convertidor matricial multinivel con aislamiento en media...
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Convertidor Matricial Multinivel con Aislamiento en Media Frecuencia para Aplicación en TES y Sistemas Fotovoltaicos
R. de la Torre, V. Cárdenas, C. Méndez, M. Barrios, H. Miranda, M. González, R. Álvarez
Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Facultad de Ingeniería Av. Dr. Manuel Nava 8, CP 78290, San Luis Potosí, México
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Resumen: En este trabajo se presenta el análisis de un convertidor CA-CA multinivel para aplicaciones en sistemas fotovoltaicos interconectados y transformadores de estado sólido, con capacidad de operación bidireccional, tanto con tensiones de entrada en CD como en CA. La estructura está formada por módulos con una conexión de entrada en serie, y salida en paralelo. Se muestra el principio de funcionamiento en la configuración básica de cada módulo, incluyendo resultados de simulación y la propuesta de un prototipo experimental.
Palabras clave: transformador de estado sólido, convertidor CA-CA multinivel, modulación por corrimiento de fase, convertidor matricial, sistemas fotovoltaicos interconectados.
1. INTRODUCCIÓN
Las redes eléctricas convencionales han tenido un cambio significativo en las dos últimas décadas, debido a la incorporación de generación renovable distribuida y a la descentralización de los sistemas de generación. Este concepto junto con otros elementos forma parte fundamental de las llamadas Redes Eléctricas Inteligentes (REI), donde el sistema principal de suministro eléctrico incorpora la capacidad de gestión activa del flujo de potencia por parte del usuario final, pudiendo éste ser participe en la toma de decisiones. La REI debe contar con los mecanismos para monitorear y controlar el flujo de potencia, canalizando la energía a los puntos de la red donde sea necesario, manteniendo un desempeño óptimo en términos técnicos y económicos (Verma S., et al., 2014). Un elemento fundamental en una red eléctrica es el transformador de potencia, donde sus funciones primarias son escalar la tensión primario-secundario y proveer aislamiento eléctrico. La operación de los transformadores en baja frecuencia (50 – 60 Hz) impacta en su diseño, traduciéndose en que los núcleos magnéticos sean voluminosos y pesados, al igual que los devanados de cobre empleados en su construcción (Manjrekar M. D., et al., 2000)
A partir del desarrollo de la tecnología de semiconductores de potencia en las últimas décadas, se prevé que en el transcurso de los siguientes 30 años la electrónica de potencia conformará el estado y la forma de distribución de la electricidad entre los sistemas de generación y todos los usuarios (Rashid M. H., 2011). Los dispositivos semiconductores de potencia modernos permiten la implementación de convertidores en los que es posible aplicar estrategias de conmutación en media y alta frecuencia, y al mismo tiempo lograr altas eficiencias, reduciendo pérdidas, volumen y peso. Los dispositivos de potencia están
disponibles como unidades individuales o como módulos. El desempeño de los convertidores puede mejorar notablemente al emplear estrategias de control sofisticadas, redundando en una mejor respuesta y menores esfuerzos de corriente y tensión. Los Transformadores de Estado Sólido (TES) basados en semiconductores de potencia se consideran como una pieza clave de las futuras REI. Un TES es en esencia un convertidor CA-CA con aislamiento en media frecuencia, y presenta ventajas sobre los transformadores convencionales, entre las que se cuentan el control del flujo bidireccional de potencia, reducción considerable de peso y volumen, capacidad para mejorar la calidad de la energía eléctrica y el balance de cargas, entre otras. En la medida que los semiconductores de potencia penetren más el mercado, los costos asociados al desarrollo de la tecnología TES también se verán disminuidos. La configuración base de los TES (Fig. 1) consta de un convertidor de corriente alterna a corriente directa (CA-CD), un convertidor de corriente directa a alterna en media frecuencia (CD-CA), un transformador de media frecuencia (MF) que proporciona un enlace galvánico y escalamiento en tensión, un convertidor de corriente alterna a directa (CA-CD) y finalmente un convertidor de corriente directa a alterna (CD-CA) conectado al lado de baja tensión. Las etapas en cascada afectan en la eficiencia global del equipo.
CA‐CD
TransformadorenMFoAF
Reddebaja
tensión
Reddemedia
tensión
CD‐CA CA‐CD CD‐CA
Fig. 1. Configuración básica de un transformador de estado sólido.
Congreso Nacional de Control Automático 2017Monterrey, Nuevo León, Mexico, Octubre 4-6, 2017
397
CD‐CD CD‐CATransformador
delínea
Reddemedia
tensión
PV
Fig. 2. Sistema fotovoltaico convencional acoplado a la red eléctrica.
En un Sistema Fotovoltaico Interconectado a Red (SFIR) la tensión generada por los paneles solares es en CD, por lo que requiere la conversión a CA además de proveer aislamiento galvánico hacia la red, principalmente en aplicaciones interconectadas en media y alta potencia. El esquema convencional de un SFIR se muestra en la Fig. 2, donde el convertidor CD-CD tiene como función principal realizar el seguimiento de máxima potencia en los paneles solares (MPP). Un convertidor CD-CA opera a partir de la tensión de salida, y finalmente un transformador de línea conectado a la red eléctrica proporciona aislamiento entre la red y el sistema fotovoltaico.
Como se puede apreciar, tanto los TES como los SFIR emplean estructuras de electrónica de potencia en donde es necesario realizar un aislamiento eléctrico y generar una tensión de salida en CA controlada en frecuencia y amplitud. Además, es necesario considerar aspectos de eficiencia y tamaño. En este trabajo se propone y explora el uso de convertidores matriciales multinivel, con capacidad para operar con una tensión de entrada tanto en CA como en CD, y ofrecer una tensión de salida en CA con aislamiento eléctrico, susceptibles de poder aplicarse en sistemas TES y SFIR. En la Fig. 3 se muestra el esquema fundamental considerado; la entrada está conformada por una estructura multinivel, que permite trabajar en media tensión distribuyendo los esfuerzos en n módulos. La salida está formada por la conexión en paralelo de los módulos, incrementando la corriente global y la capacidad de procesamiento de potencia. Al contar con una configuración reducida de etapas, es posible mejorar la eficiencia en aplicaciones como el TES y los SFIR (Khemmook P., et al., 2015), (Liu W. et al., 2015). Dada la versatilidad de la topología considerada es factible procesar a la entrada del convertidor tensión en CA o CD, además de ser bidireccional.
Fig. 3. Propuesta del convertidor CD-CA matricial multinivel con PV trabajando como transformador e inversor en etapas integradas.
La topología es escalable a mayores potencias y tensiones, manteniendo aislamiento magnético, operación en media
frecuencia, alta eficiencia y alta calidad en sus formas de onda a la salida. El trabajo se estructura de la siguiente manera: la sección 2 describe la estructura del convertidor; la sección 3 presenta el sistema de control para el convertidor propuesto. En la sección 4 se presentan simulaciones. En la sección 5 se presentan algunos resultados experimentales y en la sección 6 se presentan las conclusiones.
2. ESTRUCTURA DEL CONVERTIDOR
El convertidor propuesto se muestra en la Fig. 4; el principio de operación consiste en transformar una tensión de entrada (CA o CD) a una tensión CA en media frecuencia, para transferir energía a través del enlace magnético del transformador en media frecuencia (MF). Esta tensión es procesada por un convertidor bidireccional en tensión y corriente en puente H, sintetizando una forma de onda con una componente fundamental de amplitud y frecuencia deseadas en baja tensión. Se propone un enlace en media frecuencia (10 kHz) para disminuir los efectos asociados a una conmutación en media tensión (>1 kV): interferencia, ruido radiado, pérdidas por efecto piel, resonancias por componentes parásitas, entre otros.
El convertidor multinivel (Fig. 5) tiene una estructura CA/CA; se elige esta topología debido a que es bidireccional en tensión y en corriente, además de tener un aislamiento magnético proporcionado por el transformador de media frecuencia. El esquema se puede ser generalizar; en la Fig. 5 se muestra un caso particular para dos módulos.
Reddebaja
tensión
Reddemedia
tensión
a)
V i
CA‐CA TransformadorenMF
Reddebaja
tensión
CA‐CA
v o
v s
v p,v
s
v p
PV
b)
Fig. 4. Diagrama a bloques de la estructura propuesta. a) Aplicación en transformadores de estado sólido. b) Aplicación en sistemas fotovoltaicos.
a)
b)
Fig. 5. Convertidor multinivel matricial CA-CA. a) Estructura de potencia. b) Esquema de control. En comparación con las estructuras presentadas en las Fig. 1 y 2, la topología propuesta reduce el número de etapas de conversión lo que aumenta la eficiencia y confiabilidad, pero también aumenta la complejidad de la estrategia de conmutación. En el diagrama de la Fig. 5 se observa que el convertidor está formado por módulos en cascada conectados en serie a la entrada, lo que permite manejar mayor nivel de tensión ya que ésta se divide entre el número de módulos. La salida tiene una conexión en paralelo, sumando la corriente de cada módulo para tener una corriente global superior. Cada módulo se conforma de dos puentes H bidireccionales en corriente y en tensión, acoplados por un transformador de MF que genera un enlace magnético que permite el aislamiento y escala la tensión al valor necesario. Adicionalmente se agrega un filtro LC en la entrada y en la salida. El principio de operación de un módulo basado en convertidor CA-CA matricial se sintetiza a continuación. Dos
2
T
Fig. 6. a) Circuito esquemático de un módulo del convertidor
CA-CA monofásico; b) Formas de onda características de DAB operando con d=1, φ=π/3.
puentes H matriciales están enlazados por un transformador de MF, generando una tensión cuadrada desfasada por un ángulo φ para controlar el flujo de potencia. El inductor L es el elemento principal para controlar la transferencia de potencia; puede ser un inductor externo o el propio inductor de dispersión del transformador. En la Fig. 6 se ilustra el principio de operación (Kheraluwala M. H. et al., 1992). La ecuación que describe la transferencia de potencia en un periodo de conmutación bajo condiciones ideales es la siguiente:
Tt
io d
L
tvtp
||
1)(
)(2
, (1)
)(
)(
tNv
tvd
i
o . (2)
Se asume que las tensiones vi y vo de entrada y salida respectivamente son señales sinusoidales de baja frecuencia, de la forma:
)( tsenvv ipii , (3)
)( tsenvv opoo. (4)
N es la relación de transformación, T es el periodo de conmutación, φ el ángulo de desfase en radianes entre la
tensión del primario y secundario del transformador. La frecuencia de conmutación es mucho mayor que la frecuencia de la red, siendo factible aplicar un análisis en estado cuasi-estable (Qin H. et al., 2013). El desfasamiento (φ) se varía en cada periodo de conmutación, siendo posible modular el flujo de potencia a través del transformador de enlace en media frecuencia, sintetizando las formas de tensión y/o corriente deseadas. En configuración multinivel se tiene la restricción que los módulos tienen que entregar la misma potencia para mantener un equilibrio en las tensiones de entrada y las corrientes de salida de cada uno de los módulos. El circuito en la Fig. 5a incorpora un filtro LC a la entrada y a la salida de la etapa de potencia, con una frecuencia de corte de fc para obtener formas de onda de tensión y corriente con menor distorsión armónica, atenuando la componente de conmutación
En el caso en que la tensión de entrada sea en CD, a partir de una potencia de referencia que se desea seguir se determina el ángulo φ. En este caso el ángulo de desfase es variante para poder sintetizar la tensión sinusoidal de salida. Con el ángulo de desfase calculado se generan las señales PWM para cada uno de los puentes. De forma similar, el caso en que la tensión de entrada es en CA, igualmente se calcula el ángulo de desfase a partir de una potencia de referencia. Si las tensiones de entrada y salida tienen la misma frecuencia y están sincronizadas, el ángulo φ es una constante.
En la Fig. 5b se muestra la propuesta para llevar a cabo el control de la topología considerada, para mejorar el comportamiento, el ángulo de fase φ, se ajusta basado en la observación del error en la tensión de salida. El lazo de retroalimentación hace que el sistema tome una acción correctiva, si la salida vo (nivel actual) se desvía de la entrada vo
* (nivel deseado). 4. SIMULACIONES
Para validar el comportamiento del sistema propuesto, se presentan dos casos de simulación. En el primero se considera una tensión de entrada en CA y salida en CA. Para el segundo, se considerad una tensión de entrada en CD y salida en CA.
4.1 Operación en TES con entrada y salida en CA
Los parámetros de la simulación se detallan en la Tabla 1. En la entrada y salida del convertidor se colocan filtros LC con frecuencia de corte de 1 kHz, para obtener formas de onda sinusoidales con baja distorsión armónica. En la Fig. 7 se muestran los resultados de simulación. En el trazo a) se puede observar la tensión aplicada en la entrada de la configuración CA-CA con 2 módulos (vi). La corriente (io) y la tensión de salida (vo) se muestra en las figuras c) y d). En la figura e) se muestra el ángulo φ. En las figuras f) y g) la tensión conmutada en el primario del transformador de cada uno de los módulos (vp1, vp2), también se muestran en los trazos g) y h) las corrientes de salida de cada uno de los módulos (io1eio2). Se puede apreciar cómo la tensión se distribuye uniformemente, al igual que la corriente de carga.
360
‐360
0v iV
6
‐6
0i iA
a)
b)
v oV
180
‐180
0
c)
e)
v p1V
180
‐180f)
0
v p2V
180
‐180
0
g)
i o1A
7
‐7
0
i o2A
7
‐7
0
h)
6 9 111087Tiempo ms
0 15 2520105Tiempo ms
3530
i oA
11
‐11
0
φrad
1
0.5
0 15 2520105
Tiempo ms
30 350
d)
i) Fig. 7. Formas de onda del convertidor multinivel matricial
CA-CA, operando en un esquema TES.
Los mismos trazos se muestran en dos escalas de tiempo diferentes, para poder apreciar la envolvente de baja frecuencia y el detalle de conmutación.
En esta simulación la tensión de salida está a la misma frecuencia que la entrada. Como la tensión de salida y entrada están en fase y a la misma frecuencia, el ángulo φ es fijo. Es importante notar que los dos módulos trabajan a la misma potencia por lo cual las señales de voltajes son similares; también se observa que se entrega potencia con factor de potencia unitario.
4.2 Operación en sistema fotovoltaico
Los parámetros de la simulación del convertidor CD-CA en configuración multinivel se detallan en la Tabla 1.
En la entrada y salida del convertidor se colocan filtros LC con una frecuencia de corte de 1kHz para filtrar armónicos en las tensiones y corrientes de entrada y salida. En la Fig. 8 se puede observar en el trazo superior la tensión aplicada en la entrada del convertidor (Vi) en este caso al contario que en la aplicación en TES la tensión es en CD, lo que cambia de manera significativa la modulación; sin embargo, el análisis sigue siendo válido. En este mismo gráfico se encuentra la tensión conmutada en el primario del transformador (vp), en la segunda ilustración se observa la corriente en la entrada del convertidor (Ii), en el tercer trazo se observa la tensión de salida (vo) a 60 Hz; se pueden notar oscilaciones en los primeros instantes de simulación debidas a la dinámica de los capacitores e inductores, aunque son pequeñas se ven reflejadas en la corriente de salida. En el siguiente trazo (d) se muestra la corriente de salida del convertidor hacia la carga (io) y por último se muestra en e) el ángulo de desfase (φ), el cual es variante en el tiempo. El factor de potencia en la carga se considera unitario. Hay que recordar que el sistema está compuesto por 2 módulos para el procesamiento de la energía. Sin embargo, por simplicidad en la Fig. 8, únicamente se muestran las formas de inda de uno de los módulos; el comportamiento del segundo módulo es similar. Tabla 1. Parámetros de simulación para el TES y SFIR.
Parámetro Valor (TES) Valor (SFIR)
Potencia de salida, Po 1 kW 1 kW Tensión de entrada, vi 254 VRMS, 60 Hz 250 VCD
Tensión de salida, vo 127 VRMS , 60 Hz 127 VRMS , 60 Hz
Frecuencia de conmutación, fs 9.96 kHz 9.96 kHz Inductor del filtro, Li 1.69 mH 1.69 mH Capacitor del filtro, Ci 15 μF 15 μF Inductor de dispersión, L 300 μH 300 μH Relación de transformación, 1:N 1 1 Ángulo de desfase, φ 0.77 rad Variante
5. RESULTADOS EXPERIMENTALES
Con el fin de validar la topología y la técnica de modulación del convertidor propuesto se diseña y construye un prototipo experimental (Fig.9).
250
0
11
‐11i oA
180
‐25
I iA
‐180
0
0
V iV
0
25
180
v oV
a)
b)
c)
d)
1.2
0
φrad
e)
0 15 2520105Tiempo ms
30 35
v p1V
180
v p2V
‐180
‐180
180f)
g)
i o1A
i o2A
0 15 2520105Tiempo ms
30 35
‐20
20
‐20
20
9 1087Tiempo ms
6
h)
i)
11
Fig. 8. Formas de onda del convertidor multinivel matricial
CD-CA.
El convertidor está formado por dos puentes H matriciales, con un enlace magnético proporcionado por un transformador en media frecuencia. Cada puente está formado por cuatro interruptores bidireccionales en corriente y tensión. Los componentes son mayoritariamente de montaje superficial, con tiempos de conmutación inferiores a 30 ns, y bajas pérdidas asociadas.
Fig. 9. Prototipo experimental preliminar.
Las principales formas de onda se muestran en las Fig. 10 y Fig. 11. Las pruebas se hacen a baja potencia 5 W, y tensión de entrada de 55 VRMS, se toman en cuenta 12.5 V de caída en los interruptores, como carga se tiene una resistencia de 470Ω Las formas de onda son las esperadas y se planea aumentar los niveles de potencia para pruebas posteriores.
6. CONCLUSIONES
En este trabajo se presentó principio de funcionamiento y análisis del convertidor CA-CA matricial multinivel con enlace en media frecuencia para aplicaciones en TES y SFIR. La topología propuesta permite reducir las etapas de procesamiento de energía, al integrar en un solo convertidor funciones de varios convertidores en cascada. Los resultados de simulación muestran que es posible controlar la transferencia de potencia considerando una tensión de entrada en CD o en CA, y una salida deseada en CA.
Fig. 10. Tensión de entrada ch2, tensión en el primario del transformador ch1, tensión en el secundario del
Fig. 11. Tensión de entrada ch2, tensión en la carga ch1,
corriente de salida ch4 y potencia de salida canal matemático.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo fue desarrollado en el marco del proyecto de investigación CONACYT 215844.
REFERENCIAS
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