Optimización del comportamiento de un convertidor de tres niveles NPC conectado a la red eléctrica

Resumen

Esta Tesis se centra en el campo de la distribución de la energía eléctrica, el objetivo es optimizar el comportamiento de los VSCs (‘Voltage Source Converters’) cuando se emplean como interfaz entre la red eléctrica y sistemas de generación de electricidad, para entregar o demandar energía a la red con la mejor calidad posible. Por un lado, se propone el diseño de convertidores más robustos, especialmente, frente a perturbaciones de la red eléctrica; y por otro lado se proponen nuevos algoritmos de control para mejorar el comportamiento del VSC ante posibles perturbaciones del sistema. A nivel de diseño, en esta Tesis se desarrolla un convertidor ‘back-to-back’ de tres niveles NPC y se propone el empleo de un filtro LCL para la conexión del convertidor a la red eléctrica. El empleo de este convertidor optimiza el contenido armónico de la corriente que se demanda o se entrega a la red eléctrica, pues el primer grupo de armónicos de las tensiones de línea están centrados alrededor del doble de la frecuencia de conmutación. Por otro lado, el filtro LCL, al ser de tercer orden consigue elevadas atenuaciones de los armónicos debidos a las conmutaciones del convertidor. Desde el punto de vista del control, la Tesis se centra en el sistema de control del VSC conectado a la red eléctrica. En este contexto se propone un controlador de corriente del VSC con filtro LCL, donde se reduce el número de sensores empleando un observador de estados. También se propone un método de sincronización con la red eléctrica basado en un SPLL (‘Software Phase Locked Loop’) y se analiza el comportamiento de éste para diferentes configuraciones dentro del sistema de control global. Por último se presenta el controlador de tensión del DC-bus, donde se desarrollan dos ecuaciones lineales para el diseño del controlador y se analiza su estabilidad en función del modo de funcionamiento del VSC conectado a la red eléctrica (rectificador o inversor) y del valor de la capacidad del DC-bus. Los VSCs se pueden conectar a redes donde se desconoce a priori la impedancia de la red, los componentes que forman el filtro de red pueden sufrir derivas temporales, la red eléctrica puede tener perturbaciones como tensiones desbalanceadas, armónicos, ‘dips’, etc. En esta Tesis se presentan diferentes algoritmos para identificar y compensar estas anomalías que ocasionan errores e incluso inestabilidades en la respuesta del sistema. Dentro de esta línea de investigación, se propone un algoritmo para identificar tanto la inductancia como la resistencia de la línea y además se presenta un método para compensar los errores producidos. Respecto al proceso de identificación de las derivas temporales de los componentes del filtro de red, se analiza la respuesta de dos métodos diferentes cuando se añade ruido a las medidas procedentes de los sensores. Se emplea un método directo basado en el modelo del filtro de red y un método estocástico basado en el EKF (‘Extended Kalman Filter’), y los resultados de ambos métodos son comparados. Sobre la compensación de armónicos en las tensiones de la red eléctrica, en esta Tesis se propone un método denominado “feedforward predictivo” que entrega a la red únicamente corriente del armónico fundamental, con lo que la potencia activa en la red es constante. Por último, para compensar desbalanceos de tensiones de la red permanentes o transitorios (‘dips’) se propone el empleo de un controlador de corriente vectorial dual, se realizan ensayos para VSCs con carga pasiva y filtros L o LCL, y convertidores ‘back-to-back