Contributions to the efficiency and safety of stand-alone DC microgrids

Currently, the distributed generation based on renewable energy sources is mainly DC. Those DC systems are used diverse applications such as airplanes, automobiles, ships, spaceships, computers, servers, telecommunications stations, among others. This thesis considers an isolated DC microgrid architecture composed of a renewable source, an energy storage system, and a DC load. The thesis is aimed at identifying and solving efficiency and safety problems at the source, the DC bus, and the load. During the development of this Thesis, six contributions to the state-of-the-art of DC microgrids were obtained. The first contribution is the mathematical model of a distributed maximum power point platform formed by multiple module-converter sets connected in series, which can be implemented in different programming languages and deployed on multiple platforms to evaluate optimization strategies. The second contribution is a vectorial MPPT algorithm for a distributed photovoltaic system, based in the perturb and observe algorithm. This algorithm provides a satisfactory trade-off between implementation cost and energy production since it uses a single I/V sensor. The third contribution is a reconfiguration algorithm that optimizes the electrical connections of a commercial photovoltaic array, which enables to maximize the energy extraction under arbitrary shading conditions. The fourth and fifth contributions are two control strategies, based on sliding-modes, designed for a charger/discharger DC/DC converter. Those solutions enable to regulate the voltage on the DC-bus of the microgrid to improve the microgrid safety. One of the strategies considers the current of the DC-bus into the sliding surface, which gives a better performance in terms of overshoot and settling time of the DC bus voltage. The final contribution concerns a control strategy, also based on sliding modes, to regulate a point-of-load DC/DC converter. Such a contribution enables to improve the conversion efficiency, and at the same time, to improve the load safety by reducing the current and voltage ripples delivered by the converter. Finally, those contributions improve the electrical efficiency and operational safety of DC microgrids based on renewable sources. The results obtained in this thesis were published in five journals articles and three communications to conferences. From those, three articles were published in Q1 journals, one article was published in Q3 journal, and another one was published in a Colombian journalResumen: Actualmente, la generación distribuida basada en fuentes de energía renovable es principalmente DC. Estos sistemas DC son utilizados en aviones, automóviles, barcos, naves espaciales, computadores, servidores, estaciones de telecomunicaciones, etc. Esta Tesis considera una arquitectura de microrred DC aislada compuesta por una fuente renovable, un sistema de almacenamiento de energía y una carga DC. La tesis tiene como objetivo identificar y solucionar problemas de eficiencia y seguridad de operación en la fuente, en el bus DC y en la carga. Durante el desarrollo de esta Tesis se obtuvieron seis aportes al estado del arte en microrredes DC. La primera contribución es el modelo matemático de una plataforma de seguimiento del punto de máxima potencia formada por múltiples conjuntos panel-convertidor conectados en serie, el cual se puede implementar en diferentes lenguajes de programación y desplegar en múltiples plataformas para evaluar estrategias de optimización. La segunda contribución es un algoritmo MPPT vectorial para un sistema fotovoltaico distribuido, basado en el algoritmo de perturbar y observar. Este algoritmo proporciona una compensación satisfactoria entre el costo de implementación y la producción de energía, ya que utiliza un solo sensor de I/V. La tercera contribución es un algoritmo de reconfiguración que optimiza las conexiones eléctricas de un arreglo de paneles fotovoltaicos comercial, el cual permite maximizar la extracción de energía bajo condiciones arbitrarias de sombreado. La cuarta y quinta contribución son dos estrategias de control, basadas en modos deslizantes, diseñadas para un convertidor DC/DC cargador/descargador. Estas soluciones permiten regular el voltaje del bus DC de la microrred para mejorar la seguridad de su operación. Una de las estrategias considera la corriente del bus DC en la superficie deslizante, lo cual da un mejor desempeño en cuanto al sobreimpulso y el tiempo de establecimiento del voltaje del bus DC. La contribución final es una estrategia de control, también basada en modos deslizantes, para regular un convertidor DC/DC point-of-load. Esta contribución permite mejorar la eficiencia de la conversión y al mismo tiempo mejorar la seguridad operativa de la carga reduciendo el rizado de voltaje y corriente entregado por el convertidor. Finalmente, estas contribuciones mejoran la eficiencia eléctrica y la seguridad operativa de microrredes DC basadas en fuentes de energía renovable. Los resultados obtenidos en esta Tesis fueron publicados en cinco artículo de revista y tres ponencias en conferencias. De estos, tres artículos fueron publicados en revistas clasificadas en Q1, un artículo fue publicado en una revista con clasificación Q3 y otro en una revista colombianaDoctorad

Conversión de Potencia para un Sistema de Almacenamiento Híbrido Batería-Capacitor

Context: Thanks to the low emissions of CO2 generated by electric systems, those solutions have anincreased attention from industry and academia. However, the electrical storage systems required in alarge amount of applications must to have both high energy and power densities. Method: To meet those requirements, this paper proposes an active hybrid energy storage system(HESS), which is formed by a battery, i.e. the device with high energy density, and a capacitor, i.e. the device with high power capability. The proposed power system also protects the battery by limiting the current derivative. Results: Two sliding-mode controllers (SMC) are designed to regulate both the battery current and the load voltage. The design process guarantees the global stability and safe battery operation. Conclusions: The controller avoids the battery degradation caused by the high-frequency current components since the capacitor assumes those components demanded by the load profile.Contexto: Gracias a las bajas emisiones de CO2 de los sistemas el´ectricos, estos han ganado mucha atenci´on por parte de la industria y la academia. Sin embargo, los sistemas de almacenamiento de energ´ıa requeridos en un sin numero de aplicaciones deben garantizar ser de alta densidad de energ´ıa y potencia. M´etodo: Para satisfacer estos requerimientos, este trabajo propone un sistema de almacenamiento de energ´ıa h´ıbrido (HESS) activo, el cual es formado por una bater´ıa como dispositivo de alta densidad de energ´ıa, y un capacitor como el dispositivo de alta densidad de potencia. Asimismo, la soluci´on propuesta protege la bater´ı a trav´es de la limitaci´on de la derivada de la corriente. Resultados: Se dise˜nan dos controladores por modos deslizantes, uno para la corriente de la bater´ıa y otro para regular el voltaje en la carga. El proceso de dise˜no garantiza la estabilidad global del sistema y una operaci´on segura de la bater´ıa

Operación de un PLC Mediante un PDA Vía ZIGBEE

En este artículo se muestra la parte preliminar de interconexión de un módulo ZigBee con un Asistente Digital Personal (PDA) a través de la red del Sistema de telefonía Móvil Global (GSM), para aplicación futura de comunicación con un Controlador Lógico Programable (PLC). Esta aplicación permite realizar monitoreo y control del sistema, de manera remota y con dispositivos móviles siendo el alcance del proyecto de investigación. Para este proyecto inicialmente se realizan comunicaciones que permiten empalmar las tecnologías de las redes de telefonía móvil celular con la red ZigBee, haciendo una interfaz transparente para el usuario, presentando dichos resultados en este artículo. Para esto se trabaja con tramas de datos básicas a través de la red de telefonía móvil celular, mediante mensajería corta recibida por el puerto serial del Zigbee remoto, utilizando microcontroladores para el control de los módulos que conforman esta parte del sistema de comunicación, estableciendo la interfaz con el dispositivo móvil o Smartphone vía Zigbee

Control of a Charger/Discharger DC/DC Converter with Improved Disturbance Rejection for Bus Regulation

Stand-alone power systems based on renewable energy sources are widely used for energy generation in remote locations and for distributed generation in urban environments. The DC bus is an essential component of these systems since it enables power transmission between the sources, loads and batteries. The batteries are interfaced with the bus using a charger/discharger DC/DC converter, which is controlled to regulate the DC bus voltage under any operating conditions. This is an important task because unsafe over-voltages and under-voltages in the bus could damage the sources, loads and power converters. This paper proposes a sliding-mode controller for a charger/discharger DC/DC converter with improved disturbance rejection to provide a tight bus voltage regulation for safe operation. The main novelty of this solution is the inclusion of the bus current in the sliding surface, which accelerates the controller response. Moreover, a formal proof of the system global stability is provided, and a detailed process is developed to calculate the controller and implementation parameters. Finally, the proposed solution is validated through simulations and experiments

Operación de un PLC Mediante un PDA Vía ZIGBEE

En este artículo se muestra la parte preliminar de interconexión de un módulo ZigBee con un Asistente Digital Personal (PDA) a través de la red del Sistema de telefonía Móvil Global (GSM), para aplicación futura de comunicación con un Controlador Lógico Programable (PLC). Esta aplicación permite realizar monitoreo y control del sistema, de manera remota y con dispositivos móviles siendo el alcance del proyecto de investigación. Para este proyecto inicialmente se realizan comunicaciones que permiten empalmar las tecnologías de las redes de telefonía móvil celular con la red ZigBee, haciendo una interfaz transparente para el usuario, presentando dichos resultados en este artículo. Para esto se trabaja con tramas de datos básicas a través de la red de telefonía móvil celular, mediante mensajería corta recibida por el puerto serial del Zigbee remoto, utilizando microcontroladores para el control de los módulos que conforman esta parte del sistema de comunicación, estableciendo la interfaz con el dispositivo móvil o Smartphone vía Zigbee

Model of Series-Parallel Photovoltaic Arrays Using Double-Diode Model and Parallel Computing

Several applications require to estimate the power production of photovoltaic (PV) systems under partial shading conditions. For example, dynamic reconfiguration of the array connections is needed to maximize the power production under partial shading conditions, which requires estimating the power generated by the PV array in several possible configurations. Therefore, a fast and accurate modeling technique is needed to perform those calculations in practical times and with low estimation errors. To address those kinds of problems, this paper proposes a modeling approach based on the double-diode model to provide high accuracy at low voltage and low irradiance conditions, which are important for partial-shading analysis. Moreover, the proposed modeling technique is designed to be implemented in parallel processing devices; thus, the calculation time is much shorter in comparison with classical serial solutions. The proposed model is tested in terms of accuracy and speed, obtaining satisfactory results. Finally, the applicability of the parallel model in reconfiguration applications is demonstrated using an application example

Model of Series-Parallel Photovoltaic Arrays Using Double-Diode Model and Parallel Computing

Several applications require to estimate the power production of photovoltaic (PV) systems under partial shading conditions. For example, dynamic reconfiguration of the array connections is needed to maximize the power production under partial shading conditions, which requires estimating the power generated by the PV array in several possible configurations. Therefore, a fast and accurate modeling technique is needed to perform those calculations in practical times and with low estimation errors. To address those kinds of problems, this paper proposes a modeling approach based on the double-diode model to provide high accuracy at low voltage and low irradiance conditions, which are important for partial-shading analysis. Moreover, the proposed modeling technique is designed to be implemented in parallel processing devices; thus, the calculation time is much shorter in comparison with classical serial solutions. The proposed model is tested in terms of accuracy and speed, obtaining satisfactory results. Finally, the applicability of the parallel model in reconfiguration applications is demonstrated using an application example

Análisis de Estabilidad en Tiempo Discreto de un PFC Controlado por Corriente Programada (Stability Analysis in Discrete Time of a PFC Controlled by Current -Programed)

El presente artículo hace un estudio analítico de un convertidor Boost controlado por corriente programada funcionando como corrector de factor de potencia (PFC), se modela en tiempo discreto, se hace un análisis de estabilidad basado en la matriz Jacobiana evaluada en el punto de equilibrio, con ayuda de la cual encontramos el polinomio característico del sistema y, por medio de simulaciones numéricas, aseguramos que las ganancias de control estén dentro del circulo unitario para que el sistema sea estable.Abstract: This paper is an analytic study of a current-programmed DC/DC Boost converter, operating as power factor correction (PFC). The converter is modeled in discrete time and the stability analysis is performed by evaluating the Jacobian matrix at the point of equilibrium. Thus, the characteristic polynomial is obtained and by simulation is obtained the gain which makes the system be stable.Sumário: Este artigo apresenta um estudo analítico de um convertedor Boot controlado por corrente programada funcionando como corretor de fator de potência (PFC), modela-se em tempo discreto, faz-se um análise de estabilidade baseado na matriz Jacobiana avaliada no ponto de equilíbrio, com ajuda do qual encontramos o polinômio caraterístico do sistema e por meio de simulações numéricas seguramos que as ganâncias de controle estejam dentro do círculo unitário para que o sistema seja estável.El presente artículo hace un estudio analítico de un convertidor Boost controlado por corriente programada funcionando como corrector de factor de potencia (PFC), se modela en tiempo discreto, se hace un análisis de estabilidad basado en la matriz Jacobiana evaluada en el punto de equilibrio, con ayuda de la cual encontramos el polinomio característico del sistema y, por medio de simulaciones numéricas, aseguramos que las ganancias de control estén dentro del circulo unitario para que el sistema sea estable.Abstract: This paper is an analytic study of a current-programmed DC/DC Boost converter, operating as power factor correction (PFC). The converter is modeled in discrete time and the stability analysis is performed by evaluating the Jacobian matrix at the point of equilibrium. Thus, the characteristic polynomial is obtained and by simulation is obtained the gain which makes the system be stable.Sumário: Este artigo apresenta um estudo analítico de um convertedor Boot controlado por corrente programada funcionando como corretor de fator de potência (PFC), modela-se em tempo discreto, faz-se um análise de estabilidade baseado na matriz Jacobiana avaliada no ponto de equilíbrio, com ajuda do qual encontramos o polinômio caraterístico do sistema e por meio de simulações numéricas seguramos que as ganâncias de controle estejam dentro do círculo unitário para que o sistema seja estável

ANÁLISIS DE ESTABILIDAD EN TIEMPO DISCRETO DE UN PFC CONTROLADO POR CORRIENTE PROGRAMADA

El presente artículo hace un estudio analítico de un convertidor Boost controlado por corriente programada funcionando como corrector de factor de potencia (PFC), se modela en tiempo discreto, se hace un análisis de estabilidad basado en la matriz Jacobiana evaluada en el punto de equilibrio, con ayuda de la cual encontramos el polinomio característico del sistema y, por medio de simulaciones numéricas, aseguramos que las ganancias de control estén dentro del circulo unitario para que el sistema sea estable

Maximum Power Point Tracking of Photovoltaic Panels by Using Improved Pattern Search Methods

This paper deals with the optimization of maximum power point tracking when a photovoltaic panel is modelled as two diodes. The adopted control is implemented using a sliding mode control (SMC) and the optimization is implemented using an improved Pattern Search Method. Thus, the problem of maximum power point tracking is reduced to an optimization problem whose solution is implemented by Pattern Search Techniques, inheriting their convergence properties. Simulation examples show the effectiveness of the proposed technique in practice, being able to deal with different radiations. In addition, improved pattern search method (IPSM) is compared with other techniques such as perturb & observe and Particle Swarm optimization, after which IPSM presents lower energy losses in comparison with the other two algorithms, with the advantage of ensuring the location of the optimal power point in all cases