Estrategias para incrementar las prestaciones del convertidor elevador síncrono orientado a la integración de fuentes de energía distribuidas en un convertidor multi-nivel"- "strategies to improve the performance of a synchronous boost converter for the integration of distributed energy resources in a multilevel converter

Resum

Debido al crecimiento de la demanda energética a nivel mundial, así como del interés en las energías renovables, las redes de energía distribuida se han convertido en una necesidad. A veces, debido a requisitos técnicos o por causas medioambientales, esta necesidad es incluso mayor. A consecuencia de esto, cada vez es más común el interés en las microrredes y que este término aparezca en la literatura más reciente. De hecho, se pretende que las fuentes de energía renovables, para las que se emplean, por ejemplo, instalaciones eólicas o solares, sean las que abastezcan a esta creciente demanda. Para ello es deseable el uso de aplicaciones bidireccionales, de alta tensión y alta potencia que permitan la conexión entre las fuentes de energía y la red eléctrica principal u otras microrredes. Hasta ahora, los transformadores de línea (LFT, del inglés Line Frequency Transformers) han sido los elementos clave en la distribución y transmisión de energía eléctrica, por tratarse de una tecnología barata y bien establecida. Sin embargo, los LFT tienen ciertas limitaciones, como pueden ser la compensación de desbalances en la red, la falta de control en el flujo de potencia o su pobre eficiencia para bajos niveles de carga. Los transformadores electrónicos de potencia (PET, del inglés Power Electronic Transformers) se conciben como la alternativa a los LFT. Los PET se valen de convertidores de potencia diseñados con dispositivos con capacidad de alta frecuencia de conmutación, que hacen incrementar la densidad de potencia de los mismos. Además, los PET proporcionan mejores funcionalidades, como son la compensación de desbalances o la gestión de flujo de potencia bidireccional, aunque son inferiores en términos de coste y fiabilidad comparados con los LFT. En concreto, es común el uso de convertidores multinivel para la implementación de la etapa alterna/continua (AC/DC) del PET, como es el caso de los convertidores modulares multinivel (MMC, del inglés Multilevel Modular Converter) o de los convertidores de medio puente en cascada (CHB, del inglés Cascade Half-Bridge). Con un diseño adecuado de las celdas de un convertidor multinivel, es posible la integración de fuentes de potencia DC o AC de baja tensión (como son los paneles fotovoltaicos o las turbinas eólicas), de cargas o de dispositivos de almacenamiento de energía a nivel de celda. Sin embargo, si el nivel de tensión de estos elementos adicionales (i.e. una célula de almacenamiento) es diferente del nivel de tensión de la celda (normalmente de en torno a 1 kV), se necesitarán convertidores de potencia adicionales para adaptar el formato de energía. El proceso de carga de baterías se realiza normalmente en tres etapas, con una etapa final en la que la corriente de carga es muy baja. Por esta razón, el convertidor de potencia bidireccional que se diseña para conectar la batería con el PET debe soportar alta tensión asegurando alto rendimiento en un rango amplio de potencia. Los semiconductores de banda prohibida ancha (WBG, del inglés Wide Band Gap) y, especialmente, los MOSFET de Carburo de Silicio (SiC), permiten a los convertidores de potencia operar a alta tensión y alta frecuencia de conmutación con un alto rendimiento. Por ello, en esta tesis, se propone el uso de MOSFET de SiC en un convertidor elevador síncrono al que se le aplican distintos modos de conducción y diferentes estrategias de control con el objetivo de alcanzar y mantener alto rendimiento, especialmente a media y baja carga. Concretamente, el trabajo que se incluye en esta tesis se organiza en cuatro capítulos: Capítulo 1: Se introduce el estado del arte de los PET y de las fuentes de energía distribuidas. Tras esto, se presentan los WBG como alternativa a las limitaciones que presentan los dispositivos de silicio (Si). En particular, se señalan en este capítulo las ventajas y desventajas de los MOSFET de SiC. Después, se presenta el convertidor elevador síncrono basado en SiC como solución para aplicaciones con almacenamiento de energía distribuido y se analizan los principales requisitos que ha de cumplir, como el rango de potencia, la frecuencia de conmutación, capacidad de funcionamiento a alta tensión, rendimiento o densidad de potencia. Capítulo 2: En primer lugar, se definen diferentes modos de conducción, distinguiendo modos a frecuencia de conmutación fija y a frecuencia variable y se comparan sus principales características. En segundo lugar, y asumiendo un ratio de tensiones fijo, se desarrollan modelos de pérdidas en los que se tienen en cuenta las principales fuentes de pérdidas, haciendo especial énfasis en las diferencias en las pérdidas de conmutación entre los distintos modos de conducción. Estos modelos permiten la predicción del comportamiento del convertidor elevador síncrono mediante comparación analítica de las formas de onda de corriente para distintas condiciones de trabajo, así como de los rendimientos para distintos rangos de potencia. Además, se define la dependencia entre la frecuencia de conmutación y la demanda de carga para cada modo de conducción. Basado en estos modelos, se presenta una primera estrategia basada en el salto entre modos de conducción con el objetivo de mantener un rendimiento alto en un rango de carga amplio. En tercer lugar, se presenta el concepto modular. Se analizan distintas configuraciones modulares y, tras escoger la configuración entrada en paralelo y salida en paralelo (IPOP, del inglés Input Parallel Output Parallel) para la aplicación bajo estudio, se proponen dos técnicas de control basadas en los controles maestro-esclavo y de encendido secuencial para reducir el rizado de corriente por la bobina y mejorar el rendimiento, respectivamente. Tras esto, se estudia el caso de un convertidor con un ratio de tensiones variable. Se destaca la importancia del intervalo resonante, especialmente cuando se seleccionan modos de conducción con conmutaciones suaves y, basado en esto, se sugiere una estrategia para la selección adecuada de los pares de valores corriente valle/ tiempo muerto para mantener en todo el rango de potencia un rendimiento alto. Además, se presenta un nuevo modelo de pérdidas modificado en el que se tiene en cuenta el intervalo resonante normalmente obviado en la literatura. Finalmente, todas las estrategias y técnicas estudiadas en este capítulo se aplican al convertidor bidireccional DC/DC desarrollado trabajando en modo elevador y modo redactor para probar la bidireccionalidad de la topología y su comportamiento dual. Capítulo 3: Todo el análisis presentado en el Capítulo 2 de esta tesis se evalúa y valida experimentalmente en este capítulo. Además, se lleva a cabo una comparación experimental de varios MOSFET de SiC de 1200 V para analizar cómo afectan ciertos parámetros en su funcionamiento y rendimiento, como son, el tiempo muerto, los diodos Schottky en paralelo (SBD, del inglés Schottky body diodes), la resistencia en conducción RDSon o las capacidades de entrada y salida. Después de esto, se escogen algunos circuitos de control de puerta de distintos fabricantes y se les aplican pruebas térmicas, buscando aquellos componentes que más pueden comprometer el funcionamiento del circuito de control cuando las condiciones de trabajo son exigentes (más de 100°C de temperatura ambiente de trabajo). Tras esto, se remarcan algunos de los principales retos de diseño que se han presentado durante la elaboración del prototipo experimental, como son las bobinas o los sensores, teniendo en cuenta las condiciones de trabajo de alta tensión y alta frecuencia de conmutación que se persiguen en este trabajo. Se analiza cómo es la etapa de control y el control digital necesarios para llevar a cabo la implementación de los modos de conducción y las estrategias de control previamente descritos. En último lugar, todos los modos de conducción y estrategias de control presentadas en el Capítulo 2 para mantener el rendimiento alto se validan experimentalmente (cambio entre modos, técnicas modulares y estrategias basadas en eventos para ratios de tensiones en el convertidor variables). Capítulo 4: Se resumen y destacan las principales conclusiones extraídas de este trabajo de tesis, así como las contribuciones más relevantes de la misma. Además, se proponen distintas líneas de trabajo futuro y de investigación que pueden ser de interés. With the increasing energy demand worldwide and the interest in sustainable energy, distributed energy has become a necessity. Sometimes, technical or environmental requirements make this necessity stronger. Consequently, the term microgrid has grown in consideration and become common nowadays. It is intended that renewable energy resources, where wind or solar installations are used, will feed this increasing demand, and therefore, bidirectional, high-voltage and high-power applications are desirable to connect these resources with the main grid or other microgrids. Up to today, Line Frequency Transformers (LFTs) have been the key element in the distribution and transmission of electrical energy since they are cheap and a well stablished technology. However, they have some limitations, such as imbalances compensations, power flow control or their efficiency with low load levels. Power Electronic Transformers (PETs) are envisioned as an alternative to LFT. They use power converters with fast switching devices, increasing power density. They can also provide superior functionalities like imbalances compensation or bidirectional power flow control, but they would be inferior in terms of cost and reliability compared with LFT. Concretely, it is common the use of multilevel converters to develop the AC/DC stage of the PET, as in the case of a Multilevel Modular Converter, MMC-based PET or Cascade Half-Bridge, CHB-based PET. By the adequate design of the cells of a multilevel converter, it is possible to integrate low voltage DC or AC power sources (such as Photovoltaics (PV) panels or wind turbines), loads or energy storage devices at cell level. However, if the voltage level of these additional elements (like storage systems) is different from the voltage level of the cell (usually, around 1 kV), additional power converters will be necessary to adapt the energy format. Battery charging process is usually done in three stages, with a final stage in which the charging current is very low. Therefore, the bidirectional power converter designed to connect a battery with the PET cell must withstand high voltage providing high efficiency over a wide power range. Wide Band Gap (WBG) semiconductors, especially Silicon Carbide (SiC) MOSFETs, allow power converters to operate at high voltage and high switching frequency with high efficiency. That is why in this PhD thesis SiC MOSFETs, different conduction modes, and different control strategies are proposed in order to reach and keep high efficiency, especially at medium and light load, in a synchronous boost converter operating at high voltage and high frequency. Concretely, the work included in this thesis is organised in four different chapters: Chapter 1: The state of art of PETs and distributed energy sources are introduced. After that, WBG semiconductors are presented as an alternative to the limitations that Silicon devices present. Concretely, the main advantages and disadvantages of SiC MOSFETs are pointed out in this chapter. Afterwards, the bidirectional boost converter based on SiC devices is presented as a proper solution for distributed energy storage applications and its main requirements are analysed, such as, power range, switching frequency, high voltage, performance, efficiency or power density. Chapter 2: In the first place, different conduction modes are defined, distinguishing fixed and variable switching frequency modes, and their main characteristics are compared. In the second place, and assuming a fixed voltage ratio, power loss models are developed considering the main sources of loss and making special emphasis in the switching-losses differences between the proposed conduction modes. These models permit to predict their behaviour by analytically comparing current waveforms for different work conditions and efficiencies for different power ranges. Besides, switching frequency dependence on power load demand is defined for each conduction mode. Based on these models, a first strategy based on changing among conduction modes is suggested to keep a high efficiency in a wide power range. In the third place, the modular concept is presented. Different modular connections are analysed and, after selecting the input parallel output parallel (IPOP) configuration for the application under study, two control techniques based on master-slave control and phase-shedding control are proposed for reducing current ripple and improving efficiency, respectively. Then, the case of a variable voltage ratio converter is studied. The importance of the resonant interval, when conduction modes with soft-switching are selected, is highlighted and based on it, a strategy regarding the proper selection of the pair of values valley current/dead-time is suggested to maintain high flat efficiency over a wide power range. Besides, a modified power loss model is presented considering the resonant interval normally neglected in literature. Finally, all the strategies and techniques under study in this chapter are applied to the developed bidirectional DC/DC converter working in boost and buck mode to prove the bidirectionally of the topology and its dual behaviour. Chapter 3: The analysis presented in Chapter 2 is evaluated and experimentally validated. Besides, an experimental comparison of several 1200-V SiC MOSFETs is performed in order to analyse how some parameters affect the performance, such as, dead-times, Schottky body diodes (SBDs), RDSon or input/output capacitances. After that, benchmarking of gate drivers from different distributors is done and thermal tests are applied, searching for the components that might compromise the performance of the gate driver under strong demanding conditions (more than 100 °C ambient working temperature). Later, some challenging designs regarding the set-up are remarked, like the inductors or sensors, taking into account the high voltage and high switching frequency conditions. The required control stage is analysed and the digital control modules necessary to perform the previously described conduction modes and control strategies are described. In the last place, all the conduction modes and control strategies presented in Chapter 2 to keep high efficiency are experimentally validated (changing among modes, modular techniques and event focused strategies for variable voltage ratios). Chapter 4: The main conclusions extracted from this PhD Thesis are summarized and the main contributions are highlighted. Besides, future work and future lines of research are pointed out