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This paper presents the development and testing of a Rapid Control Prototyping (RCP) platform for PV systems. The proposed platform is intended to support the evaluation of both PV voltage controllers and MPPT algorithms, devoted to PV systems, without the need of constructing a testbench for each application. Instead, the platform provides a unified experimental environment, easy-to-use, for testing control strategies under realistic conditions, prior to their final implementation in commercial devices. The proposed RCP system is capable of measuring, in real-time, physical variables needed to evaluate the behavior of the control strategies, without constructing dedicated sensors or using costly equipment. The platform is based on the combination of low-cost hardware (Arduino board) and commonly available software (Matlab/Simulink), which provides an easy-to-use environment for non-experts in programming embedded devices. The RCP system usability is validated using a classical PI voltage controller and perturb and observe MPPT algorithm, but any other control strategies can be tested. Finally, the results show that the proposed platform provide similar results in comparison with detailed simulations, which confirms the correct implementation of both the voltage controller and MPPT algorithm by means of the RCP platform, En este documento se presenta el desarrollo y ensayo de una plataforma de prototipos de control rápido (RCP) para sistemas fotovoltaicos. La plataforma propuesta tiene por objeto apoyar la evaluación tanto de los controladores de tensión de los sistemas fotovoltaicos como de los algoritmos MPPT, dedicados a los sistemas fotovoltaicos, sin necesidad de construir un banco de pruebas para cada aplicación. En cambio, la plataforma proporciona un entorno experimental unificado, fácil de utilizar, para probar las estrategias de control en condiciones realistas, antes de su aplicación final en los dispositivos comerciales. El sistema RCP propuesto es capaz de medir, en tiempo real, las variables físicas necesarias para evaluar el comportamiento de las estrategias de control, sin necesidad de construir sensores dedicados o utilizar equipos costosos. La plataforma se basa en la combinación de hardware de bajo costo (placa Arduino) y software comúnmente disponible (Matlab/Simulink), que proporciona un entorno fácil de usar para los no expertos en la programación de dispositivos incorporados. La usabilidad del sistema RCP se valida utilizando un controlador de tensión PI clásico y perturba y observa el algoritmo MPPT, pero se puede probar cualquier otra estrategia de control. Por último, los resultados muestran que la plataforma propuesta proporciona resultados similares en comparación con las simulaciones detalladas, lo que confirma la correcta implementación tanto del controlador de tensión como del algoritmo MPPT mediante la plataforma RCP

This paper proposes a non-linear control structure for a hybrid energy storage system with a series architecture, which regulates the voltage of a DC bus (output voltage) and ensures that the battery current fulfills the current slew-rate restriction. The proposed solution has two stages, in the first one, the battery is connected to a buck/boost converter that feeds an auxiliary capacitor. In the second stage, the auxiliary capacitor is connected to a DC bus through a second buck/boost converter. Both converters are regulated using cascaded control systems, where the inner loops are slidingmode controllers of the inductors’ current, and the outer loops in the first and second converter are designed to limit the slew-rate of the battery current and to regulate the dc bus voltage, respectively. The paper provides the design procedure for the controllers and validates its performance with simulation results for the power system operating in charging, discharging and stand-by modes., Este artículo propone una estructura de control no-lineal para un sistema de almacenamiento híbrido con una arquitectura en serie, en la cual se regula la tensión de un bus DC (voltaje de salida) y asegura que la corriente de la batería cumpla con la restricción de velocidad de cambio en la corriente. La solución propuesta tiene dos etapas, en la primera se conecta una batería a un convertidor buck/boost que alimenta un capacitor auxiliar. En la segunda etapa, el capacitor auxiliar se conecta a un bus de DC a través de un segundo convertidor buck/boost. Ambos convertidores se regulan utilizando sistemas de control en cascada, donde los lazos internos son controladores por modos deslizantes de las corrientes de los inductores, y los lazos externos del primer y el segundo convertidor se diseñan para limitar la velocidad de cambio de la corriente en la batería y regular la tensión en el bus de DC, respectivamente. El artículo proporciona el procedimiento de diseño para los controladores y valida su desempeño con resultados de simulación considerando el sistema de potencia operando en modos de carga, descarga y almacenamiento.

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 eléctricos, estos han ganado mucha atención por parte de la industria y la academia. Sin embargo, los sistemas de almacenamiento de energía requeridos en un sin numero de aplicaciones deben garantizar ser de alta densidad de energía y potencia. Método: Para satisfacer estos requerimientos, este trabajo propone un sistema de almacenamiento de energía hibrido (HESS) activo, el cual es formado por una batería como dispositivo de alta densidad de energía, y un capacitor como el dispositivo de alta densidad de potencia. Asimismo, la solución propuesta protege la batería a través de la limitación de la derivada de la corriente. Resultados: Se diseñan dos controladores por modos deslizantes, uno para la corriente de la batería y otro para regular el voltaje en la carga. El proceso de diseño garantiza la estabilidad global del sistema y una operación segura de la batería.

In this paper, the design and implementation of a wind turbine emulator bank is proposed. The bank takes into account the dynamics of the extraction of effective wind energy. This dynamic is modelled mathematically. The DC motor emulates the rotary movement due to wind energy, generating the angular velocity profiles according to the torque measured by a torque meter on the coupling shaft between the DC motor and the permanent magnet synchronous generator. Additionally, the paper presents a test experiment that consists of a controlled boost converter to which a maximum power extraction algorithm is applied in order to validate the operation of the DC motor-permanent magnet synchronous generator bank., Neste trabalho, apresenta-se o desenho e implementação de um banco de emulação de turbinas eólicas; o banco proposto leva em consideração a dinâmica da extração de energia efetiva do vento que é modelada matematicamente. O motor emula o movimento giratório devido à energia do vento, o que gera perfis de velocidade angular de acordo com o par medido por um senso de par no eixo de encaixe entre o motor DC e o gerador síncrono de imãs permanentes. Adicionalmente, criou-se um experimento de prova composto por um conversor elevador controlado ao que é aplicado um algoritmo de extração de máxima potência, com o objetivo de validar o funcionamento do banco motor DC e do gerador síncrono de imãs permanentes ao emular a dinâmica de um gerador eólico equivalente., En este trabajo se presenta el diseño e implementación de un banco de emulación de turbinas eólicas; el banco propuesto tiene en cuenta la dinámica de la extracción de energía efectiva del viento que se modela matemáticamente. El motor emula el movimiento giratorio debido a la energía del viento, lo cual genera perfiles de velocidad angular según el par medido por un sensor de par en el eje de acople entre el motor DC y el generador síncrono de imanes permanentes. Adicionalmente, se creó un experimento de prueba compuesto por un convertidor elevador controlado al cual se le aplica un algoritmo de extracción de máxima potencia, con el fin de validar el funcionamiento del banco motor DC y el generador síncrono de imanes permanentes al emular la dinámica de un generador eólico equivalente.

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.

La necesidad de proveer soluciones energéticas sostenibles para las zonas no interconectadas de Colombia, dependiendo de los recursos renovables disponibles en cada zona, supone un desafío respecto al análisis de viabilidad técnico-económica de las alternativas de solución a través de las microrredes. Este documento tiene como objetivo analizar el impacto técnico-económico de introducir celdas de combustible en la reducción de costos a lo largo del tiempo de vida de una microrred para zonas no interconectadas, empleando el software HOMER. Dicho impacto se evalúa tanto en el diseño técnico de la microrred como en el Valor Presente Neto y en el Costo nivelado de Energía ($/kWh). El análisis se realiza a partir de la cuantificación de la demanda de un poblado prototipo, el dimensionamiento y costo de las tecnologías que conforman la microrred para atender la demanda, y la disponibilidad de los recursos renovables solar y eólico de dos zonas localizadas en diferentes latitudes no interconectadas de Colombia. Adicionalmente, se analiza el efecto de introducir las celdas de combustible en el mix energético, resaltando las ventajas obtenidas al comparar cada caso frente a una generación tradicional basada en consumo de Diésel.

The sustainable power solutions provided to non-interconnected zones should be based on the renewable energy resources available in each area. This presents a challenge for the techno-economic feasibility of alternative solutions through micro grids. The objective of this work is to analyze, using HOMER software, the techno-economic impact of introducing fuel cells on cost reduction during the lifetime of micro grids in non-interconnected zones. Such impact is evaluated in the technical design of the micro grid as Present Value and Levelized Cost of Electricity ($/kWh). The analysis considers the calculation of the demand of a generic village, the size and cost of the technologies that constitute the micro grid to satisfy the demand, and the availability of solar and wind power in two areas located at different latitudes in Colombia. In addition, the effect of introducing fuel cells into the energy mix was examined. Finally, the advantages were highlighted by comparing each case with traditional generation alternatives based on diesel consumption., La necesidad de proveer soluciones energéticas sostenibles para las zonas no interconectadas de Colombia, dependiendo de los recursos renovables disponibles en cada zona, supone un desafío respecto al análisis de viabilidad técnico-económica de las alternativas de solución a través de las microrredes. Este documento tiene como objetivo analizar el impacto técnico-económico de introducir celdas de combustible en la reducción de costos a lo largo del tiempo de vida de una microrred para zonas no interconectadas, empleando el software HOMER. Dicho impacto se evalúa tanto en el diseño técnico de la microrred como en el Valor Presente Neto y en el Costo nivelado de Energía ($/kWh). El análisis se realiza a partir de la cuantificación de la demanda de un poblado prototipo, el dimensionamiento y costo de las tecnologías que conforman la microrred para atender la demanda, y la disponibilidad de los recursos renovables solar y eólico de dos zonas localizadas en diferentes latitudes no interconectadas de Colombia. Adicionalmente, se analiza el efecto de introducir las celdas de combustible en el mix energético, resaltando las ventajas obtenidas al comparar cada caso frente a una generación tradicional basada en consumo de Diésel.

La generación eléctrica híbrida combina las ventajas de las celdas de combustible con sistemas de generación difíciles de predecir, como los fotovoltaicos y eólicos. El principal objetivo en este tipo de sistemas híbridos es minimizar el consumo de hidrógeno reduciendo costos e incrementando la autonomía del sistema. Este articulo propone un algoritmo de optimización, conocido como algoritmo de aprendizaje incremental basado en población, el cual tienen como objetivo maximizar la potencia producida por un generador fotovoltaico. Esta maximización reduce el consumo de hidrógeno combustible del sistema basado en hidrógeno. Adicionalmente, la velocidad de convergencia del algoritmo permite la computación en tiempo real de la mejor configuración para el sistema fotovoltaico, permitiendo una optimización dinámica del consumo de hidrógeno de la celda de combustible. Finalmente, se presenta una validación experimental del sistema considerando 6 paneles fotovoltaicos y una celda de combustible NEXA de 1.2 KW. Esta validación, demuestra la efectividad del algoritmo propuesto para la reducción del consumo de hidrógeno en este tipo de sistemas híbridos.

En este trabajo se presenta el control de corriente de un convertidor Boost, por medio de Simulink y Arduino, y donde además se puede modificar la referencia y/o el voltaje de entrada evidenciando el correcto comportamiento de la misma. La metodología utilizada fue experimental basada en prueba y error, ya que es un método nuevo de control para este convertidor, en el se puede notar lo fácil que es su programación, los módulos gráficos de simulink permiten interactuar rápidamente con el circuito, además se puede visualizar todas las variables que intervienen en el sistema y así obtener datos mucho más exactos de estas. A pesar de que el diseño es económico y novedoso el sistema controla con una respuesta lenta.

El siguiente trabajo detallará el proceso de implementación de un control de posición de un sistema de un grado de libertad que consta de una barra de aluminio de diámetro circular a la cual se le añadió en un extremo un contrapeso que ayuda a nivelar la barra y al otro se le acopló un motor con una hélice, cerca de su centro de gravedad tiene un potenciómetro ensamblado dentro de un eje vertical. El conjunto motor-hélice generará la fuerza de empuje adecuada para el funcionamiento del sistema; implementando un control PID mediante las herramientas de simulink, Arduino y un circuito de potencia adecuado, se logra controlar la velocidad de giro del motor y por ende la posición de la barra respecto al eje vertical.

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.

Hybrid generation combines advantages from fuel cell systems with non-predictable generation approaches, such as photovoltaic and wind generators. In such hybrid systems, it is desirable to minimize as much as possible the fuel consumption, for the sake of reducing costs and increasing the system autonomy. This paper proposes an optimization algorithm, referred to as population-based incremental learning, in order to maximize the produced power of a photovoltaic generator. This maximization reduces the fuel consumption in the hybrid aggregation. Moreover, the algorithm's speed enables the real-time computation of the best configuration for the photovoltaic system, which also optimizes the fuel consumption in the complementary fuel cell system. Finally, a system experimental validation is presented considering 6 photovoltaic modules and a NEXA 1.2KW fuel cell. Such a validation demonstrates the effectiveness of the proposed algorithm to reduce the hydrogen consumption in these hybrid systems., La generación eléctrica híbrida combina las ventajas de las celdas de combustible con sistemas de generación difíciles de predecir, como los fotovoltaicos y eólicos. El principal objetivo en este tipo de sistemas híbridos es minimizar el consumo de hidrógeno reduciendo costos e incrementando la autonomía del sistema. Este articulo propone un algoritmo de optimización, conocido como algoritmo de aprendizaje incremental basado en población, el cual tienen como objetivo maximizar la potencia producida por un generador fotovoltaico. Esta maximización reduce el consumo de hidrógeno combustible del sistema basado en hidrógeno. Adicionalmente, la velocidad de convergencia del algoritmo permite la computación en tiempo real de la mejor configuración para el sistema fotovoltaico, permitiendo una optimización dinámica del consumo de hidrógeno de la celda de combustible. Finalmente, se presenta una validación experimental del sistema considerando 6 paneles fotovoltaicos y una celda de combustible NEXA de 1.2 KW. Esta validación, demuestra la efectividad del algoritmo propuesto para la reducción del consumo de hidrógeno en este tipo de sistemas híbridos.

Este articulo presenta un modelo para sistemas de generación fotovoltaica orientado a evaluar el desempeño de algoritmos distribuidos de búsqueda del punto de máxima potencia. El modelo considera la conexión en serie de n conjuntos módulo-convertidor que pueden ser dimensionados dependiendo de la aplicación en particular. Dicho modelo está compuesto por un conjunto de ecuaciones que pueden ser implementadas en cualquier software de cálculo matemático o en un lenguaje de programación que soluciones este tipo de ecuaciones. El modelo incluye el comportamiento estático del módulo fotovoltaico a partir de una ecuación que estima su relación voltaje-corriente, además, incluye el modelo del convertidor elevador de potencia con pérdidas en el inductor, esto con el fin de aproximar el modelo general a una solución realística de la aplicación. El modelo final es validado mediante simulaciones y comparado con una implementación del mismo en un software de simulación electrónica tradicional.

Este proyecto tiene como finalidad la construcción de un convertidor Boost de 475W, para la implementación de energías renovables fotovoltaicas; esto se logra con la selección de los componentes necesarios para el óptimo funcionamiento de este convertidor. Estos componentes definen unos criterios de funcionamiento los cuales deben estar presentes al momento de la construcción. Para la construcción se necesita la realización de montajes experimentales y simulaciones previas, las cuales permiten llevar una secuencia de procesos de análisis de cada etapa del funcionamiento del convertidor; a partir de esto se realiza el montaje del IC SG3524 el cual permite generar un PWM a la frecuencia de 100KHz el cual es un parámetro de construcción establecido, posteriormente se ejecuta el montaje del driver IR2110 para verificar que conmuten los transistores Mosfet, puesto que en el convertidor Boost se tiene que asegurar que el transistor Mosfet que trabaja en la parte de alta, si se logre conmutar gracias a la configuración de BOOSTRAP. Los dispositivos mencionados anteriormente permiten el control del funcionamiento de la parte de potencia; pero esta debe llevarse a cabo con la realización del PCB mediante el software EAGLE, al ser un convertidor de 475W se determina que el PCB debe ser a doble capa para que pueda soportar las corrientes que pueda demandar la carga. Luego de esto se toman los valores experimentales como voltaje de entrada, voltaje de salida, corriente en el inductor según, el ciclo de trabajo (Duty), frecuencia de operación y luego se compara esto con los valores tomados por la simulación en condiciones ideales y en condiciones reales. Según la comparación de los resultados experimentales con los simulados, del convertidor Boost se puede concluir que los parámetros de diseño y los componentes implementados hacen que este convertidor se desempeñe de forma efectiva.

In the present work a computational model of a planar solid oxide regenerative fuel cell is developed using the CFD software Ansys FLUENT. Steady state conditions and three-dimensional geometry of the cell are considered. The thermodynamic parameters temperature and pressure of the reacting gases are analyzed. The electrodes porosity is also studied for being a determining property in the species diffusion process and in the ohmic losses. It was obtained that to increment temperature since 923 K to 1123 K, increases the regenerative cell performance. When increasing the gases pressure or the electrodes porosity the same effect is observed, although in these cases the performance variation is minimal, Se desarrolla un modelo computacional de una celda de combustible de óxido sólido regenerativa plana empleando el software de dinámica de fluidos computacional Ansys FLUENT. Se consideran condiciones de estado estacionario y un dominio geométrico tridimensional de la celda. Son analizados los parámetros termodinámicos temperatura y presión de los gases a la entra de los canales. Además, la porosidad de los electrodos es estudiada por ser una propiedad determinante en el proceso de difusión de las especies y en las pérdidas óhmicas. Se obtuvo que al incrementar la temperatura de los gases a la entrada de los canales desde 963 K hasta 1 023 K aumenta el rendimiento de la celda regenerativa. El mismo efecto se observa al aumentar la presión de los gases oel valor de la porosidad de los electrodos, aunque en estos casos la variación del rendimiento es mínima.

Este articulo presenta un modelo para sistemas de generación fotovoltaica orientado a evaluar el desempeño de algoritmos distribuidos de búsqueda del punto de máxima potencia. El modelo considera la conexión en serie de n conjuntos módulo-convertidor que pueden ser dimensionados dependiendo de la aplicación en particular. Dicho modelo está compuesto por un conjunto de ecuaciones que pueden ser implementadas en cualquier software de cálculo matemático o en un lenguaje de programación que soluciones este tipo de ecuaciones. El modelo incluye el comportamiento estático del módulo fotovoltaico a partir de una ecuación que estima su relación voltaje-corriente, además, incluye el modelo del convertidor elevador de potencia con pérdidas en el inductor, esto con el fin de aproximar el modelo general a una solución realística de la aplicación. El modelo final es validado mediante simulaciones y comparado con una implementación del mismo en un software de simulación electrónica tradicional.

This paper proposes a three-dimensional, non-isothermal and steady-state model of Proton Exchange Membrane Fuel Cell using Computational Fluid Dynamic techniques, specifically ANSYS FLUENT 14.5. It's considered multicomponent diffusion and two-phasic flow. The model was compared with experimental published data and with another model. The operation parameters: reactants pressure and temperature, gases flow direction, gas diffusion layer and catalyst layer porosity, reactants humidification and oxygen concentration are analyzed. The model allows the fuel cell design optimization taking in consideration the channels dimensions, the channels length and the membrane thickness. Furthermore, fuel cell performance is analyzed working with SPEEK membrane, an alternative electrolyte to Nafion. In order to carry on membrane material study, it's necessary to modify the expression that describes the electrolyte ionic conductivity. It's found that the device performance has got a great sensibility to pressure, temperature, reactant humidification and oxygen concentration variations., En el presente trabajo se realizó la modelación tridimensional y estacionaria de una celda de combustible de intercambio protónico empleando técnicas de modelación de dinámica de fluidos computacional, específicamente el software ANSYS FLUENT 14.5. El modelo fue comparado con datos experimentales y con resultados de otro modelo. Se analizaron los parámetros de operación del dispositivo presión y temperatura, sentido de los flujos, porosidad de los electrodos, humidificación de los gases y concentración de oxígeno. Se optimizó el diseño de la celda teniendo en cuenta las dimensiones de los canales y el espesor de la membrana. Se analizó el rendimiento de la celda funcionando con la membrana SPEEK (por sus siglas en inglés). Para realizar este estudio fue necesario modificar la expresión que describe la conductividad iónica. Se encontró que el rendimiento del dispositivo tiene gran sensibilidad a la variación de los parámetros termodinámicos y la composición de los gases.

Los sistemas fotovoltaicos son una de las soluciones más eficientes a la creciente crisis energética de las últimas décadas. La implementación de estos sistemas será viable económicamente en la mayoría de los casos, debido a extensa cantidad de ventajas que estos exhiben, sin embargo, en aras de un mejor rendimiento económico, se generan diferentes estrategias para el manejo de estos. El presente artículo muestra una estrategia de optimización basada en la redistribución de energía generada, que busca dejar de consumirla conforme se produce, para aprovecharla en aquellos momentos en los cuales las tarifas de energía son mayores, haciendo uso de un sistema de almacenamiento. Se presentan los pasos para el diseño de un sistema fotovoltaico con dichos criterios y un análisis económico que dicte las condiciones para la viabilidad del mismo.