Convertidores para microrredes CC en generación distribuida: análisis, diseño e implementación

Abstract

La implantación de nuevas tecnologías en generación de energía eléctrica ha originado un cambio en el modelo de distribución. El Sistema Eléctrico de Potencia (SEP) en su modelo convencional, concentra la generación de la energía eléctrica en grandes centrales eléctricas alejadas de los puntos de consumo, por lo que es necesario su transporte y distribución. En la actualidad, la generación eléctrica se está acercando cada vez más a los consumidores, con generadores de menor potencia conectados directamente en la red de distribución. Además, se está produciendo un cambio en el modelo de consumo de la energía eléctrica. Numerosas aplicaciones requieren un suministro en Corriente Continua (CC), frente al consumo en Corriente Alterna (CA) convencional. Por esto, es necesario el uso de dispositivos que adapten este suministro de CA a CC, o bien, el uso de nuevos modelos de gestión de la red eléctrica como son las microrredes, tanto en CA como en CC. Esta Tesis aporta una metodología para el desarrollo de configuraciones de dispositivos capaces de interconectar las fuentes de generación de energía eléctrica a cargas en microrredes CC. Estas configuraciones están basadas en convertidores CC-CC conmutados, de una sola entrada y una sola salida (Single Input Single Output, SISO), con un interruptor de potencia. Son topologías presentes en múltiples aplicaciones, así como en la literatura con diversas propuestas. La metodología desarrollada permite obtener convertidores de CC-CC capaces de alimentar varias cargas a partir de una entrada, es decir, convertidores de tipo SIMO (Single Input Multiple Output). Entre las cuales cabe destacar, las topologías SIDO (Single Input Dual Output), adecuadas a las aplicaciones de las microrredes CC bipolares. Se consigue así obtener: nueve configuraciones de dos salidas (SIDO), siete configuraciones de n salidas en paralelo, cinco configuraciones de tres salidas, además de configuraciones de cuatro, cinco y seis salidas. Todas ellas son convertidores CC-CC combinados de una sola entrada, con un solo interruptor y sin transformador. Estas cualidades hacen que las configuraciones propuestas sean atractivas por su simplicidad en el control, su reducido tamaño y aportando una mayor eficiencia. Estas configuraciones se pueden escalar a aplicaciones de mayor potencia mediante la conexión en paralelo y aplicando el modo de funcionamiento intercalado. Por lo que se aportan hasta dos configuraciones de convertidores con salida bipolar para aplicaciones de alta potencia.

The implementation of new technologies in electricity generation has led to a change in the distribution model. The Electric Power System (SEP) in its conventional model, concentrates the generation of electricity in large power plants far from the points of consumption, so it is necessary to transport and distribute it. Nowadays, electricity generation is getting closer to consumers, with lower power generators connected directly to the distribution grid. In addition, a change is taking place in the model of electricity consumption. Many applications require a Direct Current (DC) supply, compared to conventional Alternating Current (AC) consumption. For this reason, it is necessary to use devices that adapt this AC supply to DC, or the use of new model’s electrical network management such as microgrids, both AC and DC. This thesis provides a methodology for the development of configurations of devices capable of interconnecting the sources of electricity generation to loads in DC microgrids. These configurations are based on switched, single-input, single-output (SISO) DC-DC converters with a power switch. They are topologies present in multiple applications, also in the literature, with various proposals. The methodology developed allows to obtain DC-DC converters capable of supplying several loads from one input, that is, converters of type SIMO (Single Input Multiple Output). Among which it is worth mentioning, the SIDO (Single Input Dual Output) topologies, suitable for the applications of bipolar DC microgrids. Thus, it is possible to obtain: nine configurations of two outputs (SIDO), seven configurations of n outputs in parallel, five configurations of three outputs, in addition to configurations of four, five and six outputs. All of them are combined DC-DC converters with a single input, single switch and without transformer. These qualities make the proposed configurations attractive for their simplicity in control, their small size and providing greater efficiency. These configurations can be scaled to higher power applications by paralleling connexion and applying the interleaved operating mode. So, to two configurations of converters with bipolar output are provided for high power applications.