Diseño de un convertidor DC-AC monofásico de dos etapas de larga durabilidad aplicado al control de microrredes eléctricas

Abstract

En esta tesis se describe el desarrollo de un convertidor DC-AC monofásico de dos etapas de larga durabilidad aplicado al control de microrredes eléctricas. El convertidor DC-AC consiste en un doble puente activo resonante-serie (DABSR) en cascada con un inversor de fuente de voltaje (VSI). La mayoría de convertidores DC-AC de dos etapas utilizan un banco de capacitores electrolíticos entre ambas etapas para atenuar el rizado de voltaje en el bus DC producto del desbalance de potencia entre la entrada que suministra una potencia en DC y la salida con una potencia variable en el tiempo. Este tipo de capacitores limitan la vida útil del convertidor y su rango de temperatura de operación, además son voluminosos y pesados. En esta tesis se propone reemplazar los capacitores electrolíticos por capacitores fílmicos en el bus DC para superar esas desventajas. Este reemplazo conlleva a operar el convertidor con un alto rizado de voltaje de 120 Hz en el bus DC. Para desacoplar este rizado en la etapa DC-DC se utiliza la técnica de modulación duty ratio (DR). Mientras que en la etapa DC-AC, este rizado se atenúa mediante un filtro Notch en la realimentación de voltaje del bus DC y para disminuir la distorsión armónica total (THD) de la corriente AC se adiciona una componente resonante de 180 Hz en el controlador de corriente. El comportamiento de dos convertidores de 500W con los dos tipos de capacitores, ambos conectados a la red y alimentados con un panel fotovoltaico se simulan en el software PSIM®. Al comparar el desempeño de ambos convertidores diseñados se comprueba la eficacia del convertidor con capacitor fílmico, alcanzado una eficiencia del 97.5% y una THD del 1.1%.

In this thesis a long life-time two-stage single-phase DC-AC converter applied to the control of electrical microgrids is described. The DC-AC converter consists of a dual active bridge series-resonant (DABSR) converter cascaded with a voltage source inverter (VSI). Most two-stage DC-AC converters use a bank of electrolytic capacitors between both stages to attenuate the voltage ripple on the DC-link due to the power imbalance between the input that supplies DC power and output with time-varying power. This type of capacitor limits the useful life-time and the operating temperature range of the converter. Also, they are bulky and heavy. In this thesis the replacement of electrolytic capacitors by film capacitors on the DC-link to overcome those disadvantages is proposed. This replacement leads to operating the converter with a high voltage ripple of 120Hz on the DC-link. In order to decouple this ripple on the DC-DC stage, the duty ratio modulation technique is used. While, in the DC-AC stage, this ripple is attenuate by means of a Notch filter on the DC-link voltage feedback. Also, a resonant component tuned in 180Hz is added in the current controller to decrease the total harmonic distortion (THD) of the AC current. The behavior of two 500W converters using the two types of capacitors, both connected to the grid and powered by a photovoltaic panel, are simulated in PSIM® software. When comparing the performance of both designed converters, the effectiveness or the converter designed with film capacitor is verified, reaching an efficiency of 97.5% and a THD of 1.1%.