Publication: Análisis, diseño y optimización del convertidor CC-CC bidireccional reductor-elevador con acoplamiento magnético
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Publication date
2021-09
Defense date
2021-09-30
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Abstract
Due to their ability to absorb, store, and subsequently deliver electrical energy,
Energy Storage Systems (ESS) stand out as a solution to many technical problems arising
from the need always to have energy available on demand.
Among the different ESS technologies, batteries, within the category of
electrochemical ESSs, have gained special relevance in recent times, for their exponential
deployment in industry, with a rapid improvement in their performance. Studies predict
that their use will continue to grow in the upcoming years and that they will play a major
role in applications such as renewable energies and electric transport.
In general, all applications that interact with the ESSs need to have power converter
circuits that control and transform the energy delivered by the ESSs efficiently, according
to the needs of the load demanding that energy. Bidirectional converters are especially
useful as an interface with the ESSs, since their versatility allows both the control of the
power supply to the load and the conditioning of the surplus or recovered energy from
the load to recharge the ESSs after having satisfied the original demand.
In this context, the research work carried out in this thesis focuses on those power
converters that present non–isolated bidirectional DC–DC topologies with Buck–Boost
operation as an interface with batteries and other secondary DC energy storage systems.
This subset of topologies provides practical advantages in this context of use in terms of
power density, and operating capability regardless of the voltage values demanded by the
load and the voltage level at the source.
From the topologies analysis in the state–of–the–art that meets these requirements,
it is concluded that the highest performances are obtained with topologies that allow
greater flexibility in modulation, at the cost of increasing the number of components and
the control difficulty.
This thesis document proposes a new non–isolated bidirectional DC–DC topology
with Buck–Boost operation as an interface to electrical energy storage systems, especially
batteries. The new topology is called Magnetically Coupled Bidirectional Buck–Boost
converter, or MCB3. The proposal aims to achieve good power density and high
modulation flexibility, allowing access to advanced modulations aimed at reducing total
losses. Of the proposed converter: the operation is analyzed, the optimization through
modulation possibilities is studied for both switching and conduction loss reduction, its
magnetic components are designed according to a minimum volume criterion, the power
stage is dimensioned based on an established specification and, at each step, the theory is
validated with simulation and experimental results. Finally, its performance is compared
to topological alternatives with which it shares either behavior or field of application.
The report of this thesis is organized into ten chapters, the contents of which are
described below:
Chapter 1. This chapter aims to provide context to the application by reviewing
the main EESs technologies, their field of use, and their current development
expectations. The chapter concludes by highlighting the importance of bidirectional
power converters to manage the energy supplied by ESSs.
Chapter 2. This chapter proposes a categorization of bidirectional converters
according to their topological and operating characteristics and the modulation type.
Some of the strategies used to reduce conduction and switching losses are also indicated.
Once the design possibilities are known, the state–of–the–art is analyzed, focusing on
DC–DC, non–isolated topologies with Buck–Boost operation.
Chapter 3. This chapter presents the basic version of the proposed converter,
MCB3, considering ideal magnetic coupling. The topology is analyzed based on this
consideration, and its operation is described using an advanced control strategy, called
Triple Phase Shifted modulation, aimed at minimizing losses. The study is carried out for
the Boost and Buck mode operation of the converter. The theory is validated with
simulation and experimental results.
Chapter 4. This chapter studies the effect of a non–ideal magnetic coupling on the
Boost mode operation of the MCB3 converter. The analysis includes the modification of
the original control strategy to consider finite coupling, and the study of the observable
changes for the previous optimization. The validation of the theory is performed with
simulation and experimental results.
Chapter 5. This chapter studies the effect of a non–ideal magnetic coupling on the
MCB3 converter's operation in Buck mode. This chapter is complementary to the previous
one and includes the same parts adapted to the Buck operation.
Chapter 6. This chapter proposes the modeling of a structure based on commercial
E–cores to construct integrated magnetic components called E3E. The modeling proposal
includes the definition of a new equation to represent the flux leakage reluctance in the
winding window. The equations from the modeling process are used to design the
integrated magnetic component in the MCB3 converter configuration with higher power
density.
Chapter 7. This chapter shows the potential of the proposed MCB3 converter,
comparing it with two known topologies based on its operating behavior and performance
as a competitive alternative in the state–of–the–art.
Chapter 8. This chapter shows the main conclusions of the study carried out in this
thesis and includes the proposal of new lines of research arising from the work carried
out.
References. This chapter contains all the references used in the thesis document.
Annexes. In this chapter, additional material to the explanation in the body of the
thesis document is included, intended to complete the information provided and to include
details of some processes.
Debido a su capacidad de absorber, almacenar, y posteriormente entregar energía eléctrica, los Sistemas de Almacenamiento de Energía (SAE) se destacan como solución a un gran número de problemas técnicos derivados de la necesidad de disponer de energía en todo momento a petición de la demanda. Entre las diferentes tecnologías de los SAE, las baterías, que figuran dentro de la categoría de SAE electroquímicos, han cobrado especial relevancia en los últimos tiempos, con un crecimiento exponencial en su implantación en la industria, y una rápida mejoría en sus prestaciones. Los estudios prevén que su uso continúe en auge durante los próximos años y que tengan un papel principal en aplicaciones como las energías renovables y el transporte eléctrico. En general, todas las aplicaciones que interaccionan con los SAE necesitan disponer de circuitos convertidores de potencia que controlen y transformen la energía entregada por éstos de forma eficiente, de acuerdo a las necesidades de la carga demandante. En concreto, la convertidores bidireccionales son especialmente útiles como interfaz con los SAE, ya que su versatilidad permite tanto controlar el suministro de energía hacia la carga, como el acondicionamiento de la energía sobrante o recuperada de la carga para recargar los SAE después de haber satisfecho la demanda original. En este contexto, el trabajo de investigación llevado a cabo en esta tesis se centra en aquellos convertidores de potencia que presentan topologías CC–CC bidireccionales no–aisladas con operación reductora–elevadora como interfaz con baterías, y otros sistemas secundarios de almacenamiento de energía CC. Este subconjunto de topologías aporta ventajas útiles en este contexto de uso, en términos de densidad de potencia, y capacidad de funcionamiento independientemente de los valores de tensión demandada por la carga y el nivel de tensión que haya en la fuente. Del análisis de las topologías en el estado de la técnica que cumplen estos requisitos, se concluye que los rendimientos más altos se obtienen con topologías que permiten una mayor flexibilidad en la modulación, a costa de aumentar el número de componentes, y de una mayor dificultad en el control. En el presente documento de tesis se propone una nueva topología CC–CC bidireccional no–aislada con operación reductora–elevadora para su aplicación como interfaz con sistemas de almacenamiento de energía eléctrica, especialmente con baterías. La nueva topología, se denomina convertidor Bidireccional Reductor–Elevador con Acoplamiento Magnético, o MCB3 a partir de las siglas de su denominación inglesa Magnetically Coupled Bidirectional Buck–Boost converter. La propuesta tiene como objetivo conseguir una buena densidad de potencia y una alta flexibilidad de cara a la modulación, que le permita acceder a modulaciones avanzadas orientadas a la reducción de las pérdidas totales. Del convertidor propuesto: se analiza su funcionamiento, se estudian las posibilidades de optimización a través de la modulación tanto para la reducción de pérdidas en conmutación como en conducción, se diseñan sus componentes magnéticos de acuerdo a un criterio de mínimo volumen, se dimensiona la etapa de potencia en base a una especificación establecida y, en cada paso, se valida la teoría con resultados de simulación y experimentales. Finalmente, su desempeño se compara con alternativas topológicas con las que comparte bien comportamiento, o bien campo de aplicación. La memoria de esa tesis se organiza en diez capítulos, cuyo contenido se describe a continuación: Capítulo 1. Este capítulo tiene como objetivo dar contexto a la aplicación, repasando las tecnologías principales de los SAE, su campo de uso y sus expectativas actuales de desarrollo. El capítulo termina destacando la importancia de los convertidores de potencia bidireccionales como medio de gestión de la energía que suministran los SAE. Capítulo 2. En este capítulo se propone una categorización de los convertidores bidireccionales en función de sus características topológicas, de operación y según el tipo de modulación. También se indican algunas de las estrategias utilizadas para la reducción de pérdidas en conducción y conmutación. Conocidas las posibilidades de diseño, se analiza el estado de la técnica centrado en las topologías CC–CC, no–aisladas¸ con operación reductora–elevadora. Capítulo 3. En este capítulo se presenta la versión fundamental del convertidor propuesto, MCB3, considerando acoplamiento magnético ideal. La topología se analiza en base a esta consideración, y se describe su funcionamiento utilizando una estrategia de control avanzada, denominada modulación por Triple Fase Desplazada, orientada a la minimización de las pérdidas. El estudio se realiza para la operación elevadora y reductora del convertidor. La validación de la teoría se realiza con resultados de simulación y experimentales. Capítulo 4. En este capítulo se estudia el efecto de un acoplamiento magnético no– ideal en el funcionamiento en modo elevador del convertidor MCB3. El análisis incluye la modificación de la estrategia de control original para tener en cuenta el acoplamiento finito, y el estudio de los cambios observables para la optimización realizada. La validación de la teoría se realiza con resultados de simulación y experimentales. Capítulo 5. En este capítulo se estudia el efecto de un acoplamiento magnético no– ideal en el funcionamiento en modo reductor del convertidor MCB3. Este capítulo es complementario al anterior, e incluye las mismas partes adaptadas a la operación reductora. XIX Capítulo 6. En este capítulo se propone el modelado de una estructura basada en núcleos E comerciales para la construcción de componentes magnéticos integrados denominada E3E. La propuesta de modelado incluye la definición de una nueva ecuación para representar la reluctancia de dispersión de flujo en la ventana de devanado. Las ecuaciones del proceso de modelado se utilizan en el diseño del componente magnético integrado, que completa la configuración del convertidor MCB3 con mayor densidad de potencia. Capítulo 7. En este capítulo se muestra el potencial del convertidor MCB3 propuesto, comparándolo con dos topologías conocidas en base a su comportamiento en operación y a sus prestaciones como alternativa competitiva en el estado de la técnica. Capítulo 8. En este capítulo se muestran las conclusiones del estudio realizado en la memoria de tesis y se incluye la propuesta de las nuevas líneas de investigación que surgen a partir del trabajo realizado. Referencias. Este capítulo contiene todas las referencias empleadas en el documento de tesis. Anexos. En este capítulo, se incluye material adicional a la explicación en el cuerpo de la tesis, destinado a completar la información proporcionada y a incluir detalles de algunos procesos.
Debido a su capacidad de absorber, almacenar, y posteriormente entregar energía eléctrica, los Sistemas de Almacenamiento de Energía (SAE) se destacan como solución a un gran número de problemas técnicos derivados de la necesidad de disponer de energía en todo momento a petición de la demanda. Entre las diferentes tecnologías de los SAE, las baterías, que figuran dentro de la categoría de SAE electroquímicos, han cobrado especial relevancia en los últimos tiempos, con un crecimiento exponencial en su implantación en la industria, y una rápida mejoría en sus prestaciones. Los estudios prevén que su uso continúe en auge durante los próximos años y que tengan un papel principal en aplicaciones como las energías renovables y el transporte eléctrico. En general, todas las aplicaciones que interaccionan con los SAE necesitan disponer de circuitos convertidores de potencia que controlen y transformen la energía entregada por éstos de forma eficiente, de acuerdo a las necesidades de la carga demandante. En concreto, la convertidores bidireccionales son especialmente útiles como interfaz con los SAE, ya que su versatilidad permite tanto controlar el suministro de energía hacia la carga, como el acondicionamiento de la energía sobrante o recuperada de la carga para recargar los SAE después de haber satisfecho la demanda original. En este contexto, el trabajo de investigación llevado a cabo en esta tesis se centra en aquellos convertidores de potencia que presentan topologías CC–CC bidireccionales no–aisladas con operación reductora–elevadora como interfaz con baterías, y otros sistemas secundarios de almacenamiento de energía CC. Este subconjunto de topologías aporta ventajas útiles en este contexto de uso, en términos de densidad de potencia, y capacidad de funcionamiento independientemente de los valores de tensión demandada por la carga y el nivel de tensión que haya en la fuente. Del análisis de las topologías en el estado de la técnica que cumplen estos requisitos, se concluye que los rendimientos más altos se obtienen con topologías que permiten una mayor flexibilidad en la modulación, a costa de aumentar el número de componentes, y de una mayor dificultad en el control. En el presente documento de tesis se propone una nueva topología CC–CC bidireccional no–aislada con operación reductora–elevadora para su aplicación como interfaz con sistemas de almacenamiento de energía eléctrica, especialmente con baterías. La nueva topología, se denomina convertidor Bidireccional Reductor–Elevador con Acoplamiento Magnético, o MCB3 a partir de las siglas de su denominación inglesa Magnetically Coupled Bidirectional Buck–Boost converter. La propuesta tiene como objetivo conseguir una buena densidad de potencia y una alta flexibilidad de cara a la modulación, que le permita acceder a modulaciones avanzadas orientadas a la reducción de las pérdidas totales. Del convertidor propuesto: se analiza su funcionamiento, se estudian las posibilidades de optimización a través de la modulación tanto para la reducción de pérdidas en conmutación como en conducción, se diseñan sus componentes magnéticos de acuerdo a un criterio de mínimo volumen, se dimensiona la etapa de potencia en base a una especificación establecida y, en cada paso, se valida la teoría con resultados de simulación y experimentales. Finalmente, su desempeño se compara con alternativas topológicas con las que comparte bien comportamiento, o bien campo de aplicación. La memoria de esa tesis se organiza en diez capítulos, cuyo contenido se describe a continuación: Capítulo 1. Este capítulo tiene como objetivo dar contexto a la aplicación, repasando las tecnologías principales de los SAE, su campo de uso y sus expectativas actuales de desarrollo. El capítulo termina destacando la importancia de los convertidores de potencia bidireccionales como medio de gestión de la energía que suministran los SAE. Capítulo 2. En este capítulo se propone una categorización de los convertidores bidireccionales en función de sus características topológicas, de operación y según el tipo de modulación. También se indican algunas de las estrategias utilizadas para la reducción de pérdidas en conducción y conmutación. Conocidas las posibilidades de diseño, se analiza el estado de la técnica centrado en las topologías CC–CC, no–aisladas¸ con operación reductora–elevadora. Capítulo 3. En este capítulo se presenta la versión fundamental del convertidor propuesto, MCB3, considerando acoplamiento magnético ideal. La topología se analiza en base a esta consideración, y se describe su funcionamiento utilizando una estrategia de control avanzada, denominada modulación por Triple Fase Desplazada, orientada a la minimización de las pérdidas. El estudio se realiza para la operación elevadora y reductora del convertidor. La validación de la teoría se realiza con resultados de simulación y experimentales. Capítulo 4. En este capítulo se estudia el efecto de un acoplamiento magnético no– ideal en el funcionamiento en modo elevador del convertidor MCB3. El análisis incluye la modificación de la estrategia de control original para tener en cuenta el acoplamiento finito, y el estudio de los cambios observables para la optimización realizada. La validación de la teoría se realiza con resultados de simulación y experimentales. Capítulo 5. En este capítulo se estudia el efecto de un acoplamiento magnético no– ideal en el funcionamiento en modo reductor del convertidor MCB3. Este capítulo es complementario al anterior, e incluye las mismas partes adaptadas a la operación reductora. XIX Capítulo 6. En este capítulo se propone el modelado de una estructura basada en núcleos E comerciales para la construcción de componentes magnéticos integrados denominada E3E. La propuesta de modelado incluye la definición de una nueva ecuación para representar la reluctancia de dispersión de flujo en la ventana de devanado. Las ecuaciones del proceso de modelado se utilizan en el diseño del componente magnético integrado, que completa la configuración del convertidor MCB3 con mayor densidad de potencia. Capítulo 7. En este capítulo se muestra el potencial del convertidor MCB3 propuesto, comparándolo con dos topologías conocidas en base a su comportamiento en operación y a sus prestaciones como alternativa competitiva en el estado de la técnica. Capítulo 8. En este capítulo se muestran las conclusiones del estudio realizado en la memoria de tesis y se incluye la propuesta de las nuevas líneas de investigación que surgen a partir del trabajo realizado. Referencias. Este capítulo contiene todas las referencias empleadas en el documento de tesis. Anexos. En este capítulo, se incluye material adicional a la explicación en el cuerpo de la tesis, destinado a completar la información proporcionada y a incluir detalles de algunos procesos.
Description
Mención Internacional en el título de doctor
Keywords
Convertidores CC-CC, Convertidores de potencia, Electrónica de potencia, Sistemas de almacenamiento, Baterías electroquímicas, Energías renovables, Energía eléctrica