Convertidores CC/CC para inversores multinivel en cascada en instalaciones fotovoltaicas conectadas a red

Abstract

[SPA] En los últimos años las energías renovables han alcanzado notables cuotas de desarrollo, especialmente la energía fotovoltaica, para la que pueden encontrarse ya operativas plantas generadoras del orden de Gigavatios. En esta línea, es necesario proveer de soluciones adecuadas que permitan el máximo aprovechamiento de la energía generada. Las redes de Media Tensión de Corriente Continua (MVDC) ofrecen numerosas ventajas en este sentido, siendo una tendencia cada vez mayor la de la conexión directa a red, sin necesidad de voluminosos y pesados transformadores de baja frecuencia. Para alcanzar los niveles de media tensión sin transformador se puede optar por el enfoque tradicional de convertidores de dos niveles; o el enfoque multinivel. Este último ha sido muy desarrollado en los últimos años, destacando en aplicaciones fotovoltaicas los inversores en cascada o Cascaded H-Bridge (CHB). En un primer momento se propuso conseguir la configuración multinivel mediante la asociación monofásica de inversores en cascada, no obstante, esta solución tenía el riesgo de inyectar energia de forma desequilibrada a la red y penalizaban fuertemente el diseno de los condensadores de desacoplo, llegando a suponer una parte importante del coste global del convertidor. Esto se debía a que los condensadores tenían que filtrar una corriente de dos veces la frecuencia de la red y de una amplitud similar a la corriente continua proporcionada por los paneles. La asociación trifásica de inversores se propuso como solución a ambos problemas. No obstante, la reducción de los condensadores va a depender del tipo de convertidor CC/CC utilizado. Esta tesis surge de la necesidad de seleccionar la mejor solución para la etapa CC/CC de un convertidor multinivel aplicado a una asociación trifásica de inversores en cascada, de manera que se pueda conseguir una reducción significativa en el tamaño de los condensadores de desacoplo del convertidor. Con tal fin, se plantean una serie de características de diseño para un convertidor multinivel fotovoltaico conectado a red de forma que sirva de base para la selección de esta etapa CC/CC. Dentro de esta fase previa, se analizan varios aspectos relativos a la operación del convertidor multinivel, desde la selección de componentes hasta el efecto de las desigualdades en las tensiones de alimentación de los inversores sobre la distorsión armónica. Sobre este último aspecto se comprueba la importancia que tiene sobre la forma de corriente del multinivel y se propone un método de diseño para el filtro de salida de manera que la cancelación de armónicos se siga produciendo incluso en condiciones de desigualdad de tensiones. Para la parte relativa a la selección de la mejor solución para la etapa CC/CC se propone una comparativa inicial entre dos soluciones diferentes: una topología unidireccional y otra bidireccional. De esta comparativa inicial se puede concluir que lo más recomendable sería una solución basada en una topología CC/CC unidireccional con aislamiento trabajando en su punto óptimo y un convertidor CC/CC sin aislamiento a cargo de las tareas MPPT. La bidireccionalidad ya no es un requisito indispensable en esta última solución, por lo que se analiza el efecto que tendría en un convertidor unidireccional trabajar con factores de potencia distintos a la unidad. Para ellos se propone un método de cálculo para los condensadores de filtro y desacoplo en estos casos, con el cual se demuestra que la bidireccionalidad no es necesaria y que la reducción del tamaño de los condensadores puede llegar a ser muy significativa comparado con la asociación monofásica de inversores. En base a lo anterior, se propone para la topología CC/CC unidireccional con aislamiento trabajando en su punto óptimo un convertidor Resonante Serie (SRC). De la aplicación del SRC a la asociación trifásica de inversores se puede extraer que, cuando se trabaja con factor de potencia unidad, es posible eliminar la potencia pulsante de baja frecuencia de la red y se reducen las perdidas por conducción en los transistores en un 33.33% en comparación con la asociación monofásica de inversores. Por otra parte, es posible extender el rango de conmutaciones suaves del convertidor gracias a un circuito auxiliar externo al trafo, además de ser apto para aplicaciones que requieran trabajar con inductancias de dispersión grandes. Algunos de los aspectos más desfavorables de los SRC se analizan también, proponiendo diversas soluciones. Por otra parte, del análisis y comparativa de diversos convertidores CC/CC sin aislamiento para la etapa encargada de las tareas MPPT, se propone una solución basada en un elevador asimétrico de tres niveles o elevador de condensador flotante (3L FC), incluyendo también posibles mejoras. Finalmente se ha construido un prototipo a escala del convertidor CC/CC con aislamiento, trabajando en lazo abierto, con el que se han podido verificar experimentalmente los aspectos más relevantes de esta tesis.