CIENCIA

Análisis y Diseño de Controladores para
Inversores Multinivel en Sistemas Fotovoltaicos
Conectados a Red

Tesis Doctoral Presentada Para la Obtención del
Titulo de Doctor en Ingeniería Electrónica por:

Juan José Negroni Vera

Director: Domingo Biel Solé.
Francesc Guinjoan Gispert.

Barcelona-2007

INDICE
CAPITULO 1
1.1 Perspectivas de crecimiento de los sistemas fotovoltaicosconectados a red

2

1.2 Aspectos funcionales y opciones de diseño de los sistemas fotovoltaicos
conectados a red.

3

1.2.1 La cadena de captación y conversión

3

1.2.2 Los captadores fotovoltaicos: célula, panel y generador fotovoltaico.

4

1.2.3 El sistema procesador de potencia

8

1.2.3.1 Objetivos:

8

1.2.3.2 Arquitecturas y circuitos de conversión.

91.2.3.3Arquitecturas y circuitos de conversión considerados en este trabajo.

13

1.3 Motivación de la tesis: estrategias de control de los sistemas elegidos.

15

1.3.1 Objetivos de control

15

1.3.2 Antecedentes

15

1.3.2.1 Arquitectura centralizada

15

1.3.2.2 Arquitectura AC-serie con ondulador multinivel:

16

1.3.3 Problemáticas de control:

17

1.4 Objetivos yorganización del trabajo

19

CAPITULO 2

2.1 Modelo de estado del generador fotovoltaico conectado a red eléctrica
mediante un inversor monofásico

2-3

2.2 Modelado basado en el balance energético del generador fotovoltaico
conectado a red eléctrica mediante un inversor monofásico

2-7

2.2.1 Modelo discreto del balance energético.

2-9

2.2.2 Linealización del modelo del conjuntofotovoltaico.

2-10

2.3 Diseño de los controladores del generador fotovoltaico
conectado a red eléctrica mediante un inversor monofásico

2-13

2.3.1 Diseño del Controlador Discreto del Lazo Externo

2-14

2.3.2 Diseño del Controlador del Lazo Interno

2-18

2.3.2.1 Diseño de un control PI con acción integral a la frecuencia de red

2-18

2.3.2.2 Diseño de un control en mododeslizante

2-22

2.4 Simulaciones del generador fotovoltaico conectado a red eléctrica
mediante un inversor monofásico
2.4.1 Parámetros de simulación:

2-27
2-27

2.4.2 Simulaciones realizadas con el controlador PI y
modulación PWM unipolar:

2-29

2.4.2.1 Comportamiento ante cambios de referencia:

2-29

2.4.2.2 Comportamiento ante cambios de irradiancia:

2-31

2.4.2.3Emulación del algoritmo MPPT

2-32

2.4.3 Simulaciones realizadas con un control en modo de deslizamiento:

2-34

CAPITULO 3

3-1

3.1 INVERSORES MULTINIVEL:

3-3

3.1.1 Principio de funcionamiento

3-3

3.1.2 Topologías multinivel: el convertidor en cascada en puente completo
con fuentes independientes

3-4

3.1.3 Generalidades sobre las estrategias de modulación
paraconvertidores multinivel

3-6

3.1.4 La modulación PWM senoidal (SPWM):

3-7

3.1.4.1 Conmutación Basada en Múltiples Moduladoras.

3-8

3.1.4.2 Conmutación Basada en Portadora Modificada

3-8

3.1.4.2.1 Modulación con portadoras desfasadas PS-PWM
(Phase Shifted Pulse Width Modulation)

3-9

3.1.4.2.2 Modulación por disposición de portadoras PD-PWM
(Phase Disposition Pulse WidthModulation)

3-10

3.2 Sistema Fotovoltaico Considerado

3-12

3.1.1 Modelo discreto del balance energético.

3-15

3.1.2 Linealización del modelo del conjunto fotovoltaico.

3-18

3.2 Diseño de los controladores del generador fotovoltaico conectado a red
eléctrica mediante un inversor multinivel

3-20

3.2.1 Diseño del Controlador Discreto del Lazo Externo

3-21

3.2.2Diseño del Lazo Interno. Controladores y modulaciones.

3-22

3.2.2.2 Control PI con acción integral en la frecuencia de red y
modulación PS-PWM
3.2.2.3.1 Aplicación multinivel en cascada con PS-PWM.

3-23
3-25

3.2.2.3 Control PI con acción integral en la frecuencia de red y
modulación PD-PWM

3-28

3.2.2.3.1 Efectos de la distribución de portadoras

3-28

3.2.2.3.2...