A control system for reducing the hydrogen consumption of PEM fuel cells under parametric uncertainties

Este artículo presenta un sistema de control para reducir el consumo de hidrogeno para una celda de combustible de Membrana de Intercambio Protónico, considerando incertidumbres paramétricas. El sistema de control incluye un modelo no lineal en el espacio de estado para la celda de combustible, un filtro de Kalman/estimador, un regulador óptimo cuadrático y algoritmo de seguimiento de puntos de máxima potencia (MPP). El objetivo de control es suministrar la potencia de carga demandada, evitando el agotamiento del oxígeno y minimizando el consumo de hidrógeno por medio de un algoritmo de Perturbación y Observación (P&O). El desempeño del sistema de control es evaluado ante incertidumbres paramétricas al simular escenarios de perdida de desempeño como producto del envejecimiento del compresor. De esta forma, dos escenarios fueron simulados: un primer escenario simula un error entre la ganancia (de lazo abierto) del compresor de la celda de combustible y la del modelo; y un segundo escenario, con un error entre la corriente de pérdidas y del compresor de la celda de combustible con respecto al modelo. Los resultados de simulación muestran que el filtro Kalman/estimador logra contrarrestar las incertidumbres producidas por los cambios paramétricos del sistema. Igualmente, el algoritmo MPP logra suministrar el voltaje del compresor adecuado sin necesidad de un perfil óptimo en condiciones ideales.This paper presents a control system for reducing the hydrogen consumption for a Polymer Electrolyte Membrane fuel cell, also considering parametric uncertainties. The control system is based on a non-linear state space model of the fuel cell, a Kalman filter/estimator, a linear state feedback controller and a Maximum Power Point (MPP) tracking algorithm. The control objective is to supply the requested load power, avoiding oxygen starvation with minimum fuel consumption using a Perturb and Observe (P&O) algorithm. The performance of the control system was assessed under parametric uncertainties by simulating a performance degradation of the compressor due to aging. Thus, two cases were simulated: first, a mismatch between the system and the linear model in the (open-loop) air compressor gain; and second, a mismatch between the system and the linear model in the current compressor and losses. The simulation results showed that the Kalman filter/estimator overcome the uncertainties produced by the parametrical variations. Besides, the P&O algorithm accomplished to provide the suitable compressor voltage without identifying an optimal profile under ideal operating conditions and empirical data

Photovoltaic System Regulation Based on a PID Fuzzy Controller to Ensure a Fixed Settling Time

El objetivo principal de controlar los sistemas fotovoltaicos (PV) es asegurar la máxima extracción de potencia disponible. Estos controladores usualmente combinan la acción de un algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) con un regulador de tensión, el cual tiene la función de rechazar las perturbaciones en los terminales del panel. Estos controladores se basan comúnmente en estructuras PI-PID que requieren modelos linealizados alrededor del punto de operación. Pero, debido a perturbaciones generadas por el ambiente y la carga, el punto de operación cambia drásticamente, lo que dificulta obtener el desempeño deseado. Este artículo propone regular el sistema PV utilizando un controlador Fuzzy-PID, el cual se adapta a los cambios de irradiancia solar y oscilaciones en la carga. Esta característica garantiza un tiempo de establecimiento constante, el cual se requiere para definir de forma precisa el periodo del algoritmo MPPT. En el caso de controladores lineales, el periodo del MPPT se fija en el peor caso (periodo más largo), lo cual genera pérdidas de potencia adicionales al disminuir la velocidad del seguimiento del punto de operación óptimo. La solución propuesta en este artículo mejora la eficiencia general del sistema. Finalmente, la solución se valida con simulaciones en Matlab®.The main objective of the controllers in photovoltaic systems (PV) is to ensure the maximum extraction of the available power. Those controllers usually combine the action of a maximum power point tracking algorithm (MPPT) with a voltage regulator, which has the function of rejecting disturbances at the panel terminals. Such controllers are commonly based on PI and PID structures, it requiring linearized models at an operating point. But, due to disturbances generated by the environment and the load, the operating point of the system changes drastically, which hinder to obtain the desired system performance. This paper proposes to regulate the PV system using a Fuzzy PID controller, which adapts to changes in solar irradiance and load oscillations. This characteristic guarantees a constant settling time, which is required to precisely define the period of the MPPT algorithm. In the case of classical linear controllers, the period of the MPPT algorithm is set to the worst case (longest period) which generates additional power losses by slowing down the tracking of the optimal operating point. Therefore, the solution proposed in this paper improves the overall system efficiency. Finally, such a solution is validated through simulations in Matlab®

Impact of government incentives in the profitability of green energy production using fuel cells in Colombia

Las celdas de combustible son alternativas tecnológicas para producir energía renovable, sin embargo, los altos costos hacen a estas una opción poco rentable. Este artículo analiza el impacto de los incentivos del Gobierno de Colombia en la rentabilidad de la generación de energía eléctrica a partir de celdas de combustible. El análisis está basado en los costos totales de la operación de las celdas de combustible en tres escenarios representativos: una residencia, una oficina y un elevador de un edificio. La viabilidad económica de la generación con celdas de combustible en estos tres casos es contrastada con soluciones clásicas como generación a partir de diésel y la red eléctrica convencional. Los resultados permiten identificar que los incentivos del Gobierno de Colombia son muy efectivos para quienes generen a partir de energía renovable, como celdas de combustible, en contraste con otras opciones menos amigables con el medio ambiente, como los generadores diésel. Finalmente, nuevos incentivos son propuestos sobre la base de subsidios ofrecidos por otros países con alta penetración de las celdas de combustible en su mercado eléctrico. Todos los análisis están soportados en simulaciones realizadas con modelos matemáticos parametrizados que consideran las características de los dispositivos comerciales.Fuel cells are a technological alternative to produce green energy, however, high costs make fuel cell a non-profitable option. This paper analyses the impact of the Colombian government incentives in the profitability of fuel cells. The analysis is based on the total operation cost of the fuel cell in three representative applications: residential, office and building elevator. The economic viability of fuel cell generation in those cases is contrasted with classical solutions like diesel generators and standard grid to provide a reference framework. Such results enable to evaluate the effectiveness of the Colombian government incentives in promoting the use of fuel cells over other less environmental-friendly options such as diesel generators. Finally, new incentives are proposed by subsidies offered by other countries with higher fuel cell penetration into their electric market. All the analyses are supported in simulations performed with a mathematical model parameterized using the characteristics of commercial devices

Energy Prediction in Urban Photovoltaic Systems

Este artículo propone un nuevo método para estimar la potencia y energía producida por sistemas fotovoltaicos urbanos, los cuales son comúnmente cubiertos por sombras que afectan su desempeño. La solución se basa en un algoritmo para procesar, rápidamente, un modelo preciso que considera el efecto de las sombras. Esta solución provee un mejor desempeño en comparación con aproximaciones clásicas, ya que reduce significativamente el tiempo de cálculo sin introducir errores sensibles, permitiendo la simulación de largos periodos de operación, e.g. meses y años. Por lo tanto, esta solución es apropiada para realizar estimaciones de energía orientadas a análisis económicos, e.g. cálculo del tiempo de retorno de la inversión, así como para soportar el diseño de instalaciones fotovoltaicas, permitiendo el cálculo preciso del número de módulos requeridos para suplir el perfil de carga.This paper proposes a new method to accurately estimate the power and energy production in urban photovoltaic (PV) systems, which are commonly covered by shades affecting its performance. The solution is based on an efficient algorithm designed to compute, in short time, an accurate model accounting for the shades impact. In such a way, the proposed approach improves classical solutions by significantly reducing the processing time to simulate long periods, e.g. months and years, but without introducing sensible errors. Therefore, this approach is suitable to estimate the production of PV systems for economical analyses such as the return-of-invested time calculation, but also to accurately design PV installations by selecting the right number of photovoltaic modules to supply the required load power.  

Impact of government incentives in the profitability of green energy production using fuel cells in Colombia

Las celdas de combustible son alternativas tecnológicas para producir energía renovable, sin embargo, los altos costos hacen a estas una opción poco rentable. Este artículo analiza el impacto de los incentivos del Gobierno de Colombia en la rentabilidad de la generación de energía eléctrica a partir de celdas de combustible. El análisis está basado en los costos totales de la operación de las celdas de combustible en tres escenarios representativos: una residencia, una oficina y un elevador de un edificio. La viabilidad económica de la generación con celdas de combustible en estos tres casos es contrastada con soluciones clásicas como generación a partir de diésel y la red eléctrica convencional. Los resultados permiten identificar que los incentivos del Gobierno de Colombia son muy efectivos para quienes generen a partir de energía renovable, como celdas de combustible, en contraste con otras opciones menos amigables con el medio ambiente, como los generadores diésel. Finalmente, nuevos incentivos son propuestos sobre la base de subsidios ofrecidos por otros países con alta penetración de las celdas de combustible en su mercado eléctrico. Todos los análisis están soportados en simulaciones realizadas con modelos matemáticos parametrizados que consideran las características de los dispositivos comerciales.Fuel cells are a technological alternative to produce green energy, however, high costs make fuel cell a non-profitable option. This paper analyses the impact of the Colombian government incentives in the profitability of fuel cells. The analysis is based on the total operation cost of the fuel cell in three representative applications: residential, office and building elevator. The economic viability of fuel cell generation in those cases is contrasted with classical solutions like diesel generators and standard grid to provide a reference framework. Such results enable to evaluate the effectiveness of the Colombian government incentives in promoting the use of fuel cells over other less environmental-friendly options such as diesel generators. Finally, new incentives are proposed by subsidies offered by other countries with higher fuel cell penetration into their electric market. All the analyses are supported in simulations performed with a mathematical model parameterized using the characteristics of commercial devices

Equivalent circuits for simulating irregular PV arrays under partial shading conditions

El modelado y simulación de sistemas fotovoltaicos (PV) son áreas de investigación abiertas ya que las curvas I-V y P-V son comúnmente requeridas para analizar el desempeño de instalaciones PV. Para obtener dichas curvas se pueden utilizar paquetes de cómputo, sin embargo, el tipo de conexión y el tamaño del arreglo PV pueden ocasionar largos tiempos de simulación. Para superar dicha dificultad se han propuesto técnicas basadas en los puntos de inflexión para modelar el arreglo PV con el objetivo de reconstruir exactamente las curvas eléctricas requeridas. Sin embargo, tal análisis ha sido aplicado solo a la configuración serie-paralelo (SP), la cual es solo una de las alternativas para conectar arreglos PV entre otras opciones de conexión regular o irregular. Por esto, se requiere una aproximación más general. Este artículo presenta una proximación para obtener las curvas características de cualquier arreglo PV, regular o irregular, extendiendo el análisis de los puntos de inflexión. Entonces, de las curvas eléctricas del arreglo PV es simplificado utilizando circuitos equivalentes en intervalos definidos por los puntos de inflexión. Tal procedimiento está basado en definir cuáles módulos se activan debido al comportamiento de los diodos de bypass. Finalmente, la aproximación propuesta permite analizar cualquier arreglo PV sin requerir de simulaciones largas. La solución fue validada por medio de resultados de simulación obtenidos en Matlab®.Modeling and simulation of photovoltaic (PV) systems are open research areas since I-V and P-V curves are commonly required to analyze the performance of PV installations. To obtain such curves commercial software packages can be used, however the connection type and size of the PV array may cause large simulation times. To overcome such an issue several techniques based on analyzing the inflection points have been proposed to model the PV array with the aim of reconstruct accurately the required electrical curves. However, such analysis has been applied only for series-parallel (SP) configuration, which is just one alternative to connect PV arrays among several other regular or irregular options. Therefore, a more general approach is needed. This paper presents an approach to obtain the characteristics curves for any PV array, regular or irregular, by extending the inflection points analysis. Then, the calculation of the PV array electrical curves is simplified by using equivalent circuits within the intervals defined by the inflection points. Such a procedure is based on defining which modules become active due to the behavior of the bypass diodes. Finally, the proposed approach enables to analyze any PV array without requiring long electrical simulations. The solution was validated by means of simulation results obtained in Matlab®

Modeling of PV Systems Based on Inflection Points Technique Considering Reverse Mode

Este artículo propone una metodología para el modelado de sistemas fotovoltaicos, considerando su comportamiento tanto en el modo de operación directo como en modo inverso bajo condiciones no uniformes de irradiación. La metodología propuesta se basa en la técnica de puntos de inflexión con una aproximación lineal del modelo del diodo de bypass y un modelo simplificado del módulo fotovoltaico. El modelo matemático planteado permite evaluar el rendimiento energético de un sistema fotovoltaico, con tiempos cortos de simulación para arreglos de gran tamaño. Adicionalmente, esta metodología permite estimar el estado de los módulos afectados por el sombreo parcial ya que es posible conocer la potencia disipada debido a la operación en el segundo cuadrante.This paper proposes a methodology for photovoltaic (PV) systems modeling, considering their behavior in both direct and reverse operating mode and considering mismatching conditions. The proposed methodology is based on the inflection points technique with a linear approximation to model the bypass diode and a simplified PV model. The proposed mathematical model allows to evaluate the energetic performance of a PV system, exhibiting short simulation times in large PV systems. In addition, this methodology allows to estimate the condition of the modules affected by the partial shading since it is possible to know the power dissipated due to its operation at the second quadrant

Mathematical Model of Bridge-Linked Photovoltaic Arrays Operating Under Irregular Conditions

Este artículo presenta un procedimiento matemático para modelar un arreglo fotovoltaico (N filas y M columnas) en configuración puente-vinculado operando en condiciones regulares o irregulares. Dicho procedimiento usa el modelo ideal de un diodo para representar cada modulo fotovoltaico y la ecuación de Shockley para representar cada diodo de desviación. Para plantear el sistema de NxM ecuaciones no lineales requerido para obtener los voltajes de cada modulo, el modelo propuesto aplica la ley de corrientes de Kirchhoff a cada nodo interno del arreglo y la ley de voltajes de Kirchhoff a: cada lazo creado en la parte superior de una conexión entre dos columnas consecutivas y a cada columna con respecto al voltaje del arreglo. Además, el modelo provee un procedimiento para obtener la matriz Jacobiana para reducir el tiempo de solución del sistema de ecuaciones. El modelo circuital de dos arreglos (pequeño: 3x3 y mediano: 20x3) fue implementado en Simulink para validar el modelo. La exactitud y mejora en la velocidad de cálculo del modelo propuesto permite su uso para realizar evaluaciones energéticas de arreglos en puente vinculado o su comparación con otras configuraciones típicas, lo cual puede ser útil en el diseño de plantas fotovoltaica.This paper presents a mathematical procedure to model a photovoltaic array (N rows and M columns) in bridge-linked configuration operating under regular and irregular conditions. The proposed procedure uses the ideal single-diode model representation for each photovoltaic module and the Shockley equation to represent each bypass diode. To pose the system of NxM non-linear equations required to obtain the voltages of each module of the array, the proposed model apply the Kirchhoff current law to each internal node of the array and the Kirchhoff voltage law to: each loop created in the upper part of each connection of two consecutive strings and each string with respect to the output voltage of the array. Moreover, the model provide a procedure to obtain the Jacobian matrix to reduce the solution time of the equation system. The circuital model of two arrays (small: 3x3 and medium: 20x3) were implemented in Simulink to validate the proposed model. The accuracy and improved calculation speed of the proposed model allow its use to perform energetic evaluations of bridge-linked arrays or its comparison with other typical array configurations, which can be useful in the designing of photovoltaic plants

Search Space Calculation to Improve Parameter Estimation of Excitation Control Systems

En este artículo se presenta un método para calcular el espacio de búsqueda de cada parámetro del modelo de un sistema de control de excitación. Con el espacio de búsqueda calculado se pretende reducir el número de conjuntos de parámetros solución que pueden ser encontrados por el algoritmo de estimación, reduciendo su tiempo de procesamiento. El método considera un rango de la constante de tiempo del generador sincrónico entre 4s y 10s, un índice de desempeño del sistema de control de excitación, una técnica de diseño de controladores y la estructura del modelo del sistema de control de excitación. Cuando se usa el espacio de búsqueda obtenido para estimar los parámetros, el algoritmo toma menos tiempo de procesamiento y los parámetros estimados son cercanos a los parámetros de referencia.A method to calculate the search space for each parameter in an excitation control system is presented in this paper. The calculated search space is intended to reduce the number of parameter solution sets that can be found by an estimation algorithm, reducing its processing time. The method considers a synchronous generator time constant range between 4s and 10s, an excitation control system performance index, a controller design technique, and the excitation control system model structure. When the obtained search space is used to estimate the parameters, less processing time is used by the algorithm. Also the estimated parameters are closer to the reference ones

Modeling and Parameter Estimation of a Small Wind Generation System

En este artículo se presentan el modelado y la estimación de parámetros de un sistema de generación eólico de baja potencia. El sistema está conformado por: una turbina eólica, un generador de imanes permanentes, un rectificador trifásico y una carga eléctrica de corriente directa. Para estimar los parámetros se utilizan datos de velocidad de viento registrados con una estación meteorológica ubicada en el Campus Fraternidad del ITM. Los datos de velocidad de viento fueron aplicados a un modelo de referencia programado en el software PSIM y de esta simulación se registraron las variables para estimar los parámetros. El modelo del sistema de generación en conjunto con los parámetros estimados constituye una excelente representación del modelo detallado, ofreciendo mayor flexibilidad que el modelo utilizado en el software PSIM.The modeling and parameter estimation of a small wind generation system is presented in this paper. The system consists of a wind turbine, a permanent magnet synchronous generator, a three phase rectifier, and a direct current load. In order to estimate the parameters wind speed data are registered in a weather station located in the Fraternidad Campus at ITM. Wind speed data were applied to a reference model programed with PSIM software. From that simulation, variables were registered to estimate the parameters. The wind generation system model together with the estimated parameters is an excellent representation of the detailed model, but the estimated model offers a higher flexibility than the programed model in PSIM software