RT Dissertation/Thesis
T1 Análisis, diseño y optimización del convertidor CC-CC bidireccional reductor-elevador con acoplamiento magnético
A1 Rodríguez Lorente, Alba
AB 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 arisingfrom the need always to have energy available on demand.Among the different ESS technologies, batteries, within the category ofelectrochemical ESSs, have gained special relevance in recent times, for their exponentialdeployment in industry, with a rapid improvement in their performance. Studies predictthat their use will continue to grow in the upcoming years and that they will play a majorrole in applications such as renewable energies and electric transport.In general, all applications that interact with the ESSs need to have power convertercircuits that control and transform the energy delivered by the ESSs efficiently, accordingto the needs of the load demanding that energy. Bidirectional converters are especiallyuseful as an interface with the ESSs, since their versatility allows both the control of thepower supply to the load and the conditioning of the surplus or recovered energy fromthe 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 powerconverters that present non–isolated bidirectional DC–DC topologies with Buck–Boostoperation 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 ofpower density, and operating capability regardless of the voltage values demanded by theload 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 allowgreater flexibility in modulation, at the cost of increasing the number of components andthe control difficulty.This thesis document proposes a new non–isolated bidirectional DC–DC topologywith Buck–Boost operation as an interface to electrical energy storage systems, especiallybatteries. The new topology is called Magnetically Coupled Bidirectional Buck–Boostconverter, or MCB3. The proposal aims to achieve good power density and highmodulation flexibility, allowing access to advanced modulations aimed at reducing totallosses. Of the proposed converter: the operation is analyzed, the optimization throughmodulation possibilities is studied for both switching and conduction loss reduction, itsmagnetic components are designed according to a minimum volume criterion, the powerstage is dimensioned based on an established specification and, at each step, the theory isvalidated with simulation and experimental results. Finally, its performance is comparedto 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 aredescribed below:Chapter 1. This chapter aims to provide context to the application by reviewingthe main EESs technologies, their field of use, and their current developmentexpectations. The chapter concludes by highlighting the importance of bidirectionalpower converters to manage the energy supplied by ESSs.Chapter 2. This chapter proposes a categorization of bidirectional convertersaccording 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 onDC–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 thisconsideration, and its operation is described using an advanced control strategy, calledTriple Phase Shifted modulation, aimed at minimizing losses. The study is carried out forthe Boost and Buck mode operation of the converter. The theory is validated withsimulation and experimental results.Chapter 4. This chapter studies the effect of a non–ideal magnetic coupling on theBoost mode operation of the MCB3 converter. The analysis includes the modification ofthe original control strategy to consider finite coupling, and the study of the observablechanges for the previous optimization. The validation of the theory is performed withsimulation and experimental results.Chapter 5. This chapter studies the effect of a non–ideal magnetic coupling on theMCB3 converter's operation in Buck mode. This chapter is complementary to the previousone and includes the same parts adapted to the Buck operation.Chapter 6. This chapter proposes the modeling of a structure based on commercialE–cores to construct integrated magnetic components called E3E. The modeling proposalincludes the definition of a new equation to represent the flux leakage reluctance in thewinding window. The equations from the modeling process are used to design theintegrated magnetic component in the MCB3 converter configuration with higher powerdensity.Chapter 7. This chapter shows the potential of the proposed MCB3 converter,comparing it with two known topologies based on its operating behavior and performanceas a competitive alternative in the state–of–the–art.Chapter 8. This chapter shows the main conclusions of the study carried out in thisthesis and includes the proposal of new lines of research arising from the work carriedout.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 thethesis document is included, intended to complete the information provided and to includedetails of some processes.
AB Debido a su capacidad de absorber, almacenar, y posteriormente entregar energíaeléctrica, los Sistemas de Almacenamiento de Energía (SAE) se destacan como solucióna un gran número de problemas técnicos derivados de la necesidad de disponer de energíaen todo momento a petición de la demanda.Entre las diferentes tecnologías de los SAE, las baterías, que figuran dentro de lacategoría de SAE electroquímicos, han cobrado especial relevancia en los últimostiempos, con un crecimiento exponencial en su implantación en la industria, y una rápidamejoría en sus prestaciones. Los estudios prevén que su uso continúe en auge durante lospróximos años y que tengan un papel principal en aplicaciones como las energíasrenovables y el transporte eléctrico.En general, todas las aplicaciones que interaccionan con los SAE necesitan disponerde circuitos convertidores de potencia que controlen y transformen la energía entregadapor éstos de forma eficiente, de acuerdo a las necesidades de la carga demandante. Enconcreto, la convertidores bidireccionales son especialmente útiles como interfaz con losSAE, ya que su versatilidad permite tanto controlar el suministro de energía hacia lacarga, como el acondicionamiento de la energía sobrante o recuperada de la carga pararecargar los SAE después de haber satisfecho la demanda original.En este contexto, el trabajo de investigación llevado a cabo en esta tesis se centraen aquellos convertidores de potencia que presentan topologías CC–CC bidireccionalesno–aisladas con operación reductora–elevadora como interfaz con baterías, y otrossistemas secundarios de almacenamiento de energía CC. Este subconjunto de topologíasaporta ventajas útiles en este contexto de uso, en términos de densidad de potencia, ycapacidad de funcionamiento independientemente de los valores de tensión demandadapor 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 unamayor flexibilidad en la modulación, a costa de aumentar el número de componentes, yde una mayor dificultad en el control.En el presente documento de tesis se propone una nueva topología CC–CCbidireccional no–aislada con operación reductora–elevadora para su aplicación comointerfaz con sistemas de almacenamiento de energía eléctrica, especialmente con baterías.La nueva topología, se denomina convertidor Bidireccional Reductor–Elevador conAcoplamiento Magnético, o MCB3 a partir de las siglas de su denominación inglesaMagnetically Coupled Bidirectional Buck–Boost converter. La propuesta tiene comoobjetivo 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 reducciónde las pérdidas totales. Del convertidor propuesto: se analiza su funcionamiento, seestudian las posibilidades de optimización a través de la modulación tanto para lareducción de pérdidas en conmutación como en conducción, se diseñan sus componentesmagnéticos de acuerdo a un criterio de mínimo volumen, se dimensiona la etapa depotencia en base a una especificación establecida y, en cada paso, se valida la teoría conresultados de simulación y experimentales. Finalmente, su desempeño se compara conalternativas topológicas con las que comparte bien comportamiento, o bien campo deaplicación.La memoria de esa tesis se organiza en diez capítulos, cuyo contenido se describea 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 expectativasactuales de desarrollo. El capítulo termina destacando la importancia de los convertidoresde potencia bidireccionales como medio de gestión de la energía que suministran los SAE.Capítulo 2. En este capítulo se propone una categorización de los convertidoresbidireccionales en función de sus características topológicas, de operación y según el tipode modulación. También se indican algunas de las estrategias utilizadas para la reducciónde pérdidas en conducción y conmutación. Conocidas las posibilidades de diseño, seanaliza el estado de la técnica centrado en las topologías CC–CC, no–aisladas¸ conoperación reductora–elevadora.Capítulo 3. En este capítulo se presenta la versión fundamental del convertidorpropuesto, MCB3, considerando acoplamiento magnético ideal. La topología se analizaen base a esta consideración, y se describe su funcionamiento utilizando una estrategia decontrol avanzada, denominada modulación por Triple Fase Desplazada, orientada a laminimización de las pérdidas. El estudio se realiza para la operación elevadora yreductora del convertidor. La validación de la teoría se realiza con resultados desimulación 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 incluyela modificación de la estrategia de control original para tener en cuenta el acoplamientofinito, y el estudio de los cambios observables para la optimización realizada. Lavalidación 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 escomplementario al anterior, e incluye las mismas partes adaptadas a la operaciónreductora.XIXCapítulo 6. En este capítulo se propone el modelado de una estructura basada ennúcleos E comerciales para la construcción de componentes magnéticos integradosdenominada E3E. La propuesta de modelado incluye la definición de una nueva ecuaciónpara representar la reluctancia de dispersión de flujo en la ventana de devanado. Lasecuaciones del proceso de modelado se utilizan en el diseño del componente magnéticointegrado, que completa la configuración del convertidor MCB3 con mayor densidad depotencia.Capítulo 7. En este capítulo se muestra el potencial del convertidor MCB3propuesto, comparándolo con dos topologías conocidas en base a su comportamiento enoperación 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 enla memoria de tesis y se incluye la propuesta de las nuevas líneas de investigación quesurgen a partir del trabajo realizado.Referencias. Este capítulo contiene todas las referencias empleadas en eldocumento de tesis.Anexos. En este capítulo, se incluye material adicional a la explicación en el cuerpode la tesis, destinado a completar la información proporcionada y a incluir detalles dealgunos procesos.
YR 2021
FD 2021-09
LK https://hdl.handle.net/10016/33577
UL https://hdl.handle.net/10016/33577
LA spa
NO Mención Internacional en el título de doctor
DS e-Archivo
RD 27 jul. 2024