ciclo de trabajo de la llave electrnicacomandada por el control del convertidor.Distintas estrategias de control ms conocidascomo tcnicas MPPT (Maximum Power PointTracking) se han propuesto para extraer lamxima potencia del panel (p*S) [12]. Cualquierade stas busca aproximar con mnimo error la

tensin vSa la siguiente expresin:


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( ) ( )* , exp 1 1 1phS S s T rs

Iv T n V W

I

= +

, (2)

donde W(x) es la funcin de Lambert quesatisfacex= W exp(W) [13]. Si se desprecian las

prdidas, la potencia pPV de salida del conver-tidor es igual a la de entrada, pS. Bajo estahiptesis el subsistema de conversin PV concontrol MPPT se puede representar con unafuente de corriente i*PV dependiente de laradiacin, la temperatura y la tensin del bussegn la siguiente expresin:

( ) ( )* *** , , S S SPV

PV S dc

dc dc

i v vpi T v

v v = = . (3)

En la Figura 3 se representan en un plano tensin- corriente los puntos de operacin (vdc, i

*PV) del

subsistema de conversin PV a simular en laseccin 5. stos se ubican en las curvas de trazofino generadas con valores discretos de y valorde TSfijo.

150 200 250 300 350 4000

1

2

3

4

5

6

7

8

vdc[V]

i* PV,

iE

[A]

q1

q3

q4

iE

i*

PV

=100W/m2

=300W/m2

=500W/m2

=700W/m2

=900W/m2

nVrev

IN

E

VN

E

q2

q6

q5

q7

Vmin

EVm

E

Im

E

Imin

E

Figura 3. Plano tensin-corriente de lossubsistemas acoplados.

3.2 Subsistema de produccin de H2

El electrolizador alcalino se puede modelizar conuna fuente de corriente iE dependiente de sutensin en bornes. Si no media un convertidorDC/DC dicha tensin es directamente la del bus.La dependencia de iE con udc se expresa con lasiguiente curva emprica [14]:

1 1exp dc

E rev

vs r ri A W V

r st s n t t

= +

, (4)

donde n es el nmero de celdas electrolticasconectadas en serie,Vrev, la tensin reversible porcelda, A, la superficie de electrodo, {r, s, t},coeficientes dependientes de la temperatura delelectrolito y W(x), la funcin de Lambert. En laFigura 3 se muestran los puntos de operacin(vdc, iE) del electrolizador de la seccin 5, loscuales se ubican en la curva de trazo grueso delplano tensin - corriente.La tasa de produccin de hidrgeno fH2 quedaestablecida por iE segn la siguiente leyproporcional [14]:

2

mH F E

nVf i

zF= , (5)

donde Fes la eficiencia de corriente, z= 2, el

nmero de electrones transferidos por molculade H2, F, la constante de Faraday y Vm, elvolumen molar de un gas ideal en condicionesnormales.

3.3 Subsistema de conexin a red

La conexin de la red elctrica se realiza a travsde un inversor trifsico alimentado por tensin.ste se compone de tres pares de llavesbidireccionales. Cada par es comanda con laseal de control wk, k{1, 2, 3}, la cual toma el

valor 1 cuando conduce la llave superior y -1cuando lo hace la inferior. La alimentacinproveniente de la red se representa con unsistema trifsico perfecto de tensiones ycorrientes sinusoidales ek e ik respectivamente.Para el diseo del controlador resulta conve-niente transformar las ternas ek, ik y wk en lospares (ed, eq), (id, iq) y (wd, wq) del marco dereferencia en cuadratura d-q. Actuando sobre wdy wq el controlador regula las corrientes id y iqque producen la siguiente corriente media a lasalida del convertidor:

( )3

4C d d q qi w i w i= + . (6)

Por lo tanto el subsistema de conexin a red sepuede representar con una fuente de corrientedependiente del control de conmutacin de lasllaves. En este trabajo se aplica el control delinversor propuesto en [6].En el plano tensin-corriente de la Fig. 3 elestado estacionario de iC se puede visualizarcomo la diferencia de i*PV e iE, dado que no se

deriva corriente por el capacitor Cdc cuando elcircuito equivalente se encuentra en equilibrio.


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4. CONTROL SUPERVISOR DISCRETO

Los electrolizadores admiten distintos modos deoperacin que se caracterizan por la corriente iEsuministrada. Como se describi previamente,con la corriente nominal INE el electrolizadorentrega la mxima tasa de produccin de H2,

fNH2. Con corrientes dentro del intervalo (Imin

E,INE) se genera H2dentro de las especificaciones ala tasa f*H2. Por tanto a la corriente I

minEcorres-

ponde la mnima tasa de H2de pureza aceptable,que llamamos fminH2. Por ltimo, con la corriente

ImE el electrolizador opera en modo manteni-miento, donde el escaso H2producido se desechaa causa de su impureza.Estas cuatro formas de operar del electrolizadorse relacionan con el tipo de alimentacin

disponible. Si se dispusiera nicamente delsubsistema de conversin PV, la operacin delelectrolizador dependera de la radiacin inciden-te, la cual afecta necesariamente la referencia depotencia de control del convertidor. Si laalimentacin proviniera slo de la red, laeleccin del modo podra basarse en requeri-mientos de la produccin ajustando la referenciade tensin del bus al control del inversor.Cuando se dispone de ambas fuentes de energael problema de control se vuelve ms complejodebido a las posibilidades de combinacin de

referencias de los respectivos controles. La TablaII presenta siete combinaciones de inters, lascuales son tratadas como estados discretos qidelsistema (ver Figura 3).

q pref

PV vref

dc Dom(q) fH2q1 P

NE V

NE i

*PVI

NE f

NH2

q2 p*

PV v*

dc Imin

E0

( > )|( 0)i I u=* N

C C

Figura 4. Autmata hbrido que modeliza lastransiciones discretas del control supervisor.

5. RESULTADOS DE SIMULACIN

Para evaluar el desempeo del control supervisorpropuesto se simul un modelo del sistema PV-

H2con un panel solar de 3.5 kW (np= 300 y ns=8) y un electrolizador alcalino de 2.25 kW (n=179 y A = 17 cm2). La corrientes de operacindel ltimo sonINE= 6 A,I

minE= 2 A yI

mE= 1 A.

En la Figura 6 se muestran los resultados desimulacin para el caso de demanda alta de H2.

2 3 4 5 6 7 8 9 100

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Poten

cia[W]

2 3 4 5 6 7 8 9 10

0

500

1000

1500

2000

2500

Tiempo [s]

Potencia[W]

Figura 6. Simulacin del sistema PV-H2 concontrol supervisor para el estado u= 1.


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La secuencia de estados transitados q1 - q5 - q1satisface la potencia nominal del electrolizador(curva azul). Esta situacin se mantiene porquela potencia suministrada por la red (curva negra)no supera el valor PNC admitido. El mayorsuministro desde la red coincide con la mnimapotencia solar extrada (curva roja) alrededor delos 10 s. Esta ltima es la mxima disponible(curva verde) en los tiempos donde no supera lanominal del electrolizador.La Figura 5 ilustra la situacin de baja demandapara un mismo perfil de radiacin solar. Aqu lasecuencia q2 - q1 - q2 - q3 - q4 permite que lapotencia del electrolizador (curva azul) semantenga dentro de los lmites de calidad graciasal nivel de radiacin extrada (curva roja), quehace prcticamente innecesario el aporte de

energa de la red (curva negra). Finalmente lafuerte cada de radiacin disponible (curvaverde) fuerza la secuencia q4 - q7, por la cual lared aporta parte de la potencia de mantenimiento.

2 3 4 5 6 7 8 9 100

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Potencia[W]

2 3 4 5 6 7 8 9 10500

0

500

Tiempo [s]

Potencia[W]

Figura 5. Simulacin del sistema PV-H2 concontrol supervisor para el estado u= 0.

6. CONCLUSIONES

La electrlisis del agua es un mtodo deproduccin de H2 libre de emisiones de C02cuando se asocia con las tecnologas renovables.Un sistema PV-H2constituye una de las opcionesms viables de implementacin de este concepto.Entre las diversas configuraciones propuestaspara dicho sistema, en este trabajo se considerla que acopla los paneles solares y el electroliza-dor a un bus de tensin continua e incluyeconexin a la red elctrica. La participacin de la

red tiene como fin compatibilizar los requeri-mientos de los electrolizadores con la variabili-dad del recurso solar. Desde el punto de vista del

control esta configuracin ofrece interesantesdesafos en lo que se refiere a la coordinacin delos controles del convertidor de los paneles y elinversor de la red. Para los fines del anlisis delas distintas situaciones de control se propuso unmodelo simplificado que permite identificarestados discretos en un plano tensin-corriente.Se sintetiz un control supervisor que conmutan-do entre dichos estados satisface la demanda deH2 con la condicin de reducir al mnimo lapotencia vinculada a la asistencia de la red.Mediante esta estrategia de control se prioriza laproduccin de H2limpio. Se obtuvieron resul-tados de simulacin que prximamente serncontrastados con datos experimentales de unprototipo a escala en preparacin.

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Cambridge Univ. Press, 2009, pp. 59-71.Agradecimientos. Este trabajo fue financiadopor UNLP, CICpBA, CONICET y ANPCyT.

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