Estudio de la eficiencia energética en convertidores CC/CA utilizando multiplexado de interruptores y técnicas de control adaptativas

Abstract

Electrical energy generation systems based on renewable energy sources have been promoted in recent years. The introduction of these systems has changed the centralized energy model to become a distributed energy model. The variability, more or less predictable, in electrical energy production based on renewable energies is a particularity of some distributed power generation systems. These variations, due to the nature of the power source, are a further disadvantage when considering the variability in energy demand. The fluctuations between energy generated and energy demanded makes it necessary to increase the use of power electronic systems in order to manage energy by storing the excess of energy during times of low demand and injecting to the grid when higher demand requires it. Some electrical energy generation systems are not able to manage variable power flow, for this reason the efficiency and their influence on the grid must be considered when their operating regime is variable. This thesis is framed within the field of electrical energy conversion in power generation systems based on renewable and non-manageable energy resources. This research scope focuses on the impact in terms of efficiency of power converters when their switches are based on transistors connected in parallel operating in case of variable power flow. Therefore, this thesis explores the energetic efficiency converters considering the influence in the current distortion by measuring the Total Harmonic Distortion (THD). To evaluate these parameters a switching strategy has been developed providing advanced configuration capabilities, selecting the number of transistors within the power switch according to the operating conditions of the power converter, applying switch multiplexed techniques and adaptive control strategies. Two main strategies are developed according to the switching frequency, maintaining a constant switching frequency in the power converter or maintaining a constant switching frequency in the transistors within the power switch. Both of them can decrease the number of switchings in each transistor. A study of performance of transistors connected in parallel is presented, highlighting the factors involved in the transistor current sharing, examining the existing techniques and analyzing their influence in transistor losses. Loss estimation models are introduced to evaluate the effects of the adaptive switching techniques on two of the main devices of the power converter, the transistors and the grid coupled inductor. The experimental results are obtained from a single-phase inverter with power switches based on four transistors connected in parallel. The test results show the power losses in different operating conditions, distinguishing the conduction losses, the switching losses and the losses due to the coupling inductor.

En los últimos años se ha promovido la implantación de sistemas de generación eléctrica a partir de energías renovables. La introducción de estos sistemas ha cambiado el modelo de generación centralizado, dando paso a un modelo de generación distribuido. Un aspecto particular de algunos sistemas de energía distribuidos basados en energías renovables es la variabilidad, más o menos previsible, de la producción de energía eléctrica. Estas variaciones se deben a la propia naturaleza de la fuente de energía, situación que se ve aún más perjudicada si se considera la variabilidad en la demanda de energía. Las fluctuaciones entre la energía generada y la energía demandada hacen necesario el incremento de sistemas de electrónica de potencia para gestionar la energía, almacenando en momentos de baja demanda e inyectando a red cuando la demanda así lo requiere. Algunos sistemas de generación eléctrica no pueden gestionar la variabilidad en el tráfico energético, por este motivo, resulta conveniente considerar la eficiencia de los sistemas de procesamiento de energía y el impacto que pueden ejercer sobre la red eléctrica los sistemas de alimentación cuyo régimen de funcionamiento es variable. El objetivo principal de esta tesis consiste en el estudio del comportamiento e influencia que tiene en un convertidor cuando sus interruptores están constituidos por conjuntos de transistores conectados en paralelo. Para ello, se estudia el efecto que tiene en el rendimiento de un convertidor la aplicación de distintas estrategias de conmutación y el efecto en la distorsión de la corriente de salida basada en la medida del índice THD. Para evaluar estas dos características, se ha desarrollado una estrategia de conmutación basada en la gestión de los interruptores del convertidor, dotándolo de la capacidad de configurar el conjunto de transistores que conforman los interruptores en función de las condiciones de funcionamiento y aplicando técnicas de control multiplexadas, gestionando el número e instante en el que deben conmutar el conjunto de transistores. Se estudia el comportamiento de los transistores cuando operan en paralelo, destacando los factores que influyen en el reparto de corriente. Se examinan las técnicas existentes de reparto de corriente y se analiza su impacto en la eficiencia del interruptor. Se presentan modelos de estimación de pérdidas que permiten cuantificar el efecto que las técnicas de conmutación adaptativas tienen sobre dos de los componentes fundamentales del convertidor, los transistores y la inductancia de acoplamiento a red. Se presentan los resultados de la investigación obtenidos a partir de una plataforma de ensayo basada en un inversor monofásico con interruptores que integran cuatro transistores en paralelo. El conjunto de ensayos muestra las pérdidas del convertidor en distintas condiciones de funcionamiento, distinguiendo las pérdidas de conducción y conmutación en transistores y las pérdidas que se producen en la inductancia de acoplamiento a red.