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

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

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

Converter DC/AC Multilevel of Three Cells: Modeling and Simulation

El presente documento presenta un convertidor DC/AC de tres celdas. Las topologías multinivel están atrayendo gran atención en la industria, ya que logran tener un rizado en las variables de estado más pequeño. Además reducen el estrés de conmutación en los dispositivos sólidos. La topología usada en este trabajo es conocida como ondulador multinivel de condensador flotante, en la cual se impone el reto de balancear la tensión entre las celdas de conmutación con ayuda de los condensadores flotantes, además de obtener una señal sinusoidal regulada. En el trabajo se expone el modelo promediado del ondulador, y los resultados obtenido mediante simulación.  This paper presents a three-cell converter DC / AC. Multilevel topologies are attracting attention in the industry, obtained as a ripple on the state variables much smaller, and reduces stress on the switching devices. The topology used in this work is known in the technical literature as floating capacitor multilevel inverter, which imposes the challenge of balancing the voltage across each cell switching using floating capacitors, besides obtaining a sinusoidal signal regulated. The paper presents the averaged model of the inverter, and results obtained through simulation

Characteristic Equation of the Modified Smith predictor to MIMO Systems

El retardo en sistemas de control es una característica presente con frecuencia en los sistemas reales debido al transporte de objetos o de información, a la conexión en serie de múltiples sistemas o al retardo propio del procesamiento y de los sensores, entre otros. Recientemente se han presentado diversos trabajos para la identificación del retardo externo en sistemas MIMO, estos trabajos están orientados a la identificación y control on-line de sistemas MIMO y utilizan una estructura multimodelo basada en el predictor de Smith modificado utilizando diferentes métodos de búsqueda directa. Como es de suponer, para realizar tanto la implementación del algoritmo, como para obtener el análisis de convergencia y estabilidad, es necesario tener las ecuaciones en lazo cerrado del predictor de Smith modificado. Sin embargo, en estos trabajos no se presenta el procedimiento analítico por no tratarse del objeto principal, se presentan solo las ecuaciones de lazo cerrado sin el procedimiento para su obtención. Por tanto y para subsanar esta falta, en este trabajo se presenta la forma analítica para deducir las ecuaciones en lazo cerrado de un predictor de Smith modificado.    The delay in control systems is a feature frequently in real systems due to the transport of objects or information, a series connection of multiple systems or own processing and sensors delay, among others. Recently there have been several studies to identify the external delay MIMO systems, these works are focused on identification and on-line control of MIMO systems and use a multimodel structure based on modified Smith predictor using different search method. It is clear that for the implementation of the algorithm, and to obtain the convergence and stability analysis, it is necessary to have closed-loop equations of modified Smith predictor. However, in these works is not presented the analytical procedure, not be the main object, displaying only the closed loop equations without the procedure for obtaining it. Therefore, to respond, in this paper, we present an analytical way to derive the closed-loop equations of a modified Smith predictor.  

Subharmonic ripple analysis of an interleaved buck converter based on the Filippov method

El diseño de convertidores conmutados en gran parte de la literatura científica está realizado desde el modelo promediado, debido a la facilidad de obtener las funciones de transferencia lineales. Asimismo, la conmutación en los convertidores de potencia causa un rizado en las variables de estado que no es considerado en el modelo promediado. El componente de frecuencia de una de las variables de estado está compuesto por un espectro de potencia con un único pico de nivel DC (valor promedio), un único pico a la frecuencia de conmutación (componente de rizado) y en un número finito de picos en cada sub-armónico (inestabilidades). El método de Filippov es utilizado para la predicción de inestabilidades debidas a las dinámicas rápidas, este método predice el rango de los parámetros que evitan la primera bifurcación en las dinámicas rápidas. En el presente artículo se presenta una predicción  de un espacio de parámetros estables para el controlador PI (), estimados por el método de Filippov para un convertidor buck de dos fases con regulación de voltaje. Finalmente, los resultados presentados son validados mediante simulaciones de Matlab y Psim.In many papers, the averaged model of power switching converters is used to design the control system due to its simple manipulation, which can be approximated by linear transfer functions. Therefore, the power converter commutation causes a state variable ripple that is not considered on the averaged model. The component frequency of the state variables is composed by a power spectrum with a unique peak at the DC level (average variable), a unique peak at the switching frequency (ripple component) and a finite number of peaks in each sub-harmonic (instabilities). The Filippov method is used for instability predictions due to fast dynamics, this method predicts the parameters range that avoids the first bifurcation of the fast dynamics. In this paper a stable space of parameters (Kp, Ti) for a PI controller is presented, it estimated with the Filippov method, for a buck converter with voltage regulation. Finally, the presented results are validated using both Matlab and Psim simulations

Advances in Power and Energy Systems

Processing electrical energy is one of the most important research fields in our society. So far, tremendous efforts have been made to improve the efficiency of each step in electrical systems: generation systems have been enhanced by introducing renewable energy sources and new control systems for conventional generators, losses have been reduced, the power quality of distribution and transmission systems has been increased, the life-time and state-of-health of energy storage devices have been extended, and sections of the power grid have been isolated for intelligent energy management

Robotic Navigation based in Statics Patterns using the CMUcam3 Embedded System

Este artículo presenta un método de navegación Robótico basado en patrones estáticos usando técnicas de visión artificial implementadas sobre el sistema embebido CMUcam3, además presenta un análisis de procesamiento de cómputo para este sistema embebido. El patrón a determinar es una línea negra con cruces, guiando al agente robótico a través de ésta. Luego de la adquisición de las imágenes mediante la CMUcam3, se utiliza un algoritmo de segmentación basado en umbral, se determina el esqueleto de los patrones y luego se aplica la transformada de Hough lineal para determinar, las líneas, los ángulos y los tipos de cruces. Debido a que la transformada de Hough lineal es un método que requiere alto procesamiento, en este trabajo, se limita el rango de los ángulos y se normaliza su espacio de acumulaciones. En los resultados obtenidos se pudo determinar que el método desarrollado para la navegación es preciso y confiable, ya que en un 87% de los segmentos de decisión se pudo determinar correctamente el tipo de cruce y el ángulo de corrección. Él sistema embebido CMUcam3 logró procesar una imagen entre 0.15 y 0.28 segundos, dependiendo del tipo de cruce que encuentre.This paper presents a method based on static patterns for robotic navigation using computer vision techniques implemented on CMUcam3 embedded system, also presents an analysis of computational complexity for this embedded system. The pattern to be determined is a black line with intersections, driving the robotic agent over the line. A segmentation algorithm based in threshold is used after the images acquisition by the CMUcam3, then defines the thinning patterns and then the linear Hough transform is applied to determine the lines, the angles and the type of the intersections. Due to the linear Hough transform is a method that requires high processing, in this project, the range of the angles are limited and the accumulation space is normalized. The results showthat the method developed for the navigation is accurate and reliable, because in 87% of the decision segments it could determine correctly the type of intersection and the correction angle. The CMUcam3 embedded system succeeded to process an image between 0.15 and 0.28 seconds, depending of the type of the intersection

Diseño y control digital de un convertidor elevador entrelazado para sistemas de carga/descarga de baterías

According to the literature, battery ripple current is one of the phenomena that most significantly affect the state of health of batteries. Therefore, this paper presents a methodology to design a digital control in order to reduce such ripple current, which is injected by means of converters that process the charge and discharge energy. The strategy was designed for and implemented in an interlaced converter. The implemented methodology is presented in four stages: (i) modelling the battery-converter-charge system; (ii) designing the digital control based on the model; (iii) designing the practical implementation, where the instrumentation and implementation stage is presented using an embedded device; and (iv) practical validation of the operation of the strategy and the reduction of battery ripple current. The methodology presented here produced a correct performance of the digital control, fulfilling the design parameters of different operation modes and reducing the ripple current in the battery between 50 and 65%. This reduction protects the battery’s useful life and the sources or loads connected to the system. Additionally, it allows the state-of-charge and health estimation algorithms to increase their accuracy, which leads to an improvement in maintenance protocols and the planning of element replacement. Este trabajo presenta la metodología de diseño de un control digital para reducir el rizado en la corriente que se inyecta a la batería por medio de los convertidores que procesan la energía de carga y descarga, el cual es uno de los parámetros indicados en la literatura que disminuyen el tiempo de vida de las baterías. Este trabajo tiene como alcance mostrar el procedimiento de diseño e implementación de la estrategia propuesta sobre un convertidor entrelazado. La metodología implementada se presenta por medio de cuatro etapas (i) modelado del sistema batería-convertidor-carga, (ii) diseño de control digital basado en el modelo, (iii) diseño de la plataforma práctica donde se presenta la etapa de instrumentación e implementación utilizando un dispositivo embebido y (iv) la validación práctica del funcionamiento de la estrategia presentada y la disminución del rizado inyectado en la batería. Por medio de la metodología presentada se logra evidenciar el correcto desempeño del control digital cumpliendo los parámetros de diseño para diferentes modos de operación de carga de la batería y reduciendo el rizado de corriente en la batería entre un 50 % a 65 %. Esta reducción protege la vida útil de la batería y de las fuentes o cargas conectadas al sistema. Adicionalmente, permite que los algoritmos de estimación de estado de carga y estado de salud incrementen su precisión, lo que conlleva a una mejora en los protocolos de mantenimiento y planificación de reemplazo de los elementos