Estudio del filtro LCL aplicado a inversores fotovoltaicos

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La demanda de sistemas de generación de energía eléctrica basados en fuentes de energía renovable, tales como eólica y solar fotovoltaica, ha situado a los convertidores electrónicos de potencia en una posición estratégica. Este interés ha propiciado que se estudien nuevos diseños de fi ltros para mejorar su conexión a red. Para poder conectar el convertidor a la red eléctrica es necesario utilizar un fi ltro de corriente entre la salida del inversor y la red, pues una conexión directa provocará un cortocircuito. Además, la calidad de la onda depende en gran medida de este elemento, pues es el encargado de atenuar las corrientes armónicas de alta frecuencia. La primera solución fue diseñar fi ltros de tipo inductivo para reducir las corrientes armónicas y poder conseguir a la salida una señal lo más sinusoidal posible. Sin embargo, en este tipo de filtros, un aumento de filtrado implica un mayor valor de inductancia. Esto supone, además de un aumento del tamaño y coste del fi ltro, una reducción del margen de trabajo del convertidor. Para resolver todos estos problemas, una posible solución es aplicar fi ltros LCL que pretenden conseguir el mismo comportamiento que el filtro inductivo pero con mejores prestaciones, tales como menor tasa de distorsión armónica total en las corrientes de salida (THD, del inglés Total Harmonic Distorsion), menor tamaño y peso del filtro, gracias a su mayor capacidad de filtrado y menor caída de tensión en el filtro, al verse reducidos los valores de las inductancias en serie del inversor, lo que permite trabajar con índices de modulación en amplitud menores, mejorando la forma de onda de la corriente. Sin embargo, este tipo de filtros son intrínsecamente inestables por lo que será necesario aplicar técnicas de amortiguamiento. El principal objetivo de este proyecto es estudiar un convertidor fotovoltaico conectado a red mediante un filtro de tipo LCL. De esta forma, se podrán analizar sus ventajas respecto al ltro de tipo L. Para poder llevar a cabo este estudio, ha sido necesario realizar un análisis de la influencia del fi ltro sobre las especi caciones del sistema y el control del convertidor. A partir de ese análisis, se ha desarrollado un programa que permite calcular el ltro en función de los parámetros del sistema y un segundo programa que permite calcular los reguladores de los lazos de control. Una vez conseguido esto, se ha podido simular el sistema y se ha comparado el convertidor con ambos fi ltros. Los resultados obtenidos con firman la posibilidad de utilizar un filtro que proporciona un mayor margen de trabajo al convertidor con un peso y coste menores. Los programas y los modelos de simulación se han obtenido usando la herramienta Matlab y Matlab/Simulink, respectivamente.
Ingeniería Industrial
Publicado el : viernes, 01 de julio de 2011
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Número de páginas: 93
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UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID
PROYECTO
FINAL
DE
CARRERA
Estudio del Filtro LCL
aplicado a Inversores Fotovoltaicos
Autor:
Alberto Villa Manrique
Director:
Dr. Joaqu´ın Eloy-Garc´ıa Carrasco
´ ´ DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA
Legan´es,juliode2011
Secretario:
Vocal:
Califi i´ cac on:
Director:quoanE´ıJscoı´Caraarol-yaGcr
Firma del tribunal calificador:
Presidente:
PROYECTO FINAL DE CARRERA
LCL
de
Legan´es,
aplicado a Inversores Fotovoltaicos
Autor:Alberto Villa Manrique
del Filtro
Estudio
Firma
de
Resumen
Lademandadesistemasdegeneracio´ndeenerg´ıael´ectricabasadosenfuentesdeenerg´ıa
renovable,talescomoe´olicaysolarfotovoltaica,hasituadoalosconvertidoreselectr´onicos
depotenciaenunaposici´onestrat´egica.Esteintere´shapropiciadoqueseestudiennuevos
dise˜nosdeltrosparamejorarsuconexio´nared.
Parapoderconectarelconvertidoralaredel´ectricaesnecesarioutilizarunltrode
corrienteentrelasalidadelinversorylared,puesunaconexi´ondirectaprovocar´ıaun
cortocircuito.Adema´s,lacalidaddelaondadependeengranmedidadeesteelemento,pues
eselencargadodeatenuarlascorrientesarm´onicasdealtafrecuencia.Laprimerasoluci´on
fuedisen˜arltrosdetipoinductivoparareducirlascorrientesarm´onicasypoderconseguira
lasalidaunase˜nalloma´ssinusoidalposible.Sinembargo,enestetipodeltros,unaumento
deltradoimplicaunmayorvalordeinductancia.Estosupone,adem´asdeunaumentodel
tama˜noycostedelltro,unareduccio´ndelmargendetrabajodelconvertidor.
Pararesolvertodosestosproblemas,unaposiblesolucio´nesaplicarltrosLCLquepre-
tenden conseguir el mismo comportamiento que el filtro inductivo pero con mejores presta-
ciones,talescomomenortasadedistorsio´narm´onicatotalenlascorrientesdesalida(THD,
delingle´s DistorsionT otal armonic Hr),mnaoymoeusasaicarg,ortlelodesypnoa˜amrt
capacidaddeltradoymenorcaı´dadetensi´onenelltro,alversereducidoslosvalores
delasinductanciasenseriedelinversor,loquepermitetrabajarconı´ndicesdemodulaci´on
en amplitud menores, mejorando la forma de onda de la corriente. Sin embargo, este tipo
deltrossonintr´ınsecamenteinestablesporloquesera´necesarioaplicart´ecnicasdeamor-
tiguamiento.
El principal objetivo de este proyecto es estudiar un convertidor fotovoltaico conectado a
redmedianteunltrodetipoLCL.Deestaforma,sepodra´nanalizarsusventajasrespecto
alltrodetipoL.Parapoderllevaracaboesteestudio,hasidonecesariorealizarunan´alisis
de la influencia del filtro sobre las especificaciones del sistema y el control del convertidor. A
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partirdeeseana´lisis,sehadesarrolladounprogramaquepermitecalcularelltroenfunci´on
delospar´ametrosdelsistemayunsegundoprogramaquepermitecalcularlosreguladores
de los lazos de control. Una vez conseguido esto, se ha podido simular el sistema y se ha
comparado el convertidor con ambos filtros.
Los resultados obtenidos confirman la posibilidad de utilizar un filtro que proporciona
un mayor margen de trabajo al convertidor con un peso y coste menores.
Losprogramasylosmodelosdesimulaci´onsehanobtenidousandolaherramientaMatlab
yMatlab/Simulink, respectivamente.
´ Indice
1.Introducci´on
general
1.1.Motivaci´on
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1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3. Estructura del proyecto . . . . . .
2.Disen˜odelltro
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. . . . .
. . . . . . . .
2.1.Introduccio´n.....................................
2.2.Topologı´aL.....................................
2.3.
2.4.
Topologı´aLCL............
Amortiguamiento
del filtro
LCL . . .
I
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
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5
7
7
8
10
12
II
´ INDICE GENERAL
2.4.1.Funci´ondetransferencia..........................12
2.4.2. Comportamiento del filtro amortiguado . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5. L´ımites de funcionamiento del inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.6. Requisitos y limitaciones del filtro LCL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.7.Procedimientodeca´lculodelltroLCL.....................27
3.Modelodin´amicodelsistema
31
3.1.Introduccio´n.....................................31
3.2. Modelo en ejesdq 32 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .del convertidor .
4.Disen˜odelcontrol
37
4.1.Introduccio´n.....................................37
4.2.Modulacio´nvectorial................................39
4.3.C´alculodelosreguladores.............................45
4.3.1. Regulador de corriente . . . . . . . . . . . .
4.3.2.Reguladordetensio´n....
. . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 45
. . . . . . . . . . . . . .
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48
6. Conclusiones
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. . . . . . 51
5.Simulacio´n
´ INDICE GENERAL
51
III
A. Contenidos del CD-ROM
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5.2.2. Rizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
5.2.1.Respuestadin´amica............................
61
5.2. Estudio del filtro LCL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
5.1.Datospreviosalasimulacio´n..
. . . . . . 54
66
5.3.1.Respuestadin´amica............................
´ 5.3.3.Indicedemodulaci´on.....
5.3.2. Rizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
´ 5.2.3.Indicedemodulacio´n...........................
65
5.3.Comparaci´onFiltroLconFiltroLCL......................
71
67
73
. . . . . . . . . . .
. . . . .
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. . . . .
IV
´ INDICE GENERAL
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Componentes del Filtro
LCL
3. . .
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56
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56
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5.5.
Componentes del Filtro LCL 2.
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25
55
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5.3. Porcentaje de rizado. . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4. Componentes del Filtro LCL 1.
56
. .
54
Distorsio´narm´onicadelacorriente...................
2.1.
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tablas
de
´ Indice
V
5.6.
5.2.Produccio´ndereactiva.....
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
4.1.
5.1.Puntosdema´ximapotencia(MPP)........................
4.2. Tensiones de salida para los vectores activos en ejesαβ . . . . . . . . . . . 41. .
Tensiones de salida para los vectores activos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
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