Convertidores CC/CC para inversores multinivel en cascada en instalaciones fotovoltaicas conectadas a red
- Autores: Sergio Tárraga Albaladejo
- Directores de la Tesis: José Antonio Villarejo Mañas (dir. tes.), María Esther de Jódar Bonilla (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Cartagena ( España ) en 2024
- Idioma: español
- Número de páginas: 407
- Títulos paralelos:
- DC/CD converters for cascaded multilevel inverters in grid-connected PV systems
- Tribunal Calificador de la Tesis: Marta Hernando Álvarez (presid.), Ausias Garrigós Sirvent (secret.), Pablo Zumel Vaquero (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Energías Renovables y Eficiencia Energética por la Universidad Politécnica de Cartagena
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Repositorio Digital de la UPCT
- Resumen
- español
Resumen de la tesis:
En los últimos años las energías renovables han alcanzado notables cuotas de desarrollo, especialmente la energía fotovoltaica, para la que pueden encontrarse ya operativas plantas generadoras del orden de Gigavatios. En esta línea, es necesario proveer de soluciones adecuadas que permitan el máximo aprovechamiento de la energía generada. Las redes de Media Tensión de Corriente Continua (MVDC) ofrecen numerosas ventajas en este sentido, siendo una tendencia cada vez mayor la de la conexión directa a red, sin necesidad de voluminosos y pesados transformadores de baja frecuencia. Para alcanzar los niveles de media tensión sin transformador se puede optar por el enfoque tradicional de convertidores de dos niveles; o el enfoque multinivel. Este último ha sido muy desarrollado en los últimos años, destacando en aplicaciones fotovoltaicas los inversores en cascada o Cascaded H-Bridge (CHB).
En un primer momento se propuso conseguir la configuración multinivel mediante la asociación monofásica de inversores en cascada, no obstante, esta solución tenía el riesgo de inyectar energía de forma desequilibrada a la red y penalizaban fuertemente el diseño de los condensadores de desacoplo, llegando a suponer una parte importante del coste global del convertidor. Esto se debía a que los condensadores tenían que filtrar una corriente de dos veces la frecuencia de la red y de una amplitud similar a la corriente continua proporcionada por los paneles. La asociación trifásica de inversores se propuso como solución a ambos problemas. No obstante, la reducción de los condensadores va a depender del tipo de convertidor CC/CC utilizado.
Esta tesis surge de la necesidad de seleccionar la mejor solución para la etapa CC/CC de un convertidor multinivel aplicado a una asociación trifásica de inversores en cascada, de manera que se pueda conseguir una reducción significativa en el tamaño de los condensadores de desacoplo del convertidor. Con tal fin, se plantean una serie de características de diseño para un convertidor multinivel fotovoltaico conectado a red de forma que sirva de base para la selección de esta etapa CC/CC. Dentro de esta fase previa, se analizan varios aspectos relativos a la operación del convertidor multinivel, desde la selección de componentes hasta el efecto de las desigualdades en las tensiones de alimentación de los inversores sobre la distorsión armónica. Sobre este último aspecto se comprueba la importancia que tiene sobre la forma de corriente del multinivel y se propone un método de diseño para el filtro de salida de manera que la cancelación de armónicos se siga produciendo incluso en condiciones de desigualdad de tensiones.
Para la parte relativa a la selección de la mejor solución para la etapa CC/CC se propone una comparativa inicial entre dos soluciones diferentes: una topología unidireccional y otra bidireccional. De esta comparativa inicial se puede concluir que lo más recomendable sería una solución basada en una topología CC/CC unidireccional con aislamiento trabajando en su punto óptimo y un convertidor CC/CC sin aislamiento a cargo de las tareas MPPT. La bidireccionalidad ya no es un requisito indispensable en esta última solución, por lo que se analiza el efecto que tendría en un convertidor unidireccional trabajar con factores de potencia distintos a la unidad. Para ellos se propone un método de cálculo para los condensadores de filtro y desacoplo en estos casos, con el cual se demuestra que la bidireccionalidad no es necesaria y que la reducción del tamaño de los condensadores puede llegar a ser muy significativa comparado con la asociación monofásica de inversores.
En base a lo anterior, se propone para la topología CC/CC unidireccional con aislamiento trabajando en su punto óptimo un convertidor Resonante Serie (SRC). De la aplicación del SRC a la asociación trifásica de inversores (1P-3S) se puede extraer que, cuando se trabaja con factor de potencia unidad, es posible eliminar la potencia pulsante de baja frecuencia de la red y se reducen las pérdidas por conducción en los transistores en un 33.33% en comparación con la asociación trifásica de inversores (3P-3S). Por otra parte, es posible extender el rango de conmutaciones suaves del convertidor gracias a un circuito auxiliar externo al trafo, además de ser apto para aplicaciones que requieran trabajar con inductancias de dispersión grandes. Algunos de los aspectos más desfavorables de los SRC se analizan también, proponiendo diversas soluciones. Por otra parte, del análisis y comparativa de diversos convertidores CC/CC sin aislamiento para la etapa encargada de las tareas MPPT, se propone una solución basada en un elevador asimétrico de tres niveles o elevador de condensador flotante (3L FC), incluyendo también posibles mejoras.
Finalmente se ha construido un prototipo a escala del convertidor CC/CC con aislamiento, trabajando en lazo abierto, con el que se han podido verificar experimentalmente los aspectos más relevantes de esta tesis.
http://repositorio.bib.upct.es/dspace/
- English
In recent years, renewable energies have reached a significant level of development, especially photovoltaics, for which Gigawatt plants can already be found in operation. In this respect, it is necessary to provide suitable solutions that allow máximum use of the energy generated. Medium Voltage DC (MVDC) grids offer numerous advantages in this respect, with a growing trend towards direct connection to the grid, without the need for bulky and heavy low-frequency transformers. To achieve transformerless Medium Voltage levels, it is possible to take the traditional two-level converter approach; or the multilevel approach. The latter has been widely developed in recent years, with Cascaded H-Bridge (CHB) being the most prominent in photovoltaic applications. Initially, it was proposed to achieve the multilevel configuration by means of the single-phase association of cascaded inverters, however, this solution had the risk of injecting energy in an unbalanced way into the grid and heavily penalised the design of the decoupling capacitors, which came to represent an important part of the overall cost of the converter. This was because the capacitors had to filter a current twice the grid frequency and with an amplitude similar to the DC current provided by the photovoltaic panels. The three-phase association of inverters was proposed as a solution to both problems. However, the reduction of the capacitors will depend on the type of DC/DC converter used. This PhD thesis originates from the need to select the best solution for the DC/DC stage of a multilevel converter applied to a three-phase association of cascaded inverters, so that a significant reduction in the size of the converter capacitors can be achieved. To this end, a series of design characteristics for a grid-connected photovoltaic multilevel converter are proposed as a basis for the selection of this DC/DC stage. As part of this preliminary phase, several aspects relating to the operation of the multilevel converter are analysed, from the selection of components to the effect of inequalities in the inverter supply voltages on harmonic distortion. On this last aspect, the importance it has on the current shape of the multilevel is verified and a design method for the output filter is proposed so that harmonic cancellation still occurs even under conditions of unequal voltajes For the part concerning the selection of the best solution for the DC/DC stage, an initial comparison between two different solutions is proposed: one unidirectional and the other bidirectional. From this initial comparison it can be concluded that a solution based on a isolated unidirectional DC/DC topology working at its optimal point and a non-isolated DC/DC converter in charge of the MPPT tasks would be the most recommendable. Bidirectionality is no longer a prerequisite in the latter solution, so the effect of a unidirectional converter working with power factors other than unity is analysed. A calculation method for filter and decoupling capacitors is proposed for these cases, which demonstrates that bidirectionality is not necessary and that the reduction in capacitor size can be more than significant compared with that of a singlephase inverter for power factor not unity. Based on the above, a Series Resonant Converter (SRC) is proposed for the isolated unidirectional DC/DC topology working at its optimum point. From the application of the SRC to the three-phase association of inverters, it can be extracted that, when working with unity power factor, it is possible to eliminate the low frequency pulsating power from the grid and the conduction losses in the transistors are reduced by 33.33% compared to the single-phase association of inverters. On the other hand, it is possible to extend the soft switching range of the converter thanks to an auxiliary circuit external to the transformer, as well as being suitable for applications requiring large stray inductances. Some drawbacks of the SRCs are also analysed and several solutions are proposed. On the other hand, from the analysis and comparison of various non-isolated DC/DC converters for the stage in charge of MPPT tasks, a solution based on a three-level asymmetrical boost or 3L Flying-Capacitor (3L FC) is proposed, also including possible improvements. Finally, a scale prototype of the isolated DC/DC converter has been built, working in open loop, with which the most relevant aspects of this PhD thesis have been experimentally verified.
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