Arquitectura de sistema electrónico de potencia modular, multipuerto CC bidireccional con aislamiento

Abstract

En los últimos años se han incrementado las aplicaciones que requieren la gestión de múltiples flujos de potencia eléctrica bidireccionales. Entre ellas, se pueden mencionar las redes inteligentes, los vehículos eléctricos, tanto la gestión de energía dentro de ellos como las estaciones de carga, y el avión más eléctrico, entre otras. Convencionalmente se utilizan múltiples convertidores CC/CC enlazados mediante un bus común de voltaje CC. Sin embargo, actualmente existe un incremento en los estudios que proponen la gestión de estos flujos de potencia mediante convertidores multipuerto donde la gestión de potencia se realiza con una mayor integración de las etapas de potencia y un control centralizado. Los convertidores multipuerto pueden ser aislados o no aislados de acuerdo al requerimiento de la aplicación. El presente estudio se centra en convertidores multipuerto aislados y dentro de este tipo de convertidores se ha centrado la investigación en la topología denominada convertidor modular de múltiples puentes activos (modular multi-active bridge o MMAB). En primer lugar, se realiza un estado de la técnica de convertidores multipuerto aislados basados tanto en puentes activos acoplados mediante un transformador multidevanado como acoplados mediante múltiples transformadores (p.ej. el convertidor MMAB). Producto de este estudio se identifican las ventajas a nivel de modularidad, facilidad tanto de escalamiento como de construcción de módulos especializados para aprovechar la economía de escala del convertidor MMAB sobre los convertidores basados en un solo transformador multidevanado. En segundo lugar, se presenta un análisis del convertidor MMAB en régimen permanente y dinámico para determinar la interacción de las variables de control y las variables controladas en todo el rango posible de operación del convertidor cuando se aplica una modulación por desplazamiento de fase. El convertidor es caracterizado determinando el comportamiento de voltajes y corrientes en todos los puntos así como las zonas de operación y los límites de potencia tanto del convertidor en conjunto como de cada uno de los módulos que lo componen. Una vez realizada la caracterización, se propone una estrategia de control en lazo abierto, basada en iteraciones sucesivas, que se ejemplifica en un prototipo de 5 puertos. La estrategia de control se implementa en una FPGA (field programmable gate array) y permite el cambio en funcionamiento de las referencias de potencia de cada uno de los puertos. Finalmente, se realiza un análisis teórico multivariable que sustenta la posibilidad de aplicar lazos independientes de control e identifica las zonas de funcionamiento donde esta técnica presenta buenas prestaciones. El análisis teórico se valida mediante simulación y mediante experimentación en un prototipo de 5 puertos con resultados satisfactorios y acorde a lo esperado.