ES2641304B1 - Método y sistema de control para controlar la tensión de un convertidor electrónico conectado a una fuente de energía o sistema de almacenamiento - Google Patents

Método y sistema de control para controlar la tensión de un convertidor electrónico conectado a una fuente de energía o sistema de almacenamiento Download PDF

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Abstract

Método y sistema de control para un convertidor (1) electrónico conectado a una fuente (2) de energía. Con el método se calcula una corriente de referencia para un lazo que controla la corriente intercambiada entre la fuente (2) y el convertidor (1), y para ello, se mide dicha corriente intercambiada y la tensión de la fuente (2), se calculan la tensión en una impedancia virtual serie a partir de la corriente medida, una tensión virtual como la tensión medida menos dicha tensión calculada, una corriente virtual a través de una impedancia virtual paralela a una rama formada por la impedancia virtual serie y la fuente (2), y un error como la diferencia entre la tensión virtual y una de referencia, y se aplica el error como entrada para un controlador determinado. La corriente de referencia se calcula como la suma de la salida de dicho controlador y la corriente virtual.

Description

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DESCRIPCIÓN
Método y sistema de control para controlar la tensión de un convertidor electrónico conectado a una fuente de energía o sistema de almacenamiento
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención se refiere a un método y sistema de control de tensión para un convertidor electrónico conectado a una fuente de energía o a un sistema de almacenamiento.
ESTADO ANTERIOR DE LA TÉCNICA
Las fuentes de energía o sistemas de almacenamiento están conectados a la red eléctrica, o a los consumos, a través de convertidores electrónicos. Las fuentes de energía pueden ser, por ejemplo, un generador fotovoltaico, una pila de combustible o un generador eólico. Los sistemas de almacenamiento pueden ser, por ejemplo, baterías o electrolizadores.
Para un correcto funcionamiento de una fuente de energía o sistema de almacenamiento, en ocasiones, es necesario controlar la tensión de funcionamiento de la fuente de energía o sistema de almacenamiento. Si este control es necesario, cuando la fuente de energía o sistema de almacenamiento se conecta a un convertidor electrónico, el control de la tensión lo realiza el convertidor. Por ejemplo, durante el proceso final de carga de una batería, es necesario controlar la tensión de la batería y dicho control lo realiza el convertidor electrónico al que se conecta. Para ello, en los convertidores es común implementar al menos un lazo de control de tensión.
Las fuentes de energía o sistemas de almacenamiento pueden presentar una impedancia variable y, en ocasiones, de valor desconocido, lo que puede modificar la dinámica del lazo de control de tensión del convertidor electrónico, haciéndose demasiado lento o rápido e incluso inestable en determinadas circunstancias. En la figura 1 se muestra el convertidor electrónico conectado a una fuente de energía o sistema de almacenamiento.
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La impedancia de la fuente de energía o sistema de almacenamiento puede variar en un amplio rango. Entre los factores que pueden hacer variar la impedancia se encuentran los siguientes:
• La propia tecnología de la fuente o sistema de almacenamiento, por ejemplo, baterías (plomo-ácido, ion-litio, níquel-cadmio), generadores fotovoltaicos (silicio monocristalino, silicio policristalino, telururo de cadmio) o pilas de combustible (membrana de intercambio protónico, de metanol, alcalinas).
• La configuración utilizada, por ejemplo, en el caso de baterías o pilas de combustible el número de celdas en serie y en paralelo. En el caso de generadores fotovoltaicos el número de células en serie y en paralelo. En el caso de aerogeneradores los niveles de tensión y de corriente del generador eléctrico.
• El envejecimiento, que provoca en general un aumento de la impedancia de la fuente de energía o sistema de almacenamiento.
• El punto de funcionamiento, puesto que la respuesta del sistema en ocasiones depende de la tensión de funcionamiento.
• Las condiciones ambientales también pueden tener una fuerte influencia en el valor de la impedancia.
Para evitar el efecto de la variación de la impedancia en el control de tensión, se debe diseñar un control que sea robusto ante dichas variaciones. Las soluciones del estado de la técnica proponen un control adaptativo que, mediante complejos algoritmos, estima la impedancia de la fuente de energía o sistema de almacenamiento y utiliza este valor para actualizar los parámetros del controlador que se emplea en lazo de control (un controlador proporcional integral o PI por ejemplo). Este método de control adaptativo reduce el efecto de la variación de la impedancia pero aumenta la complejidad de la implementación del mismo, puesto que la estimación de la impedancia es complicada y además los parámetros del controlador deben ser modificados en tiempo real. Un ejemplo de este método se muestra en la el documento "D. Pavkovic, M. Lobrovic, M. Hrgetic, A. Komljenovic, V. Smetko. Battery Current and Voltage Control System Design with Charging Applications. 2014 IEEE Conference on Control Applications, 1133-1138, 2014".
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EXPOSICIÓN DE LA INVENCIÓN
El objeto de la invención es proporcionar un método y sistema de control para controlar la tensión de un convertidor electrónico conectado a una fuente de energía o sistema de almacenamiento, según se describe en las reivindicaciones.
Con el método de control se determina una corriente de referencia para un lazo de control de corriente con el que se controla la corriente intercambiada entre la fuente de energía o sistema de almacenamiento y el convertidor electrónico. Para calcular dicha corriente de referencia, el método comprende las etapas de:
- medir la corriente intercambiada entre la fuente de energía o sistema de almacenamiento y el convertidor electrónico,
- medir la tensión en bornes de la fuente de energía o sistema de almacenamiento o del convertidor electrónico,
- calcular la tensión en una impedancia virtual serie, en serie con la fuente de energía o sistema de almacenamiento, a partir de la corriente medida,
- calcular una tensión virtual como la tensión medida menos la tensión calculada en la impedancia virtual serie,
- calcular, considerado la tensión virtual, una corriente virtual a través de una impedancia virtual paralelo, paralela a una rama formada por la impedancia virtual serie y la fuente de energía o sistema de almacenamiento,
- calcular un error de tensión como la diferencia entre la tensión virtual y una tensión de referencia determinada,
- aplicar el error de tensión como entrada para un controlador que comprende unos parámetros determinados previamente, y
- calcular la corriente de referencia como la suma de la salida de dicho controlador y la corriente virtual a través de la impedancia virtual paralelo.
Con el método de la invención se mantiene la dinámica del lazo de control prácticamente invariante para todo el posible rango de variación de la impedancia de la fuente de energía o sistema de almacenamiento, además de una gran robustez ante la variación de los parámetros de dicha fuente de energía o sistema de almacenamiento. Así, con el método de la invención se obtiene un control de tensión sencillo, puesto que no requiere por ejemplo una estimación de la impedancia de la fuente de energía o sistema de almacenamiento, y a la vez robusto frente a
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grandes variaciones en la impedancia de la fuente de energía o sistema de almacenamiento. Con el control propuesto, además, las características dinámicas permanecen prácticamente constantes con independencia del valor de dicha impedancia, lo que permite garantizar la estabilidad, alargar la vida útil de los elementos (en el caso de sistemas de almacenamiento) o extraer una mayor energía (en el caso de las fuentes de energía). Además, en el caso de tratarse de una implementación analógica, ésta se simplifica en gran medida mientras que, en el caso de tratarse de una implementación digital, con el control ejecutado en un microprocesador, el coste computacional se verá considerablemente reducido.
Estas y otras ventajas y características de la invención se harán evidentes a la vista de las figuras y de la descripción detallada de la invención.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La figura 1 muestra la modelización de un convertidor electrónico como una fuente de corriente controlada.
La figura 2 muestra un diagrama de bloques que representa de forma genérica una realización de control de tensión, que incluye un lazo interno de corriente y la impedancia de la fuente de energía o sistema de almacenamiento.
La figura 3 muestra un circuito eléctrico equivalente con las impedancias virtuales que se emulan en una realización preferida del método de la invención.
La figura 4 muestra un diagrama de bloques representativo del circuito eléctrico de la figura 3, incluyendo el controlador.
La figura 5 muestra un diagrama de bloques correspondiente al control de una realización preferida del método de la invención.
La figura 6 muestra el diagrama de bloques de la figura 5, incluyendo un lazo interno de corriente y la impedancia de la fuente de energía o sistema de almacenamiento.
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La figura 7 muestra un circuito eléctrico representativo del diagrama de bloques de la figura 6.
La figura 8a muestra el resultado de la simulación con un método de control sin emulación de impedancias virtuales y con un controlador de parámetros fijos, frente a un escalón en la tensión de referencia para tres situaciones distintas de resistencia de una batería como sistema de almacenamiento.
La figura 8b muestra el resultado de la simulación con una realización del método de control de la invención, frente a un escalón en la tensión de referencia para tres situaciones distintas de resistencia de una batería como sistema de almacenamiento.
EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
El método de control de la invención está adaptado para controlar la tensión de un convertidor electrónico 1 conectado a una fuente de energía o sistema de almacenamiento 2. La fuente de energía 2 puede ser de diferentes tipos, como por ejemplo una instalación donde se genera la energía (instalación solar o eólica por ejemplo), un sistema de almacenamiento tal como una batería, un banco de condensadores o, por ejemplo, un electrolizador.
El método de control incluye un control de corriente de la fuente de energía o sistema de almacenamiento 2, mediante un lazo de control de corriente determinado, y se ejecuta sobre el convertidor electrónico 1 conectado a dicha fuente de energía o sistema de almacenamiento 2. De esta forma, el convertidor electrónico 1 se comporta como una fuente de corriente controlada para dicha fuente de energía o sistema de almacenamiento 2. El método de control está adaptado para controlar la tensión, por lo que incluye también un lazo de control de tensión, que determina además una corriente de referencia para el lazo de control de corriente. Así pues, el control de tensión es el lazo externo del método de control y con él se obtiene la corriente de referencia para el lazo interno de corriente.
De una forma genérica, el lazo externo de tensión se puede representar por ejemplo mediante el esquema de la figura 2. A partir de una referencia de tensión predeterminada (consigna de tensión) y la realimentación de tensión y corriente, el método de control obtiene la referencia de corriente para el lazo interno de corriente. A partir de la referencia de corriente, hay diversas
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formas de realizar el control de corriente, lo cual queda fuera del alcance de la presente invención. En todo caso, en el método se considera que la dinámica de lazo de corriente es muy superior a la del lazo de tensión, por lo que la función de transferencia del lazo de corriente se puede tomar como unitaria a la hora de analizar el lazo de tensión. La corriente provoca además un cambio de tensión. A la relación entre la corriente y la tensión de la fuente de energía o sistema de almacenamiento 2 se le denomina planta.
La relación entre la corriente y la tensión en la fuente de energía o sistema de almacenamiento 2 viene determinada por una expresión que, en general, puede ser una función implícita, no lineal y dinámica. Esta relación se puede linealizar en torno al punto de trabajo obteniendo la relación en pequeña señal, que será igual a la impedancia de la fuente de energía o sistema de almacenamiento 2 en pequeña señal, con signo negativo debido al uso del convenio generador, v = -Z(s) • i.
Para limitar el efecto de la variabilidad de la planta, en el método de control se emula la presencia de una impedancia ZS(s) en serie con la impedancia Z(s) de la fuente de energía o sistema de almacenamiento 2 y, a su vez, una impedancia ZP(s) en paralelo con el conjunto ZS(s) en serie con Z(s), tal y como se muestra en el ejemplo la figura 3 (aunque podría emularse una impedancia ZS(s) en serie igual a cero).
El método, comprende un controlador C(s) con unos parámetros determinados previamente, y la planta que ve el controlador C(s) se modifica con respecto al caso sin emular impedancias, y la relación pasa a ser vv = -Zeq(s) • iv, donde
Zlt(s) = Zr(s)f/(Z(s)+Zs(s))=
Zp(s)jZ(s)+Zs(s)) Zp (5)+Z (5)+Zs (s)
siendo vv la tensión virtual entre bornes de la impedancia emulada paralelo ZP(s), y siendo iv la corriente virtual o salida del controlador.
El circuito equivalente del método de control propuesto y la modelización del lazo de control de corriente LCi y la planta se muestra en la Figura 4.
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Para frecuencias cercanas a la frecuencia de corte deseada para el lazo de tensión, eligiendo el valor de la impedancia emulada paralelo ZP(s) suficientemente menor que la suma de la mínima impedancia Z(s) = Zmn(s) que puede llegar a tener la fuente de energía o sistema de almacenamiento 2 más la impedancia emulada serie Zs(s), se puede hacer la siguiente aproximación:
imagen1
De esta forma, la planta vista por el controlador será igual a la impedancia emulada paralelo ZP(s), cuyo valor es constante y conocido, y se consigue eliminar el efecto de la variabilidad y de la incertidumbre de la impedancia de la fuente de energía o sistema de almacenamiento 2 sobre el control.
De esta manera se puede parametrizar el controlador C(s) para las características dinámicas y de margen de estabilidad deseados, teniendo en cuenta que la planta se aproxima a ZP(s). El controlador C(s) puede ser un controlador sencillo, como un controlador integral, un controlador proporcional-integral PI, un controlador proporcional-integral- derivativo PID, aunque también podría ser cualquier otro tipo de controlador.
Por ejemplo, si una fuente de energía o sistema de almacenamiento varía su impedancia desde un valor mínimo Z(s) = Zmin(s) hasta un valor máximo Z(s) = 100Zmin(s), si no se utiliza el método de control de la invención, el sistema verá la anterior variación afectando de manera importante a la dinámica del control. Sin embargo, con el método de control propuesto, si se toma, por ejemplo, un valor ZP(s) = Zmin(s) + ZS(s) el rango de variación de la planta será de Zp(s)/2 a Zp(s), lo que reduce de manera significativa las variaciones de la dinámica del control.
Gracias a la emulación de al menos una impedancia virtual, el control de tensión se comporta de la forma deseada en todo el rango posible de funcionamiento.
La emulación de la impedancia serie ZS(s), provoca que el control se realice sobre la tensión
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virtual vv en lugar de sobre la tensión v real medida en bornes de la fuente de energía o sistema de almacenamiento 2. Por lo tanto, en régimen permanente y en función del tipo de impedancia Zs(s), es posible que la tensión v real no sea igual a la tensión de referencia. De hecho, en régimen permanente se tiene que:
imagen2
Para que la tensión v real sea igual a la tensión de referencia v*, se puede emular una impedancia serie Zs(s) igual a cero (que es lo mismo que no emular una impedancia serie Zs(s), o bien emular algún elemento que no tenga caída de tensión en régimen permanente, como por ejemplo una inductancia, es decir ZS(s) = LS s. Ambos casos son un caso particular de la presente invención y todo lo descrito anteriormente sigue siendo válido, con la particularidad de que la tensión v real es exactamente igual a la tensión de referencia en régimen permanente. La primera opción, con ZS(s) = 0, resulta especialmente interesante en aquellas aplicaciones en las cuales el valor mínimo de la impedancia de la fuente de energía o sistema de almacenamiento 2 no es excesivamente bajo.
Sin embargo, hay situaciones en las que puede ser interesante emular una impedancia ZS(s) serie con caída de tensión en régimen permanente, en el caso de que se pueda asumir cierto error en el seguimiento de la tensión de referencia. Un ejemplo de aplicación de este tipo es el caso en el que la impedancia mínima Z(s) = Zmin(s) de la fuente de energía o sistema de almacenamiento 2 sea muy pequeña, por lo que con ZS(s) = 0 se requeriría una impedancia paralelo ZP(s) aún menor que Zmin(s), lo cual puede suponer problemas como por ejemplo una corriente virtual iZp muy alta o una amplificación de armónicos. En este caso, añadir una impedancia ZS(s) serie permite aumentar el valor necesario para la impedancia ZP(s) paralelo.
Seguidamente se describe, con ayuda de las figuras 5 a 8, una descripción en detalle de una realización preferente del método de la invención. En el mismo se emula únicamente una impedancia virtual paralelo ZP(s), formada por una resistencia RP en serie con un condensador CP. El controlador C(s) es un controlador de tipo proporcional integral PI, y comprende los parámetros KP y Ki. La función de transferencia de esta impedancia virtual paralelo ZP(s) es la siguiente:
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imagen3
La realización preferente se aplica, por ejemplo, a una batería (como sistema de almacenamiento 2) conectada a un convertidor electrónico 1 que tiene implementado un control de corriente. El método de control mediante la emulación de impedancias virtuales para controlar la tensión de la batería comprende las siguientes etapas:
- medir la corriente i intercambiada entre la fuente de energía o sistema de almacenamiento 2 y el convertidor electrónico,
- medir la tensión v en bornes de la fuente de energía o sistema de almacenamiento 2 o del convertidor electrónico,
- calcular, considerado la tensión medida v, una corriente virtual iZP a través de una impedancia virtual paralelo ZP(s), paralela a la fuente de energía o sistema de almacenamiento 2,
- calcular un error de tensión como la diferencia entre la tensión medida v y una tensión de referencia determinada, y
- aplicar el error de tensión como entrada para un controlador C(s) que comprende unos parámetros determinados previamente, y
- calcular la corriente de referencia como la suma de la salida de dicho controlador C(s) y la corriente virtual iZP a través de la impedancia virtual paralelo ZP(s).
Esta combinación de etapas se muestra esquemáticamente en la figura 5. El lazo de tensión, incluyendo tanto la propuesta de control como la planta, se muestra en la figura 6, donde se supone que la batería presenta una impedancia de carácter resistivo alrededor de la frecuencia de corte del lazo de tensión. De la misma forma, el circuito equivalente de la planta que ve el controlador se muestra en la figura 7.
En algunas realizaciones, como en la realización preferente por ejemplo, se filtran las medidas de tensión v y corriente i antes de considerarlas para los diferentes cálculos, para eliminar ruidos en alta frecuencia.
Se ha simulado un método de control sin emulación de impedancias virtuales y con un controlador de parámetros fijos (figura 8a), y el método de control propuesto (figura 8b), cada
uno de ellos para tres situaciones con una resistencia de batería muy distinta. Los resultados se muestran en las figuras 8a y 8b respectivamente, para un escalón de tensión de referencia de 130 a 132 V, para el caso de Rbat = Rmin = 10 mü (v1 en las figuras 8a y 8b), Rbat = 100 mü (v2 en las figuras 8a y 8b) y Rbat = Rmax = 1 ü (v3 en las figuras 8a y 8b), 5 siendo Rbat la resistencia de la batería. Se puede observar que, mientras con el método de control sin emulación de impedancias virtuales y con un controlador de parámetros fijos la dinámica del control de tensión es muy variable, con el control propuesto la dinámica es prácticamente invariante.
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Claims (11)

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    REIVINDICACIONES
    1. Método de control para controlar la tensión de un convertidor electrónico conectado a una fuente de energía o sistema de almacenamiento, con el que se calcula una corriente de referencia para un lazo de control de corriente con el que se controla la corriente intercambiada entre la fuente de energía o sistema de almacenamiento (2) y el convertidor electrónico, caracterizado porque para calcular dicha corriente de referencia el método comprende las etapas de:
    - medir la corriente (i) intercambiada entre la fuente de energía o sistema de almacenamiento (2) y el convertidor electrónico,
    - medir la tensión (v) en bornes de la fuente de energía o sistema de almacenamiento (2) o del convertidor electrónico,
    - calcular la tensión (vzs) en una impedancia virtual serie (ZS(s)), dispuesta en serie con la fuente de energía o sistema de almacenamiento (2), a partir de la corriente medida (i),
    - calcular una tensión virtual (vv) como la tensión (v) medida menos la tensión calculada (vzs) en la impedancia virtual serie (ZS(s)),
    - calcular, considerado la tensión virtual (vv), una corriente virtual (iZP) a través de una impedancia virtual paralelo (ZP(s)), paralela a una rama formada por la impedancia virtual serie (ZS(s)) y la fuente de energía o sistema de almacenamiento (2),
    - calcular un error de tensión como la diferencia entre la tensión virtual (vv) y una tensión de referencia determinada, y
    - aplicar el error de tensión como entrada para un controlador (C(s)) que comprende unos parámetros determinados previamente,
    calculándose la corriente de referencia como la suma de la salida de dicho controlador (C(s)) y la corriente virtual (iZP) a través de la impedancia virtual paralelo (Zp(s)).
  2. 2. Método de control para controlar la tensión de un convertidor electrónico según la reivindicación 1, en donde la tensión en la impedancia virtual serie (ZS(s)) es igual a cero.
  3. 3. Método de control para controlar la tensión de un convertidor electrónico según
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    cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el controlador es de tipo integral, proporcional integral (PI) o proporcional integral derivativo (PID).
  4. 4. Método de control para controlar la tensión de un convertidor electrónico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde se filtran las medidas de tensión (v) y corriente (i) antes de considerarlas para los diferentes cálculos, donde el filtro utilizado es un filtro paso bajo, paso alto o una combinación de ambos.
  5. 5. Método de control para controlar la tensión de un convertidor electrónico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el cálculo de la corriente de referencia se realiza de forma analógica o digital.
  6. 6. Método de control para controlar la tensión de un convertidor electrónico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde se elige una impedancia virtual paralelo (ZP(s)) de manera que para frecuencias cercanas a la frecuencia de corte deseada para el lazo de tensión, dicha impedancia virtual paralelo (ZP(s)) sea suficientemente menor que la suma de la mínima impedancia de la fuente de energía o sistema de almacenamiento (2) más la impedancia virtual serie (ZS(s)).
  7. 7. Sistema de control para controlar la tensión de un convertidor electrónico conectado a una fuente de energía o sistema de almacenamiento, caracterizado porque está adaptado para soportar un método de control según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
  8. 8. Sistema de control para controlar la tensión de un convertidor electrónico conectado a una fuente de energía o sistema de almacenamiento según la reivindicación 7, en donde la fuente de energía (2) es un generador fotovoltaico, una pila de combustible, un aerogenerador o un aerogenerador conectado a un puente de diodos.
  9. 9. Sistema de control para controlar la tensión de un convertidor electrónico conectado a una fuente de energía o sistema de almacenamiento según la reivindicación 7, en donde el sistema de almacenamiento (2) es una batería, un condensador o un electrolizador.
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  10. 10. Sistema de control para controlar la tensión de un convertidor electrónico conectado a una fuente de energía o sistema de almacenamiento según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en donde las impedancias virtuales (ZP(s), ZS(s)) emulan resistencias, condensadores, inductancias o cualquier combinación de ellas.
  11. 11. Sistema de control para controlar la tensión de un convertidor electrónico conectado a una fuente de energía o sistema de almacenamiento según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, en donde la fuente de energía o sistema de almacenamiento (2) es un elemento que se puede modelar con una relación entre tensión y corriente del tipo v = -Z(s) • i, donde la impedancia Z(s) de la fuente de energía o sistema de almacenamiento (2) es variable y/o no conocida con exactitud.
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