Control de sistema híbrido de energía basado en pilas de combustible y supercapacitores

Abstract

En este trabajo se presentan resultados parciales de la línea de investigación en pilas de combustible y sistemas híbridos de energía, desarrolladas en el instituto LEICI. La investigación se encuentra enfocada en optimizar el desempeño y maximizar el rendimiento energético del sistema, empleando técnicas de control avanzadas por modos deslizantes. En los últimos años diversas fuentes de energía renovables y no convencionales han surgido como interesantes alternativas para disminuir la emisión de gases de efecto invernadero y solucionar la problemática energética mundial. En este contexto, los Sistemas Híbridos de Generación de Energía (SHGE) han despertado especial interés, con una continua evolución y aparición de nuevas tecnologías y desafíos. Esta clase de sistemas combinan diversas fuentes de energías alternativas, con el objetivo de aprovechar las ventajas y solventar las desventajas de cada una de ellas. En particular, los sistemas de potencia basados en Pilas de Combustible (PC) con membrana de intercambio de protones presentan interesantes características, debido principalmente a su alta eficiencia, escalabilidad, polución virtualmente nula y sustentabilidad. Sin embargo, desde el punto de vista eléctrico, las PCs presentan ciertos inconvenientes que hacen necesario su incorporación dentro de un adecuado sistema de acondicionamiento de potencia, conformando un Módulo de Pila de Combustible (MdPC). Más aún, con el objetivo de satisfacer la demanda de potencia de una carga variable, es imprescindible la conformación de un SHGE, incorporando un Sistema de Almacenamiento de Energía (SAE). El SAE posee como principales objetivos suministrar los picos de demanda de una determinada carga y regular la tensión de un bus común de tensión fija. De esta manera, el MEPC es usualmente diseñado para satisfacer la potencia media demandada por la carga, operando de forma segura y aumentando el desempeño de la PC. En este contexto, los sistemas de control tienen un papel fundamental en sistemas de potencia que involucran Pilas de Combustible. Debido principalmente a las importantes no linealidades de la PC y su sistema de acondicionamiento, las técnicas de control lineales suelen presentar bajo desempeño. Esta situación es incluso más deteriorada en sistemas con un amplio rango de operación. Adicionalmente, debido a las incertidumbres en el modelado del sistema y perturbaciones, es necesario el diseño de controladores robustos, que permitan asegurar el desempeño y la estabilidad del sistema en todo el rango de operación. Teniendo en cuenta esto, en el presente trabajo se describe el análisis, diseño y la evaluación experimental de un controlador por Modos Deslizantes de Segundo Orden Super-Twisting (MDSO-ST) aplicado a un Módulo de Pila de Combustible basado en un Convertidor DC/DC Aislado de Puente Completo (CAPC). El controlador ST permite preservar ciertas características de robustez y convergencia en tiempo finito del control por Modos Deslizantes (MD) convencional, mientras logra una aminoración del chattering del sistema. Esta disminución del chattering reduce las pérdidas e incrementa la vida útil del MdPC. Además, el mismo posee un bajo costo computacional, el cual es sumamente importante para su implementación experimental.