Convertidor Matricial Multinivel con Aislamiento en Media Frecuencia para Aplicación en TES y Sistemas Fotovoltaicos

Transcripción

1 Congreso Naconal de Control Automátco 217 Monterrey, Nuevo León, Mexco, Octubre 4-6, Convertdor Matrcal Multnvel con Aslamento en Meda Frecuenca para Aplcacón en TES y Sstemas Fotovoltacos R. de la Torre, V. Cárdenas, C. Méndez, M. Barros, H. Mranda, M. González, R. Álvarez Unversdad Autónoma de San Lus Potosí, Facultad de Ingenería Av. Dr. Manuel Nava 8, CP 7829, San Lus Potosí, Méxco e-mal: r.de.la.torre.santos@gmal.com, vcardena@uaslp.mx, fernando.barros@uaslp.mx, barros.mx@gmal.com Resumen: En este trabajo se presenta el análss de un convertdor CA-CA multnvel para aplcacones en sstemas fotovoltacos nterconectados y transformadores de estado sóldo, con capacdad de operacón bdrecconal, tanto con tensones de entrada en CD como en CA. La estructura está formada por módulos con una conexón de entrada en sere, y salda en paralelo. Se muestra el prncpo de funconamento en la confguracón básca de cada módulo, ncluyendo resultados de smulacón y la propuesta de un prototpo expermental. Palabras clave: transformador de estado sóldo, convertdor CA-CA multnvel, modulacón por corrmento de fase, convertdor matrcal, sstemas fotovoltacos nterconectados. 1. INTRODUCCIÓN Las redes eléctrcas convenconales han tendo un cambo sgnfcatvo en las dos últmas décadas, debdo a la ncorporacón de generacón renovable dstrbuda y a la descentralzacón de los sstemas de generacón. Este concepto junto con otros elementos forma parte fundamental de las llamadas Redes Eléctrcas Intelgentes (REI), donde el sstema prncpal de sumnstro eléctrco ncorpora la capacdad de gestón actva del flujo de potenca por parte del usuaro fnal, pudendo éste ser partcpe en la toma de decsones. La REI debe contar con los mecansmos para montorear y controlar el flujo de potenca, canalzando la energía a los puntos de la red donde sea necesaro, mantenendo un desempeño óptmo en térmnos técncos y económcos (Verma S., et al., 214). Un elemento fundamental en una red eléctrca es el transformador de potenca, donde sus funcones prmaras son escalar la prmaro-secundaro y proveer aslamento eléctrco. La operacón de los transformadores en baja frecuenca (5 6 Hz) mpacta en su dseño, traducéndose en que los núcleos magnétcos sean volumnosos y pesados, al gual que los devanados de cobre empleados en su construccón (Manjrekar M. D., et al., 2) A partr del desarrollo de la tecnología de semconductores de potenca en las últmas décadas, se prevé que en el transcurso de los sguentes 3 años la electrónca de potenca conformará el estado y la forma de dstrbucón de la electrcdad entre los sstemas de generacón y todos los usuaros (Rashd M. H., 211). Los dspostvos semconductores de potenca modernos permten la mplementacón de convertdores en los que es posble aplcar estrategas de conmutacón en meda y alta frecuenca, y al msmo tempo lograr altas efcencas, reducendo pérddas, volumen y peso. Los dspostvos de potenca están dsponbles como undades ndvduales o como módulos. El desempeño de los convertdores puede mejorar notablemente al emplear estrategas de control sofstcadas, redundando en una mejor respuesta y menores esfuerzos de corrente y. Los Transformadores de Estado Sóldo (TES) basados en semconductores de potenca se consderan como una peza clave de las futuras REI. Un TES es en esenca un convertdor CA-CA con aslamento en meda frecuenca, y presenta ventajas sobre los transformadores convenconales, entre las que se cuentan el control del flujo bdrecconal de potenca, reduccón consderable de peso y volumen, capacdad para mejorar la caldad de la energía eléctrca y el balance de cargas, entre otras. En la medda que los semconductores de potenca penetren más el mercado, los costos asocados al desarrollo de la tecnología TES tambén se verán dsmnudos. La confguracón base de los TES (Fg. 1) consta de un convertdor de corrente alterna a corrente drecta (CA-CD), un convertdor de corrente drecta a alterna en meda frecuenca (CD-CA), un transformador de meda frecuenca (MF) que proporcona un enlace galvánco y escalamento en, un convertdor de corrente alterna a drecta (CA-CD) y fnalmente un convertdor de corrente drecta a alterna (CD-CA) conectado al lado de baja. Las etapas en cascada afectan en la efcenca global del equpo. Red de meda CA CD Transformador en MF o AF CD CA CA CD CD CA Red de baja Fg. 1. Confguracón básca de un transformador de estado sóldo.

2 PV CD CD CD CA Transformador de línea Red de meda Fg. 2. Sstema fotovoltaco convenconal acoplado a la red eléctrca. En un Sstema Fotovoltaco Interconectado a Red (SFIR) la generada por los paneles solares es en CD, por lo que requere la conversón a CA además de proveer aslamento galvánco haca la red, prncpalmente en aplcacones nterconectadas en meda y alta potenca. El esquema convenconal de un SFIR se muestra en la Fg. 2, donde el convertdor CD-CD tene como funcón prncpal realzar el segumento de máxma potenca en los paneles solares (MPP). Un convertdor CD-CA opera a partr de la de salda, y fnalmente un transformador de línea conectado a la red eléctrca proporcona aslamento entre la red y el sstema fotovoltaco. Como se puede aprecar, tanto los TES como los SFIR emplean estructuras de electrónca de potenca en donde es necesaro realzar un aslamento eléctrco y generar una de salda en CA controlada en frecuenca y ampltud. Además, es necesaro consderar aspectos de efcenca y tamaño. En este trabajo se propone y explora el uso de convertdores matrcales multnvel, con capacdad para operar con una de entrada tanto en CA como en CD, y ofrecer una de salda en CA con aslamento eléctrco, susceptbles de poder aplcarse en sstemas TES y SFIR. En la Fg. 3 se muestra el esquema fundamental consderado; la entrada está conformada por una estructura multnvel, que permte trabajar en meda dstrbuyendo los esfuerzos en n módulos. La salda está formada por la conexón en paralelo de los módulos, ncrementando la corrente global y la capacdad de procesamento de potenca. Al contar con una confguracón reducda de etapas, es posble mejorar la efcenca en aplcacones como el TES y los SFIR (Khemmook P., et al., 215), (Lu W. et al., 215). Dada la versatldad de la topología consderada es factble procesar a la entrada del convertdor en CA o CD, además de ser bdrecconal. frecuenca, alta efcenca y alta caldad en sus formas de onda a la salda. El trabajo se estructura de la sguente manera: la seccón 2 descrbe la estructura del convertdor; la seccón 3 presenta el sstema de control para el convertdor propuesto. En la seccón 4 se presentan smulacones. En la seccón 5 se presentan algunos resultados expermentales y en la seccón 6 se presentan las conclusones. 2. ESTRUCTURA DEL CONVERTIDOR El convertdor propuesto se muestra en la Fg. 4; el prncpo de operacón consste en transformar una de entrada (CA o CD) a una CA en meda frecuenca, para transferr energía a través del enlace magnétco del transformador en meda frecuenca (MF). Esta es procesada por un convertdor bdrecconal en y corrente en puente H, sntetzando una forma de onda con una componente fundamental de ampltud y frecuenca deseadas en baja. Se propone un enlace en meda frecuenca (1 khz) para dsmnur los efectos asocados a una conmutacón en meda (>1 kv): nterferenca, rudo radado, pérddas por efecto pel, resonancas por componentes parástas, entre otros. El convertdor multnvel (Fg. 5) tene una estructura CA/CA; se elge esta topología debdo a que es bdrecconal en y en corrente, además de tener un aslamento magnétco proporconado por el transformador de meda frecuenca. El esquema se puede ser generalzar; en la Fg. 5 se muestra un caso partcular para dos módulos. Red de meda vp vs V Red de baja vp, vs vo Fg. 3. Propuesta del convertdor CD-CA matrcal multnvel con PV trabajando como transformador e nversor en etapas ntegradas. La topología es escalable a mayores potencas y tensones, mantenendo aslamento magnétco, operacón en meda PV CA CA Transformador en MF CA CA Red de baja Fg. 4. Dagrama a bloques de la estructura propuesta. Aplcacón en transformadores de estado sóldo. Aplcacón en sstemas fotovoltacos.

3 T 2 Fg. 6. Crcuto esquemátco de un módulo del convertdor CA-CA monofásco; Formas de onda característcas de DAB operando con d=1, φ=π/3. Fg. 5. Convertdor multnvel matrcal CA-CA. Estructura de potenca. Esquema de control. En comparacón con las estructuras presentadas en las Fg. 1 y 2, la topología propuesta reduce el número de etapas de conversón lo que aumenta la efcenca y confabldad, pero tambén aumenta la complejdad de la estratega de conmutacón. En el dagrama de la Fg. 5 se observa que el convertdor está formado por módulos en cascada conectados en sere a la entrada, lo que permte manejar mayor nvel de ya que ésta se dvde entre el número de módulos. La salda tene una conexón en paralelo, sumando la corrente de cada módulo para tener una corrente global superor. Cada módulo se conforma de dos puentes H bdrecconales en corrente y en, acoplados por un transformador de MF que genera un enlace magnétco que permte el aslamento y escala la al valor necesaro. Adconalmente se agrega un fltro LC en la entrada y en la salda. El prncpo de operacón de un módulo basado en convertdor CA-CA matrcal se sntetza a contnuacón. Dos puentes H matrcales están enlazados por un transformador de MF, generando una cuadrada desfasada por un ángulo φ para controlar el flujo de potenca. El nductor L es el elemento prncpal para controlar la transferenca de potenca; puede ser un nductor externo o el propo nductor de dspersón del transformador. En la Fg. 6 se lustra el prncpo de operacón (Kheraluwala M. H. et al., 1992). La ecuacón que descrbe la transferenca de potenca en un perodo de conmutacón bajo condcones deales es la sguente: 2 v ( t) p o ( t) L d 1 t T, (1) vo ( t) d. (2) Nv ( t) Se asume que las tensones v y v o de entrada y salda respectvamente son señales snusodales de baja frecuenca, de la forma: v v sen ( t), (3) p vo v po sen ( ot ). (4) N es la relacón de transformacón, T es el perodo de conmutacón, φ el ángulo de desfase en radanes entre la

4 del prmaro y secundaro del transformador. La frecuenca de conmutacón es mucho mayor que la frecuenca de la red, sendo factble aplcar un análss en estado cuasestable (Qn H. et al., 213). El desfasamento (φ) se varía en cada perodo de conmutacón, sendo posble modular el flujo de potenca a través del transformador de enlace en meda frecuenca, sntetzando las formas de y/o corrente deseadas. En confguracón multnvel se tene la restrccón que los módulos tenen que entregar la msma potenca para mantener un equlbro en las tensones de entrada y las correntes de salda de cada uno de los módulos. El crcuto en la Fg. 5a ncorpora un fltro LC a la entrada y a la salda de la etapa de potenca, con una frecuenca de corte de f c para obtener formas de onda de y corrente con menor dstorsón armónca, atenuando la componente de conmutacón En el caso en que la de entrada sea en CD, a partr de una potenca de referenca que se desea segur se determna el ángulo φ. En este caso el ángulo de desfase es varante para poder sntetzar la snusodal de salda. Con el ángulo de desfase calculado se generan las señales PWM para cada uno de los puentes. De forma smlar, el caso en que la de entrada es en CA, gualmente se calcula el ángulo de desfase a partr de una potenca de referenca. S las tensones de entrada y salda tenen la msma frecuenca y están sncronzadas, el ángulo φ es una constante. En la Fg. 5b se muestra la propuesta para llevar a cabo el control de la topología consderada, para mejorar el comportamento, el ángulo de fase φ, se ajusta basado en la observacón del error en la de salda. El lazo de retroalmentacón hace que el sstema tome una accón correctva, s la salda v o (nvel actual) se desvía de la entrada v * o (nvel deseado). v V A vo V φ rad o A c) d) 4. SIMULACIONES Para valdar el comportamento del sstema propuesto, se presentan dos casos de smulacón. En el prmero se consdera una de entrada en CA y salda en CA. Para el segundo, se consderad una de entrada en CD y salda en CA. 4.1 Operacón en TES con entrada y salda en CA Los parámetros de la smulacón se detallan en la Tabla 1. En la entrada y salda del convertdor se colocan fltros LC con frecuenca de corte de 1 khz, para obtener formas de onda snusodales con baja dstorsón armónca. En la Fg. 7 se muestran los resultados de smulacón. En el trazo se puede observar la aplcada en la entrada de la confguracón CA-CA con 2 módulos (v ). La corrente ( o) y la de salda (v o) se muestra en las fguras c) y d). En la fgura e) se muestra el ángulo φ. En las fguras f) y g) la conmutada en el prmaro del transformador de cada uno de los módulos (v p1, v p2 ), tambén se muestran en los trazos g) y h) las correntes de salda de cada uno de los módulos ( o1 e o2). Se puede aprecar cómo la se dstrbuye unformemente, al gual que la corrente de carga. vp1 V vp2 V o1 A o2 A e) f) g) h) T empo ms ) Fg. 7. Formas de onda del convertdor multnvel matrcal CA-CA, operando en un esquema TES.

5 Los msmos trazos se muestran en dos escalas de tempo dferentes, para poder aprecar la envolvente de baja frecuenca y el detalle de conmutacón. En esta smulacón la de salda está a la msma frecuenca que la entrada. Como la de salda y entrada están en fase y a la msma frecuenca, el ángulo φ es fjo. Es mportante notar que los dos módulos trabajan a la msma potenca por lo cual las señales de voltajes son smlares; tambén se observa que se entrega potenca con factor de potenca untaro. 4.2 Operacón en sstema fotovoltaco V V I A Los parámetros de la smulacón del convertdor CD-CA en confguracón multnvel se detallan en la Tabla 1. En la entrada y salda del convertdor se colocan fltros LC con una frecuenca de corte de 1 khz para fltrar armóncos en las tensones y correntes de entrada y salda. En la Fg. 8 se puede observar en el trazo superor la aplcada en la entrada del convertdor (V ) en este caso al contaro que en la aplcacón en TES la es en CD, lo que camba de manera sgnfcatva la modulacón; sn embargo, el análss sgue sendo váldo. En este msmo gráfco se encuentra la conmutada en el prmaro del transformador (v p), en la segunda lustracón se observa la corrente en la entrada del convertdor (I ), en el tercer trazo se observa la de salda (v o) a 6 Hz; se pueden notar osclacones en los prmeros nstantes de smulacón debdas a la dnámca de los capactores e nductores, aunque son pequeñas se ven reflejadas en la corrente de salda. En el sguente trazo (d) se muestra la corrente de salda del convertdor haca la carga ( o) y por últmo se muestra en e) el ángulo de desfase (φ), el cual es varante en el tempo. El factor de potenca en la carga se consdera untaro. Hay que recordar que el sstema está compuesto por 2 módulos para el procesamento de la energía. Sn embargo, por smplcdad en la Fg. 8, úncamente se muestran las formas de nda de uno de los módulos; el comportamento del segundo módulo es smlar. vo V 18 c) 11 o A φ rad vp1 V vp2 V 11 d) e) f) g) 3 35 Tabla 1. Parámetros de smulacón para el TES y SFIR. Parámetro Valor (TES) Valor (SFIR) Potenca de salda, P o 1 kw 1 kw Tensón de entrada, v 254 V RMS, 6 Hz 25 V CD Tensón de salda, v o 127 V RMS, 6 Hz 127 V RMS, 6 Hz Frecuenca de conmutacón, f s 9.96 khz 9.96 khz Inductor del fltro, L 1.69 mh 1.69 mh Capactor del fltro, C 15 μf 15 μf Inductor de dspersón, L 3 μh 3 μh Relacón de transformacón, 1:N 1 1 Ángulo de desfase, φ.77 rad Varante 5. RESULTADOS EXPERIMENTALES Con el fn de valdar la topología y la técnca de modulacón del convertdor propuesto se dseña y construye un prototpo expermental (Fg.9). o1 A o2 A 2 2 h) ) T empo ms Fg. 8. Formas de onda del convertdor multnvel matrcal CD-CA. El convertdor está formado por dos puentes H matrcales, con un enlace magnétco proporconado por un transformador en meda frecuenca. Cada puente está formado por cuatro nterruptores bdrecconales en corrente y. Los componentes son mayortaramente de montaje superfcal, con tempos de conmutacón nferores a 3 ns, y bajas pérddas asocadas. 11

6 Fg. 9. Prototpo expermental prelmnar. Las prncpales formas de onda se muestran en las Fg. 1 y Fg. 11. Las pruebas se hacen a baja potenca 5 W, y de entrada de 55 V RMS, se toman en cuenta 12.5 V de caída en los nterruptores, como carga se tene una resstenca de 47Ω Las formas de onda son las esperadas y se planea aumentar los nveles de potenca para pruebas posterores. 6. CONCLUSIONES En este trabajo se presentó prncpo de funconamento y análss del convertdor CA-CA matrcal multnvel con enlace en meda frecuenca para aplcacones en TES y SFIR. La topología propuesta permte reducr las etapas de procesamento de energía, al ntegrar en un solo convertdor funcones de varos convertdores en cascada. Los resultados de smulacón muestran que es posble controlar la transferenca de potenca consderando una de entrada en CD o en CA, y una salda deseada en CA. Fg. 1. Tensón de entrada ch2, en el prmaro del transformador ch1, en el secundaro del Fg. 11. Tensón de entrada ch2, en la carga ch1, corrente de salda ch4 y potenca de salda canal matemátco. AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue desarrollado en el marco del proyecto de nvestgacón CONACYT REFERENCIAS Qn H. and Kmball J. W., Sold-state transformer archtecture usng ac-ac dual-actve-brdge converter n IEEE transactons on ndustral electroncs, vol. 6, no. 9, September 213, pp Manjrekar M. D., Keferndorf R. and Venjataramanan G., Power electroncs transformer for utlty applcatons, n Industry Applcatons Conference, 2. Conference Record of the 2 IEEE, pp Kheraluwala M. H., Gascongne R. W., Dvan M., and Baumann E. D., Performance characterzaton of a hghpower dual actve brdge dc-to-dc converter, n IEEE transactons on ndustry applcatons, vol. 28, no. 6, November/December 1992, pp Rashd M. H. (211)., Power electroncs handbook devces, crcuts, and applcatons, 3rd Edton, Butterworth-Henemann, U.S.A. Mohan N., Undeland T. M. and Robbns W. P. (22)., Power Electroncs: Converters, Applcatons, and Desgn, 3rd Edton, John Wley & Sons, U.S.A. Khemmook P. and Khomfo S., Sold state transformer usng a modular multlevel nverter for PV farm applcatons, n 18 th nternatonal conference on electrcal machnes and systems (ICEMS), Pattaya Cty, Thaland, Oct , 215, pp Verma S. and Rana P., Wreless communcaton applcaton n smart grd: an overvew, n Internatonal Conference on Innovatve Applcatons of Computatonal Intellgence on Power, Energy and Controls wth ther Impact on Humanty (CIPECH14) 28 & 29 November 214, pp Lu W., Wang K., Chung H., and Steve T. C., Modelng and desgn of seres voltage compensator for reducton of DC-lnk capactance n grd-te solar nverter, n IEEE transactons on power electroncs, vol. 3, no. 5, may. 215, pp