Large-signal, black-box modelling of bidirectional battery chargers

Resumen

En un mundo en constante evolución y con el sector verde de la energía floreciendo, en nuestros días no es extraño que cada vez haya más empresas y administraciones invirtiendo en esta área. A este sector se dedica la idea de esta tesis. Un ámbito que está evolucionando en la actualidad y que se basa, entre otros en la proliferación de los vehículos eléctricos y junto a ellos los imprescindibles cargadores de baterías. El vehículo eléctrico es un ejemplo perfecto de que la transformación de la antigua era del petróleo pasará a la nueva era de la electricidad. El coche convencional tradicional está cediendo su lugar al híbrido y el éste, en un siguiente paso, al totalmente eléctrico. Actualmente en el mercado conviven los tres tipos. En un futuro próximo, se espera que la demanda de cargadores de batería crezca continuamente y se lancen al mercado en una cantidad mucho mayor que la existente en la actualidad. La variedad de esquemas de cargadores de batería es, hoy en día, bastante grande y, su evolución hacia sistemas más eficientes supondrá la aparición de un número, aún mayor, de soluciones diferentes. Por lo tanto, debe existir un método unificado para identificar el comportamiento de todos estos cargadores de baterías, en particular en su interacción con la red, para estimar sus efectos y evitar problemas desde la perspectiva del sistema eléctrico. Como es bien sabido, los cargadores de batería son esencialmente convertidores AC/DC. La solución propuesta en esta tesis para abordar este problema es el modelo de caja negra. Los modelos de caja negra pueden determinar el comportamiento dinámico de los convertidores electrónicos de potencia analizando los resultados de salida creados por las perturbaciones en las variables de entrada. El enfoque de caja negra ya se utiliza de manera adecuada en convertidores CC/CC para microrredes de CC y en CC/CA para microrredes de CA. Los estudios previos de convertidores CA/CC en caja negra son limitados debido a la complejidad del sistema, por lo que su estudio en profundidad es el principal aporte de esta tesis. En esta investigación, las técnicas de modelado de caja negra utilizadas anteriormente en CC/CC se extienden a convertidores CA/CC monofásicos y trifásicos y, más precisamente, a cargadores de baterías. En primer lugar, el modelo se transforma de CA/CC a CC/CC mediante la transformada de Park y luego, utilizando los datos de entrada/salida, se identifica un modelo de pequeña señal. En los modelos de pequeña señal su validez está limitada a pequeñas perturbaciones en las entradas del convertidor alrededor del punto de operación. La validez de este modelo se ha expresado con un circuito eléctrico equivalente y matemáticamente mediante las funciones de transferencia, siendo ésta una de las principales aportaciones de esta tesis. El enfoque del modelo lineal está validado por pruebas virtuales y experimentales. En la parte virtual, con la ayuda del simulador PSIM, se crea un convertidor CA/CC. Se supone que este modelo de convertidor es una representación precisa de un convertidor CA/CC real y, por lo tanto, su comportamiento dinámico se compara con los resultados de los modelos de caja negra. Los resultados obtenidos por las pruebas virtuales y experimentales muestran la precisión de la representación del comportamiento dinámico de cargadores de baterías monofásicos y trifásicos en las condiciones de operación de pequeña señal. Después de la operación de pequeña señal, se aplicaron grandes perturbaciones a las variables de entrada del convertidor y se observó una clara pérdida de precisión que condujo a un enfoque de caja negra de gran señal en caso de grandes perturbaciones. La técnica empleada se basa en los modelos politópicos, que ya se emplea en convertidores CC/DC y CC/CA. En esta tesis se utilizará por primera vez en un convertidor CA/CC bidireccional monofásico y trifásico de dos etapas como cargador de batería. Los modelos politópicos están compuestos de un grupo de diferentes modelos lineales en diferentes puntos de operación, combinados con funciones de ponderación no lineales que dependen de los valores instantáneos de las variables de entrada para crear una única estructura no lineal. La precisión en la selección del modelo local junto con las funciones de ponderación es esencial para la precisión del sistema. Teniendo esto en cuenta y mirando hacia atrás en la bibliografía, se puede concluir que Double Sigmoid es la función de ponderación más adecuada para modelos de cargador de baterías CA/CC. Estos modelos no lineales de gran señal representan otra de las contribuciones de esta tesis. De la misma manera que en los modelos en caja negra de pequeña señal, los modelos en caja negra de gran señal, se han probado experimentalmente. En la parte experimental, las pruebas se realizaron para convertidores bidireccionales en ambos modos de funcionamiento: V2G y G2V. Los resultados de las pruebas en gran señal muestran, sin sorpresa, una mayor precisión que en los modelos de pequeña señal en caso de grandes perturbaciones en las variables de entrada. Esta conclusión valida, en caso de grandes perturbaciones de las variables de entrada, los modelos politópicos en caja negra, en gran señal, para la representación del comportamiento dinámico de cargadores de batería monofásicos y trifásicos de dos etapas, unidireccionales y bidireccionales.