Study and evaluation of distributed power electronic converters in photovoltaic generation applications

Resumen

Entre las diversas tecnologías de energía renovable, la energía procedente de paneles fotovoltaicos es una de las más implementadas comercialmente y ampliamente utilizadas en los paradigmas energéticos actuales en todo el mundo, donde ocupa un lugar significativo entre otras fuentes de energía renovable, y de hecho tiene una tasa de crecimiento más rápida que cualquier otra fuente. Las fuentes de energía renovable, como la conversión de energía solar fotovoltaica, han recibido una mayor aceptación en los últimos años debido a la necesidad de una menor dependencia de los combustibles fósiles. En comparación con los combustibles fósiles, los paneles fotovoltaicos tienen beneficios significativos, como la producción de energía limpia y confiable y su idoneidad para la generación distribuida. A medida que aumenta la importancia de la energía fotovoltaica, la eficiencia y el rendimiento de los convertidores de potencia utilizados para controlar la energía fotovoltaica serán cada vez más importantes. Como resultado, es fundamental analizar el rendimiento de las aplicaciones fotovoltaicas basadas en convertidores de potencia conectados a red para lograr una alta productividad y crear técnicas de control mejoradas que permitan logras una mayor rentabilidad de los sistemas fotovoltaicos. Recientemente se ha propuesto una nueva topología para los sistemas fotovoltaicos conectados a red, utilizando convertidores multinivel modulares (MMC) y distribuyendo los paneles fotovoltaicos en todas las celdas del MMC. La topología MMC ofrece varias ventajas en comparación con otros convertidores multinivel, como la modularidad del convertidor que permite alcanzar en principio cualquier nivel de tensión, mientras que el equilibrado de tensión de los condensadores se puede lograr con relativa facilidad. Además, se generan formas de onda con baja distorsión armónica, se puede implementar una operación tolerante a fallos y el condensador de enlace de continua (CC) se puede reducir al mínimo o incluso eliminar en una situación equilibrada. Sin embargo, todavía existen desafíos asociados con el control y la modulación del MMC, como su comportamiento en cortocircuito en el lado de continua. Por otra parte, la distribución de los paneles fotovoltaicos sobre la topología MMC tiene dos ventajas principales: elimina las pérdidas y los costos relacionados con los convertidores CC/CC utilizados para seguir el punto de máxima potencia en los string converters y los central inverters, porque esa tarea se delega a las celdas del MMC, y reduce las pérdidas de potencia relacionadas con el traslado de la energía a los condensadores MMC desde una fuente de CC externa. Sin embargo, las técnicas tradicionales de modulación por ancho de pulso (PWM) tienen muchos problemas cuando se trata de esta aplicación porque la distorsión en la salida aumenta a valores inaceptables cuando las celdas del MMC tienen como objetivo diferentes tensiones. Este proyecto de investigación ha propuesto una nueva técnica de modulación denominada “Modulación de ancho de pulso con portadora local” (LC-PWM) para MMC con diferentes voltajes de celda, teniendo en cuenta los voltajes de celda medidos para generar secuencias de conmutación obteniendo una sincronización más precisa. También adapta el periodo de muestreo del modulador para mejorar las transiciones de nivel a nivel, un aspecto importante para reducir el ruido de las corrientes circulantes internas. Como resultado, la nueva técnica de modulación LC-PWM reduce la distorsión de salida en un rango más amplio de situaciones de voltaje. Además, elimina de manera efectiva los componentes innecesarios de alterna de las corrientes circulantes, lo que resulta en menores pérdidas de energía y una mayor eficiencia de la aplicación. Finalmente, se ha utilizado un modelo de simulación del MMC conectado a la red para evaluar la modulación propuesta. El rendimiento de LC-PWM también se ha validado comparándolo con un PWM de cambio de fase tradicional en cargas aisladas para descartar cualquier interacción de la red o del controlador. Los resultados de la simulación revelaron una distorsión de salida más consistente en un amplio rango operativo, así como una reducción efectiva de las corrientes circulantes y de las pérdidas de potencia.