Diseño de un convertidor triple active bridge que brinde inercia virtual a la red eléctrica mediante la integración de supercapacitores estacionarios

Abstract

En los últimos años, la demanda eléctrica presenta un incremento acelerado debido a los avances tecnológicos, principalmente en las cargas de alta potencia como las estaciones de carga de vehículos eléctricos. Consecuentemente, es necesario que las estaciones de carga puedan conectarse a la red eléctrica brindando servicios auxiliares que refuercen la estabilidad de la red, tales como la emulación de inercia virtual, entre otros. En esta tesis se presenta la topología y el diseño de tres convertidores tipo “Triple Active Bridge” (TAB), para luego compararlos y elegir el más adecuado para establecer un convertidor DC-DC que conecta un vehículo eléctrico, un arreglo de supercapacitores (SC) y la red eléctrica. El modo de operación general de convertidor DC-DC tipo TAB consiste en la conexión de un arreglo de SC de 100 V, una tensión constate de 600 V y un Bus DC de 450 V. Adicionalmente, este convertidor suministra una potencia constante de 10KW desde el bus DC hacia la tensión constante de 600 V para la recarga del vehículo, y a su vez permitir el flujo bidireccional de potencia del SC hacia el Bus DC para emular la inercia virtual ante perturbaciones en la frecuencia de la red eléctrica. El diseño de los controladores se obtendrá el modelo matemático de cada convertidor para posteriormente realizar la linealización en los puntos de operación requeridos. Con el fin de evaluar la efectividad de los convertidores en la emulación de inercia virtual y carga del vehículo eléctrico. Estas topologías son evaluadas considerando tres modos de operación: la carga de la batería sin eventos de emulación de inercia, la carga de la batería ante eventos de emulación de inercia y la carga de la batería con la recuperación de tensión del arreglo de SC. Finalmente, la efectividad de los convertidores se comprobará mediante simulación usando el software PSIM, analizando las pérdidas y la respuesta temporal en la tensión del bus DC.

In recent years, electricity demand has been increasing rapidly due to technological advances, mainly in high power loads such as electric vehicle charging stations. Consequently, it is necessary that charging stations can be connected to the power grid, providing auxiliary services that reinforce the grid stability, such as virtual inertia emulation, among others. In this thesis, the topology and design of three Triple Active Bridge (TAB) converters are presented, and then compared and the most suitable one is chosen to establish a DC-DC converter connecting an electric vehicle, a supercapacitor (SC) array and the power grid. The general mode of operation of the TAB type DC-DC converter consists of the connection of a 100 V SC array, a 600 V constant voltage and a 450 V DC bus. In addition, this converter supplies a constant power of 10KW from the DC bus to the 600 V constant voltage for vehicle charging, while allowing bi-directional power flow from the SC to the DC bus to emulate virtual inertia in the event of mains frequency disturbances. The design of the controllers will be obtained from the mathematical model of each converter to subsequently carry out the linearisation at the required operating points. In order to evaluate the effectiveness of the converters in virtual inertia emulation and charging of the electric vehicle. These topologies are evaluated considering three modes of operation: battery charging without inertia emulation events, battery charging with inertia emulation events and battery charging with SC array voltage recovery. Finally, the effectiveness of the converters will be tested by simulation using PSIM software, analysing the losses and the time response on the DC bus voltage.