Resumen: La escasez de las fuentes de energía basadas en combustibles fósiles y la necesidad de reducir las emisiones de CO2, entre otros motivos, han provocado un aumento en la conexión a las redes de distribución de baja tensión de generadores distribuidos que emplean inversores. Muchos de ellos actúan de interfaz con fuentes de energías reno-vables como módulos fotovoltaicos y turbinas eólicas, además de formar parte de cual-quier sistema de almacenamiento de energía. Particularizando en los sistemas de generación fotovoltaica, se observa que durante mucho tiempo y desde sus inicios, estos inversores han estado actuando básicamente mediante la inyección de potencia activa en la red, con factor de potencia unitario. Pero las nuevas tendencias de operación e incluso normativas de distintos países, proponen que estos dispositivos sean integrados como elementos más activos e inteligentes. Esta filosofía en la operación contribuye a la evolución de los tradicionales sistemas de potencia lineales hacia los conocidos conceptos de microrredes y redes inteligentes. De esta manera, los inversores contribuirían al control de tensión en el nodo a nivel local y mejorarían la calidad de la energía, además de contribuir a una mayor flexibilidad y seguridad del suministro eléctrico. Simultáneamente a esta tendencia de operación, la industria y los grupos de investiga-ción se han planteado como reto el reducir el coste y mejorar los rendimientos de los procesos de conversión de energía, focalizando la atención en las topologías inversoras. Los inversores fotovoltaicos tradicionales se caracterizan por contar con una doble etapa de conversión de energía, a través de un convertidor continua-continua elevador y un inversor en fuente de tensión. Algunas de las ideas innovadoras en este campo parecen muy adecuadas para aplicaciones fotovoltaicas dado que pueden elevar la tensión continua de entrada en una sola etapa de conversión a través del uso de una red impedante o alguna de sus derivadas. Esta familia de convertidores permite: elevar y reducir la tensión, dotar al convertidor de un mayor rango de operación en cuanto a tensión de entrada, menor coste y mayor eficiencia, mayor inmunidad electromagnética, ausencia de necesidad de tiempos muertos, mayor rendimiento y protección frente a cortocircuitos de rama, entre otros. Sin embargo, dada la reciente aparición de estos convertidores, no existen demasiados estudios en cuanto a su integración como elementos conectados a la red con algoritmos de control en lazo cerrado, en los cuales deben coexistir una estrategia de operación del inversor, un algoritmo del punto de máxima potencia, un método de control del bus de continua y una técnica de modulación especial que permita generar estados de conducción simultáneo entre interruptores de la misma rama además de los estados normales. Esta tesis doctoral presenta una solución novedosa para la conversión de energía en sistemas fotovoltaicos teniendo en cuenta los aspectos previos. Se propone, analiza y calcula una nueva topología inversora conocida como “inversor de tres niveles con el punto neutro fijado con fuente cuasi impedante”, tanto en versión monofásica como en trifásica. También se propone una nueva técnica de modulación que permite generar los estados de conducción simultánea entre interruptores de una misma rama de manera uniforme durante todo el periodo fundamental. Por último, se han desarrollado y propuesto diferentes algoritmos de control en lazo cerrado para su operación en conexión a red. Teniendo en cuenta estas últimas funcionalidades añadidas, el convertidor propuesto se considera un elemento activo, comportándose de manera inteligente en lo que respecta a su conexión y operación con la red principal. Resultados: Este trabajo de Tesis Doctoral presenta una nueva topología dentro de la familia de inversores multinivel reductores-elevadores en una sola etapa. El convertidor se deno-mina “inversor de tres niveles con el punto neutro fijado con fuente cuasi impedante”, en versión monofásica y trifásica. La topología propuesta combina las ventajas inherentes a los convertidores con red impedante y las de los inversores multinivel tales como un menor stress de sus semiconductores, conversión de energía en una sola etapa con elevación, corriente de entrada en modo continuo, protección frente a cortocircuitos y menor tasa de distorsión de la tensión y de la corriente de salida. Dado que la tensión de bloqueo de los semiconductores que constituyen la nueva topología se reduce a la mitad respecto de los inversores convencionales de dos niveles, se han podido utilizar transistores más rápidos para su construcción, resultando en la operación del mismo con frecuencias de conmutación más elevadas, con elementos pasivos de la red impedante y del filtro de salidas de menor tamaño. Para la versión trifásica se emplean semiconductores MOSFET con SiC dada su novedad en el mercado. También se ha desarrollado una nueva técnica de modulación para este convertidor que genera estados de conmutación “shoot-through” uniformemente distribuidos durante todo el periodo fundamental. Esto supone una mejora en cuanto a la calidad de la tensión de salida además de proporcionar el valor de elevación de tensión necesario. La primera propuesta que se hizo para la versión monofásica fue mejorada, pues se observó una distribución dispar del número de conmutaciones entre los semiconductores de cada rama. De esta forma la distribución de las pérdidas queda equilibrada, aumentando la fiabilidad del sistema. También se ha desarrollado la técnica de modulación para la versión trifásica de manera similar al caso monofásico, obteniéndose un rendimiento del 98 % en modo reductor y del 95.5 % en modo elevador. En lo que respecta a los esquemas de control de este inversor se resume que en ellos debe coexistir la estrategia de operación, un algoritmo para el seguimiento del punto de máxima potencia, un método de control de la tensión del bus dc y una técnica de modulación que permita embeber los estados shoot-through junto con los estados normales. Primeramente se han investigado cómo estos algoritmos para el seguimiento del punto de máxima potencia pueden ser adaptados para este convertidor mediante el empleo de nuevas variables de control. A continuación se propone una nueva estrategia de control para la versión monofásica basada en un marco de referencia síncrono en ejes d-q junto con un método de control indirecto del bus de continua. Como la teoría d-q y p-q se desarrollaron originalmente para sistemas trifásicos a tres o cuatro hilos, se encontraron dificultades para su implementación en el sistema monofásico. Con el primer esquema propuesto se observó un acoplamiento importante entre los lazos de control de la potencia activa y reactiva y de tensión del bus de continua, el cual fue resuelto en una segunda versión del mismo. Para la versión trifásica se emplea un esquema de control similar al monofásico. Finalmente se investigan otros esquemas de control para tener una idea de cómo este inversor puede realizar funcionalidades activas como el filtrado activo y una mejor gestión de la energía mediante almacenamiento. Con todas estas funcionalidades el inversor conseguirá ser un dispositivo activo conectado a la red, proporcionándole apoyo, garantizando una mayor calidad y seguridad de suministro. Se citan a continuación las conclusiones principales obtenidas: - La topología propuesta se considera muy adecuada para aplicaciones PV debi-do a los beneficios heredados al emplear redes qZSN y un puente inversor multinivel, permitiendo un mayor rango de funcionamiento en cuanto a tensiones de entrada gracias a los estados ST. Este es un requisito frecuente en aplicaciones PV debido a los cambios que se producen en la irradiancia y en la temperatura. La solución propuesta permite realizar la conversión de energía en una única etapa. Consecuentemente se obtiene una mayor fiabilidad del sistema, una mayor eficiencia y un menor coste del mismo. - A través del análisis en régimen permanente de la topología en sus diferentes estados de conmutación se desarrollan nuevas expresiones en modo CCM que permiten entender el circuito a nivel cualitativo y cuantitativo. Los resultados de simulación y los experimentales son cercanos a los valores obtenidos con tales expresiones, demostrándose su calidad y validez. - Él método, indicaciones y fórmulas para el diseño y selección de los compo-nentes pasivos proporcionados permiten seleccionar los principales parámetros de cada componente (elementos pasivos e interruptores de potencia). Su vali-dez queda demostrada con el modelo de simulación y los prototipos tanto en versión monofásica como en trifásica. - La alta eficiencia alcanzada tanto en la versión monofásica como en la versión trifásica se debe principalmente a la alta frecuencia de conmutación (100 kHz). De esta forma se reduce el tamaño de los elementos pasivos, incrementándose la densidad de potencia del convertidor. Para ello, se considera necesario el empleo de plataformas de control basadas en FPGA. - La técnica de modulación propuesta (primera versión) genera los estados ST de manera uniforme durante todo el periodo fundamental con ancho constante. Esta característica se considera como una ventaja a la hora de optimizar el tamaño y valor de los elementos pasivos, además de tener un comportamiento bastante adecuado las magnitudes eléctricas del bus de continua. La forma en que se generan los estados ST hace que se tenga que compensar la tensión de salida para mantener la ley tensión-tiempo durante el periodo fundamental. - La segunda técnica de modulación propuesta permite un mejor equilibrado de las pérdidas entre las ramas del inversor y entre los interruptores de cada una de ellas, aumentando la fiabilidad del convertidor. - De entre los algoritmos MPPT estudiados y adaptados para la nueva topología, el método basado en P&O se elige como el más apropiado debido a su simplicidad y robustez. - La primera estrategia de control propuesta para la regulación de P y Q en conexión a red solamente permite la inyección de corriente con factor de potencia unitario, por lo que se requirió el desarrollo de nuevos esquemas de control. - El empleo de la teoría d-q para los sistemas monofásicos con el fin de controlar magnitudes dc requirió el uso de la teoría del circuito imaginario. Dentro de los esquemas de control propuestos, el método en el que los lazos para la regulación de P y Q están desacoplados presenta una mejor respuesta dinámica. El valor de la tensión de referencia para el bus de continua se obtiene de manera directa desde estos lazos de control, garantizándose el valor mínimo para esta magnitud. Este método es el aconsejado también para la versión trifásica, con la diferencia de que el empleo de la teoría del circuito imaginario no es necesaria. - El valor de los elementos pasivos del filtro de salida es muy pequeño gracias a la alta frecuencia de conmutación conseguida. Esto hace que los términos que incluyen el valor del filtro de salida para desacoplar los lazos de potencia P y Q en propuestas tradicionales basados en la teoría d-q puedan ser despreciados. - La topología propuesta permite la integración de elementos de almacenamiento, recomendándose conectar tales dispositivos en paralelo con los condensadores internos, en lugar de en paralelo con los externos, pues el algoritmo de control se simplifica bastante. - Se estudia la viabilidad del empleo del convertidor como APF cuando se en-cuentran cargas no lineales conectadas al mismo PCC. El esquema de control propuesto proviene de esquemas convencionales, al que se le ha incorporado un lazo de control para el Ds cuando se requiera elevar la tensión de entrada. - Aunque algunas de las estrategias de operación del convertidor no han sido validadas experimentalmente, los resultados de simulación confirman un adecuado funcionamiento. Trabajos futuros: Un trabajo futuro nacido como fruto de esta investigación es la validación experimental de algunos de los algoritmos de control propuestos para desarrollar funciones activas en conexión a red por parte de esta nueva topología novedosa. Dado que el objetivo principal fue la construcción y validación las capacidades de este convertidor con alta eficiencia, se emplearon soluciones para el sistema de control basadas en sistemas embebidos como FPGA. Para acometer estas actividades, se plantea la construcción de un prototipo compatible con plataformas de prototipado rápido, con el fin de optimizar de una manera más rápida los parámetros de control. Otra investigación futura es la comparación experimental entre diferentes miembros de esta familia de convertidores, muy adecuados para aplicación fotovoltaica, en cuanto a parámetros como rendimiento, fiabilidad, coste y densidad de potencia. También se destaca que la influencia y relaciones de dependencia entre los elementos pasivos de la red impedante y los del filtro de salida todavía no han sido estudiadas. Este tema de investigación se plantea también como posibilidad para el futuro. En lo que respecta a las estrategias de control, las nuevas tendencias en microrredes y sus esquemas de control particulares (control jerárquico) requerirían el análisis y adaptación para la aplicación en estos nuevos convertidores. Bibliografía: [1] Key renewables trends: excerpt from Renewables Information. International Ener-gy Agency IEA statistics. 2015. [2] Romero-Cadaval E., Spagnuolo, G., Garcia Franquelo L., Ramos-Paja C.A., Suntio T., Xiao W.M., Grid-Connected Photovoltaic Generation Plants: Components and Operation. IEEE in Industrial Electronics Magazine, vol.7, no.3, pp.6-20, Sept. 2013. 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