Publication: Nueva familia de convertidores sin aislamiento galvánico de alto rendimiento: respuesta dinámica rápida y con capacidad de reducir y elevar tensiones para su aplicación a sistemas fotovoltaicos
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Publication date
2019-10
Defense date
2019-12-19
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En los últimos años el aumento del consumo global de energía eléctrica ha continuado creciendo, sin embargo, en este mismo periodo la sociedad ha consolidado una mayor conciencia medioambiental, a la vez que sea comenzado a barajar una futura escasez de recursos energéticos derivados de los combustibles fósiles. Estas tendencias han dado lugar a numerosas investigaciones centradas en fuentes de energía limpias y renovables, como son la energía eólica, la energía solar, la energía hidráulica, la energía undimotriz, o la energía basada en la utilización de biomasa.
En este entorno de profundización en el uso y la utilización eficiente de las energías limpias, la investigación contenida en este documento de tesis doctoral se ha centrado en el ámbito de la energía solar fotovoltaica.
De entre las principales ventajas de la energía solar fotovoltaica, cabe destacar que se trata de una fuente de energía limpia e inagotable, con gran disponibilidad, que no emite gases en la generación de energía eléctrica, etc. Además, las instalaciones fotovoltaicas destacan por su fiabilidad, su bajo coste de operación y mantenimiento, y que no producen contaminación acústica, ya que no genera ruido. Por el contrario, las principales desventajas que presentan las instalaciones fotovoltaicas son la elevada inversión inicial, la superficie requerida y la limitación geográfica, dado que se precisa de zonas con alta irradiación solar.
Más allá de las desventajas mencionadas, las instalaciones fotovoltaicas sufren un problema adicional de gran importancia, relacionado con la reducción de la potencia generada debido a los desajustes entre los paneles fotovoltaicos. Dichos desajustes pueden ser ocasionados por diferencias constructivas entre los paneles fotovoltaicos, diferencias térmicas durante la operación, envejecimiento o diferente grado de irradiancia o irradiación solar. Para maximizar la potencia generada independientemente de los desajustes entre paneles fotovoltaicos, en las instalaciones fotovoltaicas se emplea generalmente un tipo de arquitectura en la que se asocia un convertidor CC-CC a cada panel fotovoltaico. El convertidor CC-CC tiene una doble función, por un lado, hace trabajar al panel fotovoltaico en su punto de máxima potencia, permitiendo obtener la potencia máxima de dicho panel, con las condiciones de temperatura e irradiancia particulares del mismo. Por otro lado, aísla al panel fotovoltaico del resto de paneles fotovoltaicos, impidiendo que cualquier fallo o diferencia en alguno de los otros paneles fotovoltaicos, obligue a reducir la potencia generada por el panel fotovoltaico al que está conectado el convertidor. Este tipo de arquitectura se conoce como arquitectura con seguimiento del punto de máxima potencia distribuido (DMPPT).
Dado el gran número de paneles fotovoltaicos empleados en una instalación fotovoltaica, para poder implementar la arquitectura con seguimiento del punto de máxima potencia distribuido, se precisarán también un gran número de convertidores CC-CC. Por lo tanto, para que la solución sea viable y rentable económicamente, y se consiga la mayor flexibilidad posible en el diseño de las instalaciones fotovoltaicas, se requieren convertidores CC-CC que presenten las siguientes prestaciones: elevada potencia, bajo coste, alta fiabilidad y capacidad para reducir y elevar tensiones.
En el presente documento de tesis se profundiza en el estudio de este tipo de convertidores, y se propone una nueva familia de convertidores CC-CC para su aplicación a instalaciones fotovoltaicas conectadas a red, que cumplen con las prestaciones anteriormente mencionadas. La familia de convertidores consta de tres convertidores diferentes, aunque todos ellos comparten la misma raíz topológica. Estos convertidores se analizan y estudian en el dominio del tiempo y de la frecuencia, se diseñan para cumplir con unas especificaciones establecidas, se simulan, se validan experimentalmente, y finalmente se comparan.
La memoria de esta tesis se ha estructurado en ocho capítulos, tal y como se describe a continuación:
Capítulo 1. Este capítulo tiene por objeto describir las motivaciones y objetivos del presente trabajo de investigación, así como de presentar las particularidades del campo de aplicación en el cual se plantea la investigación.
Capítulo 2. En este capítulo se realiza el estudio del estado de la técnica, centrado en las soluciones actualmente disponibles en la literatura, referentes a los convertidores CC-CC aplicados en instalaciones FV con arquitectura DMPPT.
Capítulo 3. En este capítulo se introduce la familia de convertidores propuesta. Se describen las características comunes de los convertidores que forman la familia, así como sus diferencias topológicas.
Capítulo 4. En este capítulo se presenta y analiza el convertidor Reductor-Elevador Forward-Serie Modificado (BBMSF). El análisis se ha realizado tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia, incluyendo el principio de funcionamiento y la validación experimental. Además, en este capítulo se presenta el caso de estudio empleado para el diseño de los prototipos de los tres convertidores de la familia propuesta.
Capítulo 5. En este capítulo se presenta y analiza el convertidor Forward-Flyback con Autotransformador (AFF). El análisis se ha realizado tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia, incluyendo el principio de funcionamiento y la validación experimental.
Capítulo 6. En este capítulo se presenta y analiza el convertidor Forward con Autotransformador y desmagnetización resonante tipo Zeta (AFZ). El análisis se ha realizado tanto en el dominio del tiempo, con y sin inductancia de dispersión del autotransformador, como de la frecuencia, incluyendo el principio de funcionamiento y la validación experimental. Capítulo 7. En este capítulo se comparan las prestaciones de los tres convertidores de la familia propuesta, tanto analíticamente como sus resultados experimentales.
Capítulo 8. En este capítulo se presentan las conclusiones de la memoria de la tesis y se proponen futuras líneas de investigación. También se detallan otras aportaciones relacionadas con la tesis doctoral.
Capítulo 9. En este capítulo se detallan todas las referencias empleadas a lo largo del documento de tesis.
Capítulo 10 - Anexos. En este capítulo, se incluyen los dos anexos de la memoria de tesis. El primero de ellos se centra en el diseño del driver, mientras que el segundo se centra en el diseño del sensor de corriente, ambos empleados en los prototipos de los convertidores de la familia propuesta.
Description
Keywords
Energía solar, Sistemas fotovoltaicos, Electrónica de potencia, Convertidores de potencia, Convertidores CC-CC