Diseño, implementación y análisis de eficiencia de topologías de interconexión de pilas de combustible con sistemas de auxiliares de almacenamiento de energía y cargas eléctricas.

Abstract

En el presente proyecto de investigación con características exploratorias debido al contexto social del país y la región, se abordó el diseño, implementación y análisis de eficiencia de las topologías básicas de interconexión (Serial y Paralela) empleadas en sistemas de generación de energía eléctrica basados en pilas de combustible, fuente de energía alternativa bastante prometedora hacia el futuro. El trabajo presenta un análisis del estado del arte de estas fuentes de energía alternativas, destacándose aspectos funcionales de las pilas de combustible. De igual manera, se realizó un análisis de la literatura, destacando el uso de las topologías (considerando como características potencia y aplicación) y la utilización de convertidores de potencia tipo DC/DC, para el acondicionamiento de potencias requerido en las topologías (considerando características como potencia, aplicación y complejidad). En la segunda parte del trabajo, se realiza un análisis completo de un sistema basado en pilas de combustible, que emplea como elemento auxiliar de almacenamiento de energía un banco de baterías y utiliza una carga resistiva con tensión de salida regulada. Debida a la limitada cantidad de recursos con los que se elaboró este proyecto, la pila de combustible fue remplazada por una fuente de DC de altas prestaciones. En este capítulo, se realiza el diseño de los convertidores de potencia (tipo Buck y Boost), sus respectivas tarjetas de control e instrumentos de medidas (tensiones y corrientes) de acuerdo a las condiciones de operación. Además, se presenta el desarrollo de controles de corriente que facilitan la controlabilidad y mejoran la robustez del sistema. El desempeño de estos controladores se evaluó en base a curvas de respuesta en frecuencia, comportamiento mediante simulación y experimentación. La tercera parte del trabajo profundiza en aspectos de análisis y diseño de estrategias de control y gestión de energía de las topologías de interconexión. En este capítulo se propone una estrategia de estimación de estado de carga para el elemento de almacenamiento auxiliar para fines de control de esta variable. A su vez, se proponen algunos cambios a los convertidores de potencia, con el fin de facilitar el desarrollo y mejorar la confiabilidad de las estrategias de control. Debido a estos elementos adicionales, para cada topología se realiza un análisis del sistema multivariable para establecer la dependencia de variables manipuladas y controladas de cada topología. Luego, se proponen las estrategias de control de cada topología (control de estado de carga, regulación de tensión de salida y limitación de slew rate de la corriente generada por la pila de combustible) en base a los resultados obtenidos del modelo multivariable. Finalmente, se analiza el desempeño de las topologías, mediante pruebas en simulación y en experimentación, donde se verificó el funcionamiento de cada una, habilitándolas para un estudio comparativo de eficiencias. En el cuarto capítulo se realiza un análisis de eficiencia de las topologías de interconexión, teniendo en cuenta características de un perfil de carga pulsante seleccionado; no obstante, los resultados obtenidos pueden extenderse a otras cargas (perfiles de conducción de automóviles, comportamientos de cargas industriales y residenciales, entre otras). Se realizó un análisis de flujos energéticos desde la pila de combustible y el sistema auxiliar para suplir una carga determinada y se obtuvo una expresión, donde es posible establecer qué topología tiene mayor eficiencia, ante un perfil de carga particular. Dicha expresión depende de las pérdidas de potencia de cada convertidor, las cuales varían de acuerdo al punto de trabajo. Por ello, para realizar el análisis de eficiencia, en caso de no disponer de mediciones confiables de energía generada por la pila de combustible, es posible emplear valores RMS de tensiones y corrientes para establecer qué topología muestra más eficiencia de acuerdo a la carga. De igual manera, se sugiere una metodología de simulación de las topologías en base a convertidores estáticos, con sus respectivas estrategias de control, con el fin de disponer de una herramienta para analizar la eficiencia de las topologías. Finalmente, se propone una estrategia de análisis, basada en resultados de simulación, para determinar qué topología debería emplearse de acuerdo al perfil de carga seleccionado. Los resultados de esta técnica propuesta se verificaron al comparar los resultados en simulación y en experimentación ante diversos perfiles de carga (diferentes magnitudes pico, frecuencias y ciclos de operación), con buenos resultados.