Análisis de los fenómenos internos de recirculación de corrientes provocados por desequilibrios en un sistema formado por inversores que, compartiendo el mismo link de continua, se conectan en paralelo sin aislamiento galvánico

Resumen

INTRODUCCIÓN. Uno de los campos científicos y tecnológicos que ha tenido un rápido avance en las últimas décadas es el relacionado con las energías renovables. Las energías renovables son la solución más eficiente y definitiva que se contempla con respecto a todas las alternativas energéticas existentes, ya que su origen, el Sol, es una fuente inagotable de energía, y además, no producen daños al medio ambiente. Dentro de este ámbito, la fotovoltaica es la energía renovable sobre la que tanto Universidades como empresas privadas están invirtiendo sus máximos esfuerzos, tanto monetarios como intelectuales, en su investigación, desarrollo e implantación. La aparición de nuevos materiales y tecnologías en la fabricación de paneles fotovoltaicos hace que el avance del sector sea cada más rápido. Por estas razones, la presente Tesis Doctoral parte de estas premisas como principales motivaciones para su realización, identificando el aprovechamiento de las energías renovables y más concretamente, de la energía fotovoltaica como piedra angular en el desarrollo humano y en su bienestar a corto, a medio y a largo plazo. Como bien es sabido, las células fotovoltaicas convierten la luz solar en una diferencia de potencial eléctrico, sin generar un efecto térmico, basándose para dicha conversión en el principio físico definido como ¿efecto fotoeléctrico¿. A nivel general, aunque las configuraciones pueden variar según las aplicaciones, podríamos decir que los componentes fundamentales de la instalación fotovoltaica son tres: las placas solares, que proporcionan energía eléctrica mediante el efecto fotoeléctrico, los inversores, que realizan la transformación eléctrica de continua a alterna, y la salida del sistema, que puede ser o bien la red de distribución de una compañía eléctrica, o una carga que se alimenta directamente. El rendimiento es particularmente importante en las aplicaciones renovables, y en particular, en las aplicaciones basadas en energía fotovoltaica. Por lo tanto, uno de los objetivos fundamentales de la presente Tesis Doctoral es la maximización del rendimiento de una planta de generación fotovoltaica, centrándose en el ámbito de la conversión de continua a alterna. Es decir, se basará en el estudio del inversor, punto clave con respecto a la mejoría y a la maximización del aprovechamiento que se está buscando. A este respecto, la conexión de inversores en paralelo hacia la red de distribución eléctrica o hacia una carga es una de las alternativas que, a priori, podrían facilitar dicha mejoría. El empleo de inversores en paralelo permite utilizar mejor las características de los paneles fotovoltaicos, permitiendo además rendimientos superiores a nivel de conversión para valores de potencia inferiores al valor nominal de la planta. Además, la conexión de dos o más inversores en paralelo proporciona una mejor respuesta ante posibles averías, y una mejor MTBF (¿Mean Time Between Failures¿). La conexión de dos o más inversores en paralelo implica que cada inversor no precisa funcionar a la potencia nominal total del sistema, sino inferior, idealmente su propia potencia nominal a la que su rendimiento es óptimo. En general, existen varias filosofías o soluciones topológicas para la conexión de inversores en paralelo. Dichas soluciones se pueden clasificar en tres grupos principalmente: técnicas de control y conexión maestro/esclavo, técnicas de reparto de carga y potencia, y técnicas de control de frecuencia y caída de voltaje. Cada una de estas filosofías genéricas presenta diferentes tipos de técnicas específicas, aplicables a cada caso concreto de utilización. Por ejemplo, las técnicas de control y conexión maestro/esclavo engloban soluciones basadas en ventana de prioridad rotatoria y con unidad de control centralizada; las técnicas de reparto de carga y potencia recogen técnicas alternativas de medición de valores medios de corriente de salida y soluciones de control de cadena circular; las técnicas de control de frecuencia y caída de voltaje identifican esquemas para entornos de carga centralizados y distribuidos. Estas filosofías de conexión de inversores en paralelo serán analizados en el desarrollo de la presente Tesis Doctoral. Para cualquiera de las topologías anteriormente definidas, la forma más sencilla e intuitiva de conectar inversores en paralelo es mediante la utilización de transformadores cuyos secundarios se conectan entre sí y hacia la carga o red eléctrica de distribución. Este tipo de conexión es simple pero tiene como inconvenientes los derivados del uso de transformadores como tal que, además de ser costosos y de dimensiones elevadas (tanto en tamaño como en peso), suponen pérdidas de inserción. Dichas pérdidas implican un descenso del rendimiento. Para evitar los inconvenientes provocados por la utilización de transformadores, el método a adoptar, objeto de estudio, análisis y búsqueda de soluciones de la presente Tesis Doctoral, es la conexión de la salida de los inversores directamente hacia la carga o la red eléctrica, sin necesidad del aislamiento galvánico que proporciona un transformador. Este tipo de conexión se define ¿transformerless¿. De esta forma, la instalación no precisa transformadores, suponiendo un ahorro en costes en los presupuestos del proyecto, menos elementos o puntos de fallo, y, por supuesto, mayor rendimiento a la instalación. Sin embargo, este tipo de conexión puede implicar la aparición de fenómenos de recirculación interna de corrientes, definidas como ¿corrientes de circulación¿, y desequilibrios en el reparto de corrientes homólogas de salida de los inversores que pueden suponer, además de pérdidas de rendimiento, aparición de componente continua en las corrientes de salida de los inversores y sus correspondientes fallos de funcionamiento. La aparición de fenómenos de recirculación interna y desequilibrios en el reparto de corrientes homólogas en salida de los inversores cuando se conectan en modo ¿transformerless¿ están directamente relacionadas con la diferencia entre las tensiones de salida homólogas de dichos inversores. Por lo tanto, es necesario suprimir la diferencia entre las tensiones homólogas de los inversores conectados en paralelo mediante métodos que permitan, por un lado, medir y actuar ante dichas diferencias de tensión y, por otro lado, sincronizar los inversores conectados en paralelo para, de esta forma, eliminar los efectos nocivos y maximizar el rendimiento del sistema. La aparición de fenómenos de recirculación interna y los desequilibrios en el reparto de corrientes de salida debido a desequilibrios entre las tensiones de salida homólogas siguen siendo en la actualidad problemas no resueltos totalmente y de manera definitiva, aspecto en el que se centra el análisis realizado en la presente Tesis Doctoral. La mayor parte de los estudios realizado sobre inversores no son aplicables directamente para realizar un control sobre la diferencia entre las tensiones de salida homólogas, basándose la mayor parte de ellos en la simplificación de los inversores mediante circuitos equivalentes y en la aproximación de los desequilibrios mediante variables a medir y a controlar. Este tipo de análisis basados en aproximación de los circuitos no son del todo exhaustivos, echándose en falta un modelo que se base en el inversor real, sin equivalencias. El estudio realizado en la presente Tesis Doctoral define un método no basado en modelos equivalentes, sino que determina la forma de obtener directamente y a través de las señales de salida del sistema, el valor del desequilibrio que provoca dichos fenómenos de recirculación y desequilibrio en el reparto de carga. En la presente Tesis Doctoral se analiza teórica y experimentalmente la conexión de dos inversores que, compartiendo el mismo link o entrada de continua, se conectan en paralelo sin aislamiento galvánico a una carga o a la red eléctrica, analizando desequilibrios que provocan pérdida de rendimiento y que producen asimetrías en el reparto de carga entre las corrientes de salidas homólogas de los inversores y la aparición de corriente de circulación. Se propondrán métodos para corregir y eliminar dichos desequilibrios a través del valor real de la diferencia de las tensiones de salida homólogas en cada instante de tiempo o de muestreo, y se realizará una comparativa a nivel de potencia de entrada, potencia de salida y rendimiento del sistema, de las configuraciones ¿transformerless¿, objeto del análisis y la simulación, con respecto a las mismas configuraciones en las que se han añadido transformadores a la salida de los inversores. OBJETIVOS. A continuación se numeran los objetivos que se tratarán de satisfacer con la ejecución de la presente Tesis Doctoral: - Analizar el estado del arte en la conexión de inversores en paralelo que comparten el mismo link o entrada de continua. - Obtener el modelo simulado de un inversor trifásico, a partir del cual realizar el estudio teórico, las simulaciones y la obtención de conclusiones. - Realizar el análisis teórico de la aparición de fenómenos internos de recirculación de corrientes, su origen y la consecuente pérdida de rendimiento del sistema, en la conexión de inversores en paralelo que comparten el mismo link de continua, conectados en salida a una carga trifásica equilibrada regulada en tensión, o la red eléctrica equilibrada, cuando esta conexión se hace sin aislamiento galvánico. De forma específica, realizar los análisis teniendo como origen de dichos fenómenos de recirculación internos dos tipos de desequilibrios: desequilibrio entre los tiempos muertos de los dos inversores, desequilibrio entre los parámetros de vector nulo de los dos inversores (actuando de forma independiente o simultáneamente). - Proponer, diseñar y simular algoritmos que permitan detectar y cuantificar los desequilibrios en los inversores en cada instante de tiempo o de muestreo (diferencia entre los tiempos muertos y entre los parámetros de vector nulo, actuando de forma independiente o simultáneamente) que provocan la aparición de fenómenos internos de circulación de corrientes. - Proponer, diseñar y simular bloques de control y corrección de los desequilibrios en cada instante de tiempo o de muestreo (diferencia entre los tiempos muertos y los parámetros de vector nulo, actuando de forma independiente o simultáneamente). - Simular y analizar los resultados, tanto para la conexión en la salida del sistema de una carga trifásica equilibrada regulada en tensión, como para la conexión en la salida del sistema de una red eléctrica trifásica, con ambos tipos de conexión realizada sin aislamiento galvánico. - Simular y analizar todos los casos tanto en un entorno ¿ideal¿ (que no tiene en cuenta tolerancia en los componentes pasivos ni tiempos de procesamiento digital) como en un entorno ¿real¿ (que tiene en cuenta valores de tolerancia de componentes pasivos y tiempos de procesamiento digital no despreciables). - Comparar los resultados de los modelos ¿transformerless¿ con los mismos modelos en los que se han insertado en salida un transformador por cada inversor, a nivel de existencia de corriente de circulación, potencia de entrada, potencia de salida y rendimiento. CONTENIDO DE LA INVESTIGACIÓN. SUMARIO. La Tesis Doctoral presenta la siguiente estructura. - En el Capítulo 1 se realiza una introducción de las energías renovables, realizado una clasificación de las mismas, para centrarse en la energía solar fotovoltaica y el fundamento técnico en el que este tipo de energía renovable está basada. Se realiza también la explicación de una instalación fotovoltaica, introduciendo el inversor como elemento fundamental, que a su vez está formado por diferentes interruptores o polos que, a través de señales de activación y desactivación que siguen un determinado patrón (en general, modulación PWM o ¿Pulse Width Modulation¿), permiten la conversión continua/alterna. Seguidamente, se realiza una clasificación de los distintos dispositivos electrónicos de potencia que conforman los polos de los inversores, con la idea de comparar las prestaciones de los mismos, para de esta manera justificar la elección del IGBT como dispositivo electrónico de potencia utilizado como interruptor o polo en el inversor que será utilizado de modelo. - En la Capítulo 2 se analizan las diferentes configuraciones de los inversores, tanto de tipo ¿VSI¿ (¿Voltage-Source Inverter¿ o ¿Inversor en Fuente de Tensión¿) o ¿CSI¿ (¿Current-Source Inverter¿ o ¿Inversor en Fuente de Corriente¿), con salida monofásica o trifásica; dichas configuraciones son clasificadas en convencionales, por un lado, y en especiales por otro, basadas estas últimas en innovaciones de diseño realizadas por diferentes Universidades y fabricantes. Una vez analizados los tipos de inversores, se realiza una explicación de los diferentes patrones de modulación PWM utilizados en los inversores, justificándose la elección de inversores trifásicos ¿VSI¿ con modulación SVPWM (¿Space Vector Pulse Width Modulation¿ o ¿Modulación por Anchura de Pulsos en Espacio Vectorial¿) para su utilización en la presente Tesis Doctoral de cara a los análisis y simulaciones que se realizarán posteriormente. Finalmente, se realiza una exposición del estado del arte en la conexión de inversores en paralelo que comparten el mismo link o entrada de continua. - En el Capítulo 3 se analizan los sistemas formados por dos inversores que comparten el mismo link o entrada en continua que están conectados en paralelo, con y sin transformador en la salida, definiéndose el fenómeno interno de ¿corriente de circulación¿ como resultado de la diferencia de las tensiones de salida homólogas de los inversores debido a la aparición de desequilibrios. Se realiza una explicación de las componentes armónicas de la corriente de circulación y el efecto de los desequilibrios sobre el rendimiento del sistema. - En el Capítulo 4 se realiza un análisis teórico específico de los efectos de dos tipos de desequilibrio que provocan diferencia entre las tensiones de salida homólogas de los inversores: la diferencia entre los tiempos muertos de los dos inversores, y la diferencia entre los parámetros de vector nulo de los dos inversores, cuando dichos desequilibrios actúan de forma independiente, o de manera simultánea. - En el Capítulo 5 se describen de forma teórica, y para cada uno de los desequilibrios descritos en el Capítulo 4, los algoritmos y métodos propuestos para la detección, cuantificación, control y corrección de los mismos en tiempo real, realizándose hincapié en el control a través de un controlador ¿PI¿ (¿Proporcional-Integral¿). - En el Capítulo 6, y mediante el programa PSIM, se realizan las simulaciones tanto del sistema formado por los dos inversores conectados en paralelo que, compartiendo el mismo link o entrada de continua, están a su vez conectados en salida a una carga trifásica equilibrada regulada en tensión sin aislamiento galvánico, como de los métodos teóricos de detección, cuantificación, control y corrección se definieron en el Capítulo 5. Se realiza una análisis de todos los desequilibrios, mostrándose magnitudes características y realizado las conclusiones pertinentes, aplicando o no aplicado control, para verificar la bondad de los métodos y algoritmos propuesto. Todas las simulaciones se ejecutan en dos entornos: el primero, un entorno definido como ¿ideal¿ (donde no se tienen en cuenta tolerancias de los componentes pasivos ni tiempos de procesamiento de las operaciones digitales), y el segundo, un entorno definido como ¿real¿ (donde se tienen en cuenta tolerancias de los componentes pasivos y tiempos de procesamiento digital no despreciables). - En el Capítulo 7 se realiza el mismo análisis que se ejecutó en el Capítulo 6, pero teniendo en cuenta de que el sistema formado por los dos inversores conectados en paralelo que, compartiendo el mismo link o entrada de continua, están a su vez conectados en salida a la red eléctrica trifásica equilibrada regulada sin aislamiento galvánico. De esta forma se verifica la fiabilidad de los métodos propuestos con respecto a la conexión con una red eléctrica trifásica equilibrada, de la misma forma en que se realizó en el capítulo anterior con una carga trifásica equilibrada. - En el Capítulo 8, y aprovechando los resultado de potencia de entrada, potencia de salida y rendimiento obtenidos en los Capítulos 6 y 7, se realiza una comparativa de estas magnitudes con los mismos casos de simulación, en los que se han conectado sendos transformadores a la salida de los inversores, con la objetivo de mostrar la ganancia en rendimiento que se obtiene en modelos ¿transformerless¿ con respecto a la utilización de transformadores en salida que eliminan directamente las corrientes de circulación. - En el Capítulo 9 se realiza un análisis de la escalabilidad que presentan los modelos propuestos de detección, cuantificación, control y corrección de desequilibrios, para más de dos inversores conectados en paralelo, presentando un método de emparejamiento entre los inversores. - En el Capítulo 10 se muestran las aportaciones de la Tesis Doctoral y las líneas futuras de investigación. - En el Capítulo 11 se muestran las referencias bibliográficas utilizadas en la Tesis Doctoral. CONCLUSIÓN. A la vista de los resultados obtenidos, para un sistema formado por dos inversores trifásicos VSI con modulación SVPWM conectados sin aislamiento galvánico a una red eléctrica trifásica equilibrada, tanto para un entorno de simulación ideal como para un entorno de simulación real en el que se han tenido en cuenta tolerancias en elementos pasivos y tiempos de procesamiento no despreciables, y tanto para los casos en los que los desequilibrios introducidos en el sistema se han centrado en las diferencias entre los tiempos muertos y entre los valores de los parámetros de vector nulo, actuando ambos tipos de desequilibrio de forma individual o simultánea, y tanto para una carga trifásica equilibrada en salida como para la conexión del sistema a una red eléctrica, se ha demostrado que: - Los algoritmos de medición de los desequilibrios introducidos en el sistema permiten disponer de una medida real de dichos desequilibrios. - Los reguladores utilizados para controlar los desequilibrios introducidos en el sistema dan un resultado satisfactorio, eliminando dichos desequilibrios, y presentando, además, una respuesta temporal efectiva para el funcionamiento del sistema. - Los algoritmos de medición y control propuestos permiten eliminar la corriente de circulación provocada por los desequilibrios introducidos en el sistema, consiguiendo, además, un reparto de cargas equilibrado en las corrientes de salida de los inversores. - Los algoritmos de medición y control propuestos, actuando sobre los desequilibrios introducidos en el sistema, permiten elevar el rendimiento del mismo. 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