Diseño, Simulación y Control de un Convertidor DC-DC Dual Active Bridge Resonante para Operación en Paralelo en una Microrred DC

Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Autor: F. Javier Payán Somet Tutor: Juan José Murillo Fuentes Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2013 Trabajo Fin de Máster Máster Universitario en Ingeniería Electrónica, Robótica y Automática Diseño, Simulación y Control de un Convertidor DC-DC Dual Active Bridge Resonante para Operación en Paralelo en una Microrred DC Autora: Alba Muñoz Carrero Tutores: David Carmona Vicente y Juan Manuel Carrasco Solís Dpto. de Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, Julio 2024 Trabajo Fin de Máster Máster Universitario en Ingeniería Electrónica, Robótica y Automática Diseño, Simulación y Control de un Convertidor DC-DC Dual Active Bridge Resonante para Operación en Paralelo en una Microrred DC Autora: Alba Muñoz Carrero Tutores: David Carmona Vicente y Juan Manuel Carrasco Solís Dpto. de Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, Julio 2024 Trabajo Fin de Máster: Diseño, Simulación y Control de un Convertidor DC-DC Dual Active Bridge Resonante para Operación en Paralelo en una Microrred DC Autora: Alba Muñoz Carrero Tutores: David Carmona Vicente y Juan Manuel Carrasco Solís El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores: Presidente: Vocal/es: Secretario: acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: Agradecimientos Alba Muñoz Carrero Sevilla, 2024 I Resumen L os convertidores DC-DC Dual Active Bridge (DAB) tienen diversas aplicaciones, incluyendo la integración de electrolizadores, pilas de combustible, baterías y paneles fotovoltaicos en microrredes DC. Estas aplicaciones permiten una gestión eficiente y flexible de la energía en sistemas de generación y almacenamiento distribuidos. El proyecto aborda el diseño, simulación y control de un convertidor DC-DC DAB con topología resonante, orientado a su operación en paralelo dentro de una microrred DC. Se estudian los principios teóricos fundamentales del DAB, con el objetivo de mejorar la eficiencia energética del sistema. Se detalla el proceso de diseño del hardware, incluyendo la selección y dimensionamiento de componentes clave, así como la interconexión de múltiples convertidores en paralelo. Para validar el desempeño del convertidor, se desarrollan y simulan diversas estrategias de control, asegurando un reparto equitativo de la potencia entre los convertidores y un control preciso de la tensión y la corriente en el sistema. Los resultados de las simulaciones confirman la eficiencia y estabilidad del sistema, demostrando su viabilidad para su integración en microrredes DC. Asimismo, se realizaron pruebas prácticas que corroboran los resultados teóricos y proporcionan una base sólida para futuros desarrollos en el campo de la conversión de energía. III XÍndice de Figuras 5.12 Respuesta temporal del control de corriente 44 5.13 Respuesta temporal del desfase con control de corriente. 45 5.14 Mediciones en la fuente interna del convertidor 45 5.15 Mediciones en la fuente externa del convertidor 46 5.16 Tensión y corriente medidas en el equipo de control de corriente 47 5.17 Corriente individual del Convertidor 1 (control de tensión) 47 5.18 Corriente individual del Convertidor 2 (control de corriente) 48 5.19 Corriente individual del Convertidor 3 (control de corriente) 48 5.20 Desfase del Convertidor 1 (control de tensión) 49 5.21 Desfase del Convertidor 2 (control de corriente) 49 5.22 Desfase del Convertidor 3 (control de corriente) 50 5.23 Corriente individual y total de los equipos 50 5.24 Tensiones AC a cada lado del convertidor y Corriente AC 51 Índice de Tablas 3.1 Especificaciones Convertidor DC-DC 9 3.2 Requisitos del DC Link 10 3.3 Configuración DC Link 10 3.4 Requisitos de los MOSFETs de SiC 11 3.5 Características del MOSFET G3R20MT12N 11 3.6 Especificaciones del Driver 12 3.7 Características del transformador de alta frecuencia y frecuencia de resonancia elegida 12 3.8 Características de los componentes del tanque resonante 13 3.9 Características de los condensadores KEMET C1210C225K1RACTU 13 3.10 Características de la matriz de condensadores 13 3.11 Características del contactor 15 3.12 Características Sensor LA-55-P 16 3.13 Características Sensor LF-310-S 16 3.14 Características LEM LV 25-P 17 3.15 Características LEM LV 25-P 18 XI 1 Introducción E studios recientes destacan la importancia creciente de las tecnologías de energía renovable (RE) para la generación de electricidad sostenible, rentable y amigable con el medio ambiente. La Agencia Internacional de Energía (IEA) reporta que la demanda de combustibles fósiles ha disminuido desde 2019, mientras que el uso de RE ha aumentado significativamente para satisfacer las demandas globales de energía. Las tecnologías RE, como la solar, eólica, hidroeléctrica, biomasa, geotérmica y de hidrógeno, están en constante desarrollo para mejorar la eficiencia de conversión de energía [1]. Las energías renovables, como la solar y la pila de combustible, generan electricidad en corriente continua (DC), lo que resalta la importancia de desarrollar sistemas eléctricos que optimicen su integración. Las microrredes DC se presentan como una solución eficiente para gestionar la distribución de energía renovable, ofreciendo ventajas significativas en términos de reducción de pérdidas y mejora de la estabilidad del sistema. Las microrredes DC permiten una integración más directa de las fuentes de energía renovable con las cargas, eliminando la necesidad de múltiples conversiones entre corriente alterna (AC) y corriente continua (DC). Esta simplificación del flujo de energía resulta en una mayor eficiencia global del sistema, ya que se minimizan las pérdidas asociadas a las conversiones de energía. 1.1 Contexto del proyecto Los convertidores DC-DC juegan un papel fundamental en este contexto. Estos dispositivos son esenciales para adaptar los niveles de voltaje entre las diferentes fuentes de energía y las cargas dentro de una microrred DC. La capacidad de los convertidores DC-DC para gestionar eficazmente la transferencia de energía y mantener la estabilidad del sistema es crucial para el funcionamiento óptimo de las microrredes DC. Los avances en tecnologías de conversión de energía, como el desarrollo de topologías de convertidores más eficientes y estrategias de control avanzadas, están impulsando la viabilidad y el rendimiento de las microrredes DC. Este proyecto se centra en el diseño, simulación y control de un convertidor DC-DC, con el objetivo de optimizar su desempeño en una microrred DC. Se exploran los principios teóricos y prácticos necesarios para el desarrollo de un sistema de conversión eficiente, y se evalúa su integración y rendimiento a través de pruebas y simulaciones. Los resultados obtenidos demuestran la viabilidad del convertidor e información para futuras mejoras y desarrollos en el campo de las microrredes DC. 1.2 Objetivos del proyecto En el presente proyecto se han definido los siguientes objetivos específicos: 1 2Capítulo 1. Introducción • Diseño y Simulación del Convertidor DC-DC: El primer objetivo consiste en diseñar y simular un convertidor DC-DC DAB resonante que cumpla con los requisitos de eficiencia y estabilidad necesarios para operar en una microrred DC. Este proceso implica la elaboración de un modelo teórico del convertidor, seguido por su implementación en una plataforma de simulación. Se realizarán estudios de los principios de funcionamiento del diseño resonante y la mejora de la eficiencia del sistema. Las simulaciones permitirán validar el diseño y realizar los ajustes necesarios antes de la implementación física. • Paralelización Convertidores DC-DC: El segundo objetivo es llevar a cabo la configuración del hardware del convertidor DC-DC diseñado, detallando la interconexión de los convertidores en paralelo dentro de la microrred DC. Se realizarán pruebas iniciales para asegurar que el hardware funcione correctamente, obteniendo conclusiones sobre el correcto funcionamiento del equipo. Estos objetivos están orientados a garantizar que el convertidor no solo sea teóricamente viable, sino también práctico y efectivo en aplicaciones reales, contribuyendo así al avance en el campo de la energía renovable y la eficiencia energética. 1.3 Alcance Se ha dividido el alcance del proyecto con respecto a los objetivos marcados: •Objetivo 1: Diseño y Simulación del Convertidor DC-DC –Elección de la Topología y Comparación con Otras: ∗Selección de la topología de convertidor DC-DC Dual Active Bridge (DAB) resonante. ∗ Comparación de la topología seleccionada con otras topologías de convertidores DC-DC en términos de eficiencia, estabilidad y rendimiento. –Simulación: ∗Implementación del modelo en una plataforma de simulación. ∗ Realización de simulaciones para validar el diseño y ajustar parámetros para mejorar la eficiencia y estabilidad. –Implementación de Estrategias de Control Avanzadas: ∗ Diseño y aplicación de estrategias de control avanzadas para optimizar el rendimiento del convertidor. ∗ Simulación y evaluación de las estrategias de control para garantizar un funcionamiento óptimo. •Objetivo 2: Paralelización Convertidores DC-DC –Interconexión en Paralelo: ∗Montaje y configuración del hardware del convertidor DC-DC diseñado. ∗Interconexión de los convertidores en paralelo dentro de la microrred DC. –Realización del Protocolo de Pruebas: ∗Desarrollo de un protocolo de pruebas para evaluar el rendimiento del hardware. –Análisis de resultados: ∗Evaluación del rendimiento del convertidor mediante pruebas prácticas. ∗Comparación de los resultados prácticos obtenidos con los resultados de las simulaciones. 1.4 Organización del documento 3 1.4 Organización del documento La memoria se ha organizado en diferentes capítulos: • En primer lugar, se presenta el contexto del proyecto, los objetivos específicos y el alcance del mismo, así como una descripción general de la estructura del documento. • Se introducen los conceptos fundamentales relacionados con los convertidores DC-DC, incluyendo la topología Dual Active Bridge (DAB) y los principios de conmutación de voltaje cero (ZVS) y corriente cero (ZCS). Además, se detallan los aspectos clave del diseño resonante. • Más adelante, se describe el proceso de montaje del hardware del convertidor DC-DC diseñado y la interconexión de los convertidores en paralelo dentro de la microrred DC. • Se desarrollan las estrategias de control para los convertidores DAB y se validan mediante simulaciones detalladas. • Se detallan los protocolos de pruebas realizados para evaluar el rendimiento del convertidor. Incluye la descripción de los resultados obtenidos, el análisis de la eficiencia y el rendimiento del sistema. • Después, se comparan los resultados obtenidos con los objetivos planteados, se discute sobre el cumplimiento de las especificaciones técnicas. • Y por último, se presentan las conclusiones derivadas del proyecto, la aplicación del convertidor en el contexto de una microrred DC y las líneas futuras de investigación. 2 Fundamentos teóricos P ara facilitar la comprensión del proyecto en sí, se va a hacer una breve explicación de los convertidores de potencia DC-DC junto con la topología elegida para esta aplicación y la explicación del diseño resonante. 2.1 Introducción a los convertidores DC-DC Los convertidores DC-DC son dispositivos electrónicos que convierten un nivel de voltaje de continua (DC) en otro nivel de voltaje DC. Son fundamentales en aplicaciones donde se requiere cambiar el voltaje de una fuente de alimentación para adaptarse a las necesidades de diversos componentes electrónicos [ 5 ]. Estos convertidores son ampliamente utilizados en sistemas de energía renovable, fuentes de alimentación de dispositivos electrónicos, vehículos eléctricos, y en muchos otros campos. Existen varias topologías de convertidores DC-DC, cada una diseñada para satisfacer diferentes requerimientos de eficiencia, tamaño y costo. Entre las topologías más comunes se encuentran los convertidores Buck (Reductor), Boost (Elevador), Buck-Boost (Reductor-Elevador), Cuk, SEPIC (Single-Ended Primary-Inductor Converter) y Flyback. Cada una de estas topologías tiene sus propias características y aplicaciones específicas. [3] •Buck (Reductor): –Función: Reduce la tensión de entrada a una tensión de salida más baja. –Aplicaciones: Reguladores de voltaje para microprocesadores y otros circuitos electrónicos. •Boost (Elevador): –Función: Eleva la tensión de entrada a una tensión de salida más alta. – Aplicaciones: Sistemas de alimentación para dispositivos que requieren un voltaje mayor que el suministrado por la fuente de entrada, como en algunas aplicaciones de energía solar. •Buck-Boost (Reductor-Elevador): – Función: Puede aumentar o reducir la tensión de entrada dependiendo de la relación entre la entrada y la salida. – Aplicaciones: Situaciones donde la tensión de salida necesita ser ajustada tanto por encima como por debajo de la tensión de entrada. •Cuk: – Función: Convierte una tensión de entrada positiva a una tensión de salida negativa o viceversa. También puede funcionar como un convertidor aislado. 5 6Capítulo 2. Fundamentos teóricos – Aplicaciones: Sistemas donde se necesita una inversión de polaridad o un aislamiento galvánico. •SEPIC (Single-Ended Primary-Inductor Converter): –Función: Similar al Buck-Boost pero con una mejor respuesta de ripple de corriente de entrada. – Aplicaciones: Alimentaciones donde la tensión de salida debe ser ajustada a un valor mayor o menor que la tensión de entrada con una menor fluctuación en la corriente de entrada. •Flyback: – Función: Aísla el circuito de entrada del circuito de salida y puede aumentar o reducir la tensión. – Aplicaciones: Alimentaciones de potencia aisladas como en fuentes de alimentación para dispositivos electrónicos. Para nuestro tipo de aplicación, hemos optado por utilizar una topología diferente, el convertidor Dual Active Bridge (DAB) resonante. Esta decisión se basa en las ventajas específicas que ofrece el DAB resonante en términos de eficiencia y rendimiento general. El convertidor DAB es especialmente adecuado para aplicaciones donde se requiere una transferencia de energía altamente eficiente y controlada entre dos fuentes de voltaje. 2.2 Principios de operación del convertidor Dual Active Bridge (DAB) El DAB resonante es una variante del DAB convencional, que incorpora una red resonante para mejorar la eficiencia y reducir las pérdidas de conmutación. Esta topología es ideal para aplicaciones que demandan alta eficiencia y minimización del ruido electromagnético. El DAB está compuesto por dos puentes activos conectados a través de un transformador de alta frecuencia. Esta configuración permite la transferencia eficiente de energía entre dos fuentes de voltaje.[4] El funcionamiento del DAB se basa en la modulación de fase, donde la energía se transfiere a través del transformador cuando las señales de los puentes están desfasadas. La cantidad de energía transferida depende del ángulo de desfase, lo que proporciona un control preciso sobre la transferencia de energía. Además, el DAB es capaz de operar en ambas direcciones, lo que lo hace ideal para aplicaciones como sistemas de almacenamiento de energía y vehículos eléctricos. Figura 2.1 Esquema de la topología Dual Active Bridge (DAB) resonante [12]. La eficiencia de un convertidor DAB puede mejorarse significativamente mediante la implementación de técnicas de conmutación suave, como la conmutación de Voltaje Cero (ZVS) y la conmutación de Corriente Cero (ZCS). Estas técnicas reducen las pérdidas de conmutación que ocurren cuando los interruptores del convertidor cambian de estado (encendido a apagado y viceversa). 2.2 Principios de operación del convertidor Dual Active Bridge (DAB) 7 2.2.1 Principios de Conmutación de Voltaje Cero (ZVS) En ZVS, los interruptores cambian de estado cuando el voltaje a través de ellos es cero. Esto elimina las pérdidas de energía asociadas con la descarga de la capacitancia parásita del interruptor, resultando en una operación más eficiente y con menos generación de calor. Figura 2.2 Ilustración gráfica de la técnica ZVS [11]. 2.2.2 Principios de Conmutación de Corriente Cero (ZCS) En ZCS, los interruptores cambian de estado cuando la corriente que fluye a través de ellos es cero. Esto minimiza las pérdidas de energía debido a la resistencia de los interruptores y reduce el estrés térmico en los componentes del convertidor. Figura 2.3 Ilustración gráfica de la técnica ZCS [11]. La implementación de ZVS y ZCS en un convertidor DAB requiere un diseño cuidadoso del circuito de control y del transformador, asegurando que las condiciones de conmutación suave se mantengan durante el rango de operación [2]. 14 Capítulo 3. Diseño del Convertidor y segura, cumpliendo con todas las especificaciones eléctricas necesarias. La PCB diseñada facilita la integración de los condensadores en el tanque resonante, asegurando una disposición ordenada y efectiva de los componentes. Además, esta configuración está sobredimensionada, por lo que no tendremos problemas en cuanto a la tensión y corriente máximas soportadas. 3.2.5 DSP para el Control del Convertidor Para el control del convertidor se ha utilizado el DSP LAUNCHXL-F28379D de Texas Instruments. Este dispositivo es una plataforma potente y flexible diseñada para aplicaciones avanzadas de control y procesamiento de señal. A continuación, se detallan algunas de sus características principales: • Procesador de 32 bits: El F28379D cuenta con un procesador de 32 bits con una arquitectura C28x y dos CPUs que permiten un alto rendimiento y eficiencia en el procesamiento de control y señal. • Frecuencia de Operación: Puede operar a una frecuencia de hasta 200 MHz, lo que proporciona la velocidad necesaria para aplicaciones de control en tiempo real. • Unidades de Punto Flotante (FPU): Incluye unidades de punto flotante, lo que mejora la precisión y el rendimiento en cálculos matemáticos complejos. •Memoria: Dispone de una memoria de 1 MB de Flash y 204 KB de RAM. • Módulos de Control de Motores y PWM: Integra módulos específicos para el control de motores y generación de PWM, esenciales para el manejo eficiente de los MOSFETs en el convertidor. • Conversores ADC de Alta Resolución: Cuenta con convertidores ADC de alta resolución (12 y 16 bits), para la adquisición precisa de señales analógicas. • Interfaces de Comunicación: Incluye múltiples interfaces de comunicación como CAN, SPI, I2C y UART, facilitando la integración con otros sistemas y dispositivos. El uso del LAUNCHXL-F28379D permite implementar algoritmos de control avanzados y asegura una respuesta rápida y precisa en el manejo del convertidor. 3.2.6 Fusibles Para la elección de los fusibles, es fundamental considerar el valor de corriente al cual queremos que actúen y el tiempo de respuesta. Se ha seleccionado el fusible Altech 63C22X58GI de 63A de cerámica. Esta elección se basa en el hecho de que la corriente máxima de pico prevista en el sistema es de 50A. Por lo tanto, se ha optado por un fusible con un valor nominal ligeramente superior, es decir, 63A, para asegurar que el fusible actúe adecuadamente en caso de sobrecarga y proteja el sistema de posibles daños. Este fusible garantiza la protección del circuito sin intervenir en las corrientes de operación normales, proporcionando un margen de seguridad adecuado para la corriente máxima esperada. 3.2.7 Contactores Para la elección de los contactores, es esencial considerar varios aspectos. En primer lugar, se debe tener en cuenta el poder de corte de la tensión con la que se va a trabajar, y en segundo lugar, la tensión de maniobra 3.2 Elección y Cálculo de los Componentes 15 necesaria para su operación. Se ha optado por los contactores LEV200H5ANA de Texas Instruments. Esta elección se basa en su capacidad para manejar las tensiones y corrientes requeridas por el sistema. En total, se utilizarán cinco contactores (cuatro para als entradas y salidas DC y otro para la precarga) para asegurar una operación segura y eficiente. Tabla 3.11 Características del contactor. Características del contactor Magnitud Valor Unidades Rango Tensión Operación 12-900 Vdc Corriente Continua Nominal 500 A Estos contactores son adecuados para cortar la tensión de operación del sistema y manejar la corriente continua requerida, garantizando una actuación fiable y segura en las condiciones de operación especificadas. 3.2.8 Seta de Emergencia Para garantizar la seguridad del sistema, se ha decidido incluir una seta de emergencia que permite habilitar y deshabilitar la tensión de los contactores de manera rápida y segura. El modelo elegido es el XB4BS8442 de Schneider Electric, perteneciente a la serie Harmony. Este botón de emergencia cuenta con contacto normalmente cerrado (NC) y es adecuado para montaje en panel con un diámetro de 22.5 mm. Adicionalmente, se ha incluido la placa de inscripción ZBY9320 de Schneider Electric, también de la serie Harmony XB, para proporcionar una identificación clara y visible del botón de emergencia. Esta configuración asegura que los operadores puedan desactivar rápidamente el sistema en caso de emergencia, mejorando así la seguridad general del entorno operativo. 3.2.9 Sensores de Corriente Para la medición de corriente en el sistema, se utilizarán dos tipos de sensores. Con ellos se medirá la corriente en diferentes puntos del convertidor, específicamente en el lado interno. Un sensor medirá la corriente individual que sale o entra de cada convertidor, mientras que el otro medirá la corriente total que entra o sale del conjunto de todos los convertidores en paralelo. Dado que el sensor que mide la corriente total necesitará un rango mayor que el sensor individual, se utilizarán estos dos tipos de sensores. Sensor de Corriente Individual Para la medición de la corriente individual de cada convertidor, se ha elegido el sensor LA-55-P. Este sensor es adecuado para medir corrientes más bajas y proporciona una alta precisión necesaria para el control y monitoreo de cada convertidor individualmente. Todos los sensores de corriente necesitan una etapa de adaptación para asegurar lecturas precisas y confiables. La etapa de adaptación de este sensor se muestra en la siguiente figura: 16 Capítulo 3. Diseño del Convertidor Tabla 3.12 Características Sensor LA-55-P. Características Sensor LA-55-P Magnitud Valor Unidades Corriente nominal primaria RMS 50 A Rango de medición de corriente 0 a ±70 A Relación de transformación 1:1000 Banda de frecuencia DC a 200 kHz Temperatura de operación -40 a 85 °C Figura 3.1 Etapa de adaptación sensor de corriente LA-55-P. Sensor de Corriente Total Para la medición de la corriente total que entra o sale del conjunto de todos los convertidores en paralelo, se ha seleccionado el sensor LF-310-S. Este sensor tiene un rango mayor para poder manejar las corrientes combinadas de todos los convertidores. Tabla 3.13 Características Sensor LF-310-S. Características Sensor LF-310-S Magnitud Valor Unidades Corriente nominal primaria RMS 300 A Rango de medición de corriente -500 a 500 A Relación de transformación 1:2000 Banda de frecuencia 100 kHz Temperatura de operación -40 a 85 °C La etapa de adaptación de este sensor se muestra en la siguiente figura: 3.2 Elección y Cálculo de los Componentes 17 Figura 3.2 Etapa de adaptación sensor de corriente LF-310-S. Con estos sensores, se garantiza un monitoreo y control eficiente de las corrientes en el sistema, tanto a nivel individual de cada convertidor como a nivel total del conjunto en paralelo. 3.2.10 Sensores de Tensión Para la medición de tensión, es crucial considerar los parámetros de diseño. El sensor seleccionado es el LEM LV 25-P, cuyas características son: Tabla 3.14 Características LEM LV 25-P. Características LEM LV 25-P Magnitud Valor Unidades IPN10 mA VPN10-500 V Este sensor mide corriente, por lo que se requiere una resistencia para medir la tensión a través de ella. El datasheet del sensor proporciona el valor de resistencia necesario para esta conversión. Después de realizar los cálculos, se ha determinado el uso de dos resistencias de 47 kW(una en cada polo) de 23W, lo que permite la lectura de tensiones de hasta 800 V. 18 Capítulo 3. Diseño del Convertidor Las medidas de tensión que se van a realizar son las siguientes: •Tensión antes de los contactores en ambos lados del convertidor. •Tensión después de los contactores en ambos lados del convertidor. Además, a la salida del sensor se necesita una etapa de adaptación para asegurar que las lecturas sean precisas y adecuadas para el sistema de control. Figura 3.3 Etapa de adaptación sensor de tensión LEM LV 25-P. 3.2.11 Sensores de Temperatura Para la medición de la temperatura en el sistema, se utilizarán sensores NTC ALUG02A472G de VISHAY. Estos sensores son resistencias con coeficiente de temperatura negativo, lo que significa que su resistencia disminuye a medida que la temperatura aumenta. Tabla 3.15 Características LEM LV 25-P. Características de los Sensores NTC Magnitud Valor Unidades Valor de resistencia 4.7K a 100K Ω Rango de temperatura de operación -55 a +125 °C Las mediciones de temperatura necesarias para nuestro equipo son: •Temperatura de los MOSFETs del lado externo. •Temperatura de los MOSFETs del lado interno. Al igual que otros sensores, los sensores de temperatura NTC requieren una etapa de adaptación de señal para asegurar lecturas precisas y confiables. A continuación, se presenta un esquema de la etapa de adaptación de señal para los sensores de temperatura: 3.3 Interconexión en Paralelo de los Convertidores 19 Figura 3.4 Etapa de adaptación sensor de temperatura NTC ALUG02A472G. Esta adaptación es crucial para mantener la precisión y la fiabilidad de las mediciones de temperatura, asegurando un monitoreo y control óptimos de las condiciones térmicas del sistema. 3.3 Interconexión en Paralelo de los Convertidores Como se ha explicado en apartados anteriores, la implementación de varios convertidores en paralelo es esencial para alcanzar la potencia requerida por la microrred DC. Para lograr esto, los buses DC de cada convertidor se unirán tanto por el lado externo como por el lado interno. Esta configuración permite incrementar la potencia suministrada al combinar varios módulos, lo que amplía la capacidad total del sistema. El control implementado en el sistema se encargará de gestionar esta distribución de potencia, garantizando una operación eficiente y equilibrada. A continuación, se incluirá una imagen que ilustra la interconexión de los tres convertidores en paralelo. Figura 3.5 Esquema configuración paralelo convertidores DC-DC. Este enfoque no solo optimiza la eficiencia del sistema, sino que también mejora la estabilidad y la redundancia, ya que la falla de un convertidor no compromete la operación global de la microrred. 4 Diseño del Sistema de Control Para profundizar en las ecuaciones que relacionan la potencia de salida DC en un convertidor CLLC con control de desfase entre puentes, es útil empezar con una comprensión básica del análisis del primer armónico y las aproximaciones utilizadas en la teoría de los convertidores resonantes. 4.1 Análisis del Primer Armónico El análisis del primer armónico (First Harmonic Approximation, FHA) simplifica el estudio de los convertidores resonantes al considerar únicamente el primer armónico de la señal resonante. Esto permite obtener una representación sinusoidal de la forma de onda resonante, simplificando así el análisis del circuito [8]. Al considerar solo el primer armónico, se pueden derivar ecuaciones más manejables que describen el comportamiento del convertidor bajo condiciones de operación resonante. Esto facilita el diseño de estrategias de control que optimizan la transferencia de potencia y la eficiencia del sistema. La FHA es especialmente útil en la etapa inicial de diseño y análisis, proporcionando una base sólida para el desarrollo de controladores más complejos y precisos. 4.2 Convertidor CLLC y Control de Desfase Un convertidor CLLC consta de dos redes resonantes LC en serie: una en el lado primario y otra en el lado secundario del transformador. El control de desfase entre los puentes del lado primario y secundario se utiliza para regular la transferencia de potencia [7]. El control de desfase es una técnica esencial que permite ajustar la cantidad de energía transferida entre el primario y el secundario del transformador, modulando el ángulo de fase entre las señales de conmutación de los puentes. Esta técnica no solo mejora la eficiencia de conversión, sino que también proporciona un control preciso sobre la tensión y la corriente de salida, adaptándose a las variaciones de carga y manteniendo la estabilidad del sistema. 4.3 Ecuaciones Fundamentales 4.3.1 Circuito Resonante Primario y Secundario Las ecuaciones para las redes resonantes en el lado primario y secundario son: 21 22 Capítulo 4. Diseño del Sistema de Control Zres =R+jωL−1 ωC Donde: •Zres es la impedancia resonante. •Res la resistencia de la carga. •ωes la frecuencia angular. •Les la inductancia. •Ces la capacitancia. 4.3.2 Corriente Resonante Utilizando FHA, la corriente resonante en el circuito se puede expresar como: Ires =Vin Zres Donde Vin es el voltaje de entrada aplicado a la red resonante [10]. 4.3.3 Relación de Potencia y Desfase La potencia transferida en un convertidor CLLC puede ser modulada por el desfase ( δ ) entre los voltajes del lado primario ( Vpri ) y del lado secundario ( Vsec ). La potencia de salida ( Pout ) en función del desfase se puede expresar como: Pout =Vpri ·Vsec 2·Zres ·sin(δ) Donde: •Vpri es el voltaje primario. •Vsec es el voltaje secundario. •δes el ángulo de desfase entre los dos voltajes. 4.3.4 Desfase y Transferencia de Potencia Para un control de desfase específico, la relación entre el desfase ( δ ) y la potencia transferida ( Pout ) se puede detallar más considerando la relación de transformación del transformador (n): Vsec =n·Vpri 4.4 Análisis y Aproximación 23 Entonces la potencia de salida considerando la relación de transformación es: Pout =V2 pri ·n 2·Zres ·sin(δ) 4.4 Análisis y Aproximación Al aplicar la FHA, se asume que la frecuencia de operación está cerca de la frecuencia resonante, lo que minimiza el impacto de los armónicos superiores. La potencia de salida puede ser controlada eficazmente variando el ángulo de desfase (δ), lo que permite un control preciso de la transferencia de energía [6]. 4.5 Consideraciones Adicionales • La impedancia Zres es función de la frecuencia de resonancia, y debe diseñarse cuidadosamente para optimizar la eficiencia del convertidor. • El análisis del primer armónico es una aproximación; para un diseño preciso, es necesario considerar efectos de armónicos superiores y pérdidas en componentes reales [9]. El análisis del primer armónico proporciona una herramienta poderosa para diseñar y controlar convertidores CLLC. Mediante el ajuste del desfase entre puentes, es posible controlar la potencia de salida de manera eficiente.[7]. 4.6 Estrategias de Control para los Convertidores El objetivo de la paralelización es, manteniendo la tensión DC en el lado externo del convertidor, controlar tanto la tensión DC como la corriente DC en el lado interno. Para lograr esto, se implementarán diversas estrategias de control. En la Figura 4.1 se muestra el diagrama de control utilizado. 30 Capítulo 4. Diseño del Sistema de Control •Parámetros del Controlador PI: –Kp=7×10−9 –Ki=0.8×10−11 Este método consiste en incrementar la ganancia proporcional hasta que el sistema alcance un punto de oscilación estable. Una vez determinada la ganancia crítica Kc y el período de oscilación Pc , se establece Kp como Kp=Kc. Para establecer Ki , se utiliza la relación Ki=Kp Ti , donde Ti es el tiempo integral, calculado como una fracción del período de oscilación Pc. La figura 4.11 muestra la respuesta temporal de la tensión de salida del convertidor cuando se aplica el controlador PI. Figura 4.11 Respuesta temporal del control de tensión.Unidades: Tensión (V), tiempo (s). Para ello, hemos usado en la salida del convertidor una carga de 200 Ω . Para comprobar el correcto funcionamiento del control, se han realizado tres cambios de referencia. • La referencia inicial se ha establecido en 550 V (tensión nominal del convertidor). Podemos observar que el sistema tarda aproximadamente 5 ms en alcanzar la referencia. • En t=0.02 s, se ha incrementado la referencia a 650 V, a la cual el sistema tarda aproximadamente 4 ms en llegar. •En t=0.032 s, la referencia se ha ajustado a 700 V, alcanzándose esta en unos 4 ms. • Finalmente, en t=0.051 s, la referencia se ha reducido nuevamente a 550 V, y el sistema tarda aproximadamente 6 ms en estabilizarse en esta nueva referencia. En la gráfica se pueden observar los siguientes puntos clave: • Tiempo de Establecimiento: El tiempo necesario para que la tensión de salida alcance la nueva referencia es relativamente corto, indicando una respuesta rápida del sistema. 4.7 Simulaciones y validación del control 31 • Precisión: La tensión de salida se mantiene cercana a la referencia, lo que demuestra la precisión del controlador PI. • Oscilaciones: Se observan pequeñas oscilaciones alrededor de las referencias, especialmente justo después de los cambios de referencia. Estas oscilaciones son normales y están dentro de límites aceptables. A continuación se muestra la potencia que da el sistema para estos cambios de referencia. Figura 4.12 Respuesta temporal de la potencia con control de tensión.Unidades: Potencia (W), tiempo (s). Se pueden observar los siguientes aspectos: • Ajustes de Potencia: Cada cambio en la referencia de tensión provoca un ajuste en la potencia de salida. • Estabilidad: A pesar de las variaciones en la referencia de tensión, el sistema muestra una capacidad robusta para estabilizar la potencia de salida rápidamente. • Eficiencia: La gráfica también muestra que el sistema mantiene una eficiencia adecuada durante todo el proceso, sin grandes pérdidas de potencia. Figura 4.13 Respuesta temporal del desfase con control de tensión. Unidades: Desfase (º), tiempo (s). En la gráfica de la respuesta del desfase, podemos observar los cambios que se producen al cambiar la referencia, estabilizándose en los siguientes valores: •Para Vref. = 550, el desfase se establece en 3.31º. 32 Capítulo 4. Diseño del Sistema de Control •Para Vref. = 650, el desfase se establece en 4.97º. •Para Vref. = 700, el desfase se establece en 5.68º. •Para Vref. = 550, el desfase se establece en 3.31ºde nuevo. En conclusión, los resultados de las simulaciones demuestran la eficacia del controlador PI para mantener la tensión de salida en los valores de referencia establecidos, asegurando un funcionamiento estable y eficiente del convertidor. 4.7.2 Simulación del Control de Corriente En esta simulación, se implementa el controlador PI para regular la corriente de salida del convertidor. La configuración del controlador y los resultados obtenidos se describen a continuación. Al igual que en el control de tensión, se ha vuelto a usar el método de oscilación para hallar las constantes del controlador PI en el control de corriente. •Parámetros del Controlador PI: –Kp=2×10−9 –Ki=0.6×10−10 La figura 4.14 muestra la respuesta temporal de la corriente de salida del convertidor cuando se aplica el controlador PI. Figura 4.14 Respuesta temporal del control de corriente.Unidades: Corriente (A), tiempo (s). Para esta simulación, se ha utilizado en la salida del convertidor una carga de valor casi infinito y se ha impuesto la tensión mediante una fuente de 550 V a la salida. Para comprobar el correcto funcionamiento del control, se han realizado cuatro cambios de referencia. • La referencia inicial se ha establecido en 30 A . Podemos observar que el sistema tarda aproximadamente 4.8 ms en alcanzar la referencia. 4.7 Simulaciones y validación del control 33 • En t=0.022 s, se ha incrementado la referencia a 50 A, a la cual el sistema tarda aproximadamente 5.3 ms en llegar. •En t=0.031 s, la referencia se ha ajustado a 100 A, alcanzándose esta en unos 6.5 ms. • En t=0.043 s, la referencia se ha reducido a 20 A (salto de 80 A), y el sistema tarda aproximadamente 7.57 ms en estabilizarse en esta nueva referencia. • Por último, en t=0.054 s, le hemos dado al sistema una referencia negativa (-30 A), es decir, para que mueva corriente en el sentido contrario, y alcanza la referencia en 6.1 ms. A continuación se muestra la potencia que aporta el sistema para estos cambios de referencia. Figura 4.15 Respuesta temporal de la potencia con control de corriente.Unidades: Potencia (W), tiempo (s). Se pueden observar los siguientes aspectos: • Ajustes de Potencia: Cada cambio en la referencia de corriente provoca un ajuste en la potencia de salida. • Estabilidad: A pesar de las variaciones en la referencia de corriente, el sistema muestra una capacidad robusta para estabilizar la potencia de salida rápidamente. • Eficiencia: La gráfica también muestra que el sistema mantiene una eficiencia adecuada durante todo el proceso, sin grandes pérdidas de potencia. Figura 4.16 Respuesta temporal del desfase con control de corriente.Unidades: Desfase (º), tiempo (s). 34 Capítulo 4. Diseño del Sistema de Control En la gráfica de la respuesta del desfase, podemos observar los cambios que se producen al cambiar la referencia, estabilizándose en los siguientes valores: •Para Iref = 30 A, el desfase se establece en 9.27º. •Para Iref = 50 A, el desfase se establece en 15.82º. •Para Iref = 90 A, el desfase se establece en 29.75º. •Para Iref = 20 A, el desfase se establece en 6.31º •Para Iref = -30 A, el desfase se establece en -9.02º En conclusión, los resultados de las simulaciones demuestran la eficacia del controlador PI para mantener la corriente de salida en los valores de referencia establecidos, asegurando un funcionamiento estable y eficiente del convertidor. 4.7.3 Análisis de Resultados En este apartado, se presenta el análisis de los resultados obtenidos de las simulaciones, evaluando tanto el rendimiento del sistema como el principio de conmutación de los convertidores. A continuación se comentan las gráficas que muestran estos aspectos clave. Rendimiento del Sistema La figura 4.17 muestra el rendimiento del sistema durante su funcionamiento. El rendimiento se define como la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada del convertidor. Figura 4.17 Rendimiento del sistema durante la operación. Aspectos a Destacar: • Estabilidad del Rendimiento: La gráfica muestra que el rendimiento del sistema se mantiene estable a lo largo del tiempo. Esto indica que el sistema es eficiente y no presenta pérdidas significativas durante su operación. • Eficiencia Alta: El rendimiento llega hasta el 98.67%, demostrando que la mayor parte de la energía de entrada se convierte en energía útil de salida, reflejando una alta eficiencia del convertidor. Principio de Conmutación de los Convertidores La figura 4.18 muestra las tensiones y corrientes en AC en ambos lados del transformador. Se puede observar que se cumple el principio de Zero Current Switching (ZCS), explicado al principio de la memoria. 4.7 Simulaciones y validación del control 35 Figura 4.18 Tensión y corriente en AC en ambos lados del transformador.Unidades: Tensión (V), Corriente (A), tiempo (s). Aspectos a Destacar: • Zero Current Switching (ZCS): La gráfica muestra claramente cómo la corriente en AC pasa por cero antes de que se realice la conmutación de los interruptores. Esto minimiza las pérdidas de conmutación y reduce el estrés en los componentes, aumentando la vida útil del sistema. • Tensión en AC: Las tensiones en AC en ambos lados del transformador se comportan de manera adecuada, siguiendo el patrón esperado de la conmutación resonante. • Desfase entre puentes: Se puede observar el desfase que se produce entre ambos lados del transformador, lo que conlleva a un movimiento de la corriente desde el lado más adelantado hacia el menos adelantado. En conclusión, los resultados obtenidos demuestran que el sistema de control implementado no solo mantiene la estabilidad y eficiencia del convertidor, sino que también asegura una conmutación suave y efectiva a través del principio de Zero Current Switching (ZCS). Estos resultados validan la robustez y eficiencia del diseño propuesto. 5 Puesta en Marcha y Tests 5.1 Equipamiento y Herramientas Utilizadas En este apartado se detallan los equipos y herramientas utilizados para llevar a cabo los tests y validaciones del sistema de convertidores. En la figura 5.1 se muestra un esquema de la bancada utilizada para realizar dichos tests. Figura 5.1 Bancada de prueba de los convertidores DC-DC resonantes. A continuación se presenta una lista del equipamiento empleado: • Fuentes de alimentación ITECH: Las fuentes de alimentación programables ITECH de la serie IT6000B son conocidas por su alta precisión, fiabilidad y capacidad para simular diversas condiciones de carga. Permiten el ajuste fino de tensión y corriente, lo que es esencial para pruebas detalladas y precisas en sistemas de conversión de energía. – Modelo: IT6018B – Rango de Tensión: 0 - 1500 V. – Rango de Corriente: -240 A a +240 A. 37 38 Capítulo 5. Puesta en Marcha y Tests – Rango de Potencia: -108 kW a +108 kW. – Interfaz: Dispone de interfaces de control remoto como USB, RS232, GPIB y Ethernet, facilitando su integración en entornos de prueba automatizados. Figura 5.2 Fuentes de alimentación ITECH. •Osciloscopio Yokogawa: – Frecuencia de Muestreo: Alta frecuencia de muestreo de hasta 2.5 GS/s que permite la captura de detalles finos en las formas de onda. – Ancho de Banda: Ancho de banda amplio de 500 MHz para cubrir una variedad de aplicaciones, desde señales de baja frecuencia hasta alta frecuencia. – Canales: Múltiples canales de entrada (4 analógicos y 16 digitales). – Conectividad: Opciones de conectividad como USB, Ethernet y GPIB para la transferencia de datos y el control remoto del osciloscopio. – Modelo: DLM4058 5.1 Equipamiento y Herramientas Utilizadas 39 Figura 5.3 Osciloscopio Yokogawa. •Sondas de Tensión Cal Test: – Modelo: CT4079-NA – Rango de Medición: Hasta 15 kV DC o 30 kV AC. – Ancho de Banda: 50 MHz. – Ratio de Atenuación: Seleccionable entre 200x y 2000x. Figura 5.4 Sonda de Tensión Cal Test. •Sondas de Corriente Yokogawa: – Modelo: 701931 – Rango de Medición: Hasta 500 A. – Precisión: Alta precisión con una salida de 0.01 V/A. Figura 5.5 Sonda de Corriente Yokogawa. 46 Capítulo 5. Puesta en Marcha y Tests Figura 5.15 Mediciones en la fuente externa del convertidor. Al igual que en el Test 1, volvemos a calcular el rendimiento del sistema para este punto de operación: η=Pout Pin ×100% =10.762kW 11.060kW ×100% =97.3% (5.3) Podemos observar que para tensión y corriente nominal, el rendimiento del sistema es ligeramente superior que en las condiciones del primer test. Los resultados del Test demuestran que el convertidor es capaz de seguir y mantener las referencias de corriente proporcionadas de manera precisa, ajustando el desfase en consecuencia. Las mediciones de potencia y corriente confirman que el sistema opera de manera eficiente y estable bajo las condiciones del test. 5.2.3 Test 3: Operación en Paralelo con Tres Convertidores En este test se han conectado tres convertidores en paralelo, uno de ellos operando en modo control de tensión y los otros dos en modo control de corriente. El objetivo es verificar la capacidad del sistema para distribuir la carga de corriente de manera equitativa y mantener la tensión deseada. Se han realizado varios cambios en la referencia de corriente para verificar la respuesta del sistema. Las referencias de corriente se aplican mediante variaciones en la carga conectada a la salida. Los valores que se han usado para el Test son: •Carga de 35 Ω(15 A) •Carga de 55 Ω(10 A) •Carga de 110 Ω(5 A) •Carga de 200 Ω(2.5 A) Para esta prueba, se utilizó el sensor LF 310-S para medir el valor de corriente total inyectada en el lado interno del convertidor. Cada convertidor está equipado con un sensor individual LA 55-P, que mide la corriente suministrada por ese convertidor específico. La referencia de corriente para cada convertidor se estableció como un tercio de la corriente total del lado interno, con el fin de distribuir equitativamente la corriente entre los tres convertidores. A continuación, se presentan los resultados obtenidos durante el test. 5.2 Protocolo de Pruebas 47 Figura 5.16 Tensión y corriente medidas en el equipo de control de corriente. En esta imagen se han obtenidos los valores medidos de tensión en el lado externa del convertidor en el Canal 1 (señal verde), la tensión en ellado interno en el Canal 2 (señal amarilla) y la corriente DC del lado interno por uno de los tres convertidores en el Canal 7 (señal azul). Podemos observar como antes perturbaciones (cambio del valor de la carga) la tensión permanece constante y estable. Para analizar el funcionamiento individual de cada equipo, se recogieron datos utilizando el protocolo de comunicación Modbus TCP (Modbus Poll). Esto permitió observar el comportamiento de cada convertidor. Corriente Individual de Cada Equipo Las Figuras 5.17, 5.18 y 5.19 muestran la corriente individual medida para cada uno de los equipos. Figura 5.17 Corriente individual del Convertidor 1 (control de tensión). 48 Capítulo 5. Puesta en Marcha y Tests Figura 5.18 Corriente individual del Convertidor 2 (control de corriente). Figura 5.19 Corriente individual del Convertidor 3 (control de corriente). Las gráficas muestran que cada convertidor ajusta su corriente de acuerdo con las referencias establecidas, aportando cada uno de ellos un tercio de la corriente medida en el sensor de corriente total en el lado interno del convertidor. Desfase de Cada Equipo Las Figuras 5.20, 5.21 y 5.22 muestran el desfase aplicado por cada uno de los convertidores durante el test. 5.2 Protocolo de Pruebas 49 Figura 5.20 Desfase del Convertidor 1 (control de tensión). Figura 5.21 Desfase del Convertidor 2 (control de corriente). 50 Capítulo 5. Puesta en Marcha y Tests Figura 5.22 Desfase del Convertidor 3 (control de corriente). En las gráficas de desfase, se puede observar cómo cada convertidor ajusta su desfase en respuesta a los cambios en la referencia de corriente, manteniendo la estabilidad del sistema. Para verificar el reparto equitativo de la corriente, vamos a representar en una misma gráfica los datos sacados de corriente de cada convertidor individual y la corriente total aportada por los tres convertidores. Corriente Individual y Total de los Equipos En la Figura 5.23 se muestra la corriente medida para cada uno de los convertidores y la corriente total del sistema. Figura 5.23 Corriente individual y total de los equipos. 5.3 Conclusión de los Resultados Obtenidos 51 Se observa como los tres convertidores están distribuyendo correctamente la potencia aportada. También se puede ver que a medida que nos acercamos a los valores nominales de corriente, el reparto es más equitativo. Podemos ver una ligera diferencia entre la suma de cada corriente individual con respecto a la corriente total. Esto se debe a un margen de error en la calibración de cada sensor, por lo que la suma nunca será exacta. Conclusión Los resultados del test demuestran la capacidad del sistema de control para operar de manera estable y eficiente en una configuración paralela de convertidores. Los convertidores ajustaron correctamente sus corrientes y desfases, manteniendo la tensión deseada y distribuyendo equitativamente la carga. Tensiones AC a cada lado del Transformador y Corriente AC Similar a la simulación, se han medido las tensiones AC en ambos lados del convertidor para asegurar que los valores se mantengan dentro de los rangos esperados. Además, se ha medido la corriente AC para verificar el cumplimiento del principio de conmutación sin corriente (ZCS). Este procedimiento es crucial para asegurar una conmutación eficiente y reducir las pérdidas en el sistema. Figura 5.24 Tensiones AC a cada lado del convertidor y Corriente AC. En la Figura 5.24 se puede observar cómo hemos logrado este funcionamiento, mostrando la correcta implementación del principio de ZCS y la estabilidad de las tensiones AC medidas. 5.3 Conclusión de los Resultados Obtenidos A continuación, se presentan las conclusiones generales de los tres tests. • Estabilidad del Control de Tensión: Tanto en el Test 1 como en el Test 3, el sistema de convertidores mostró una excelente capacidad para mantener una tensión constante de 550 V en el lado interno del convertidor, a pesar de las variaciones significativas en la carga. La respuesta del sistema fue rápida y precisa, ajustando el desfase necesario para mantener la estabilidad de la tensión. • Precisión en el Control de Corriente: Tanto el Test 2 como el 3, demuestran que el convertidor es capaz de seguir y mantener referencias de corriente con precisión. Los cambios en la referencia de 52 Capítulo 5. Puesta en Marcha y Tests corriente fueron seguidos de manera eficiente, con tiempos de establecimiento cortos y oscilaciones mínimas. Esto valida la efectividad del controlador PI implementado para el control de corriente. • Operación en Paralelo: En el Test 3, se evaluó la capacidad del sistema para operar con tres convertidores conectados en paralelo. Los resultados mostraron que los convertidores distribuyeron la carga de corriente de manera equitativa, ajustando correctamente sus corrientes y desfases en respuesta a las variaciones de carga. La estabilidad del sistema se mantuvo, y la distribución de la corriente fue especialmente equitativa con valores cercanos a las corrientes nominales. • Rendimiento del Sistema: Los Tests de rendimiento realizados en diferentes condiciones de operación indicaron eficiencias satisfactorias. En el Test 1, el rendimiento del sistema fue del 95.1% para una carga de 75 Ω . En el Test 2, el rendimiento alcanzó el 97.3% a corriente nominal. Estos resultados validan la eficiencia energética del sistema de convertidores. • Robustez y Fiabilidad: En todos los tests, el sistema mostró ser robusto y fiable, respondiendo adecuadamente a las perturbaciones y manteniendo la estabilidad de las variables controladas. La capacidad del sistema para operar en diferentes modos de control y configuraciones sin comprometer la estabilidad o la precisión es un indicador de su fiabilidad para aplicaciones prácticas en sistemas de conversión de energía. 6 Conclusiones A ctualmente, los sistemas de microrredes DC están ganando una relevancia significativa debido a su capacidad para integrar fuentes de energía renovable y mejorar la eficiencia energética. Este trabajo ha presentado el desarrollo, simulación y prueba de un convertidor DC-DC DAB resonante para su posible implementación en una microrred DC. A continuación, se resumen las conclusiones obtenidas. 6.1 Conclusiones Generales del Proyecto 1. Diseño y Simulación del Convertidor: • Elección de la Topología: Se seleccionó la topología de convertidor DC-DC Dual Active Bridge (DAB) resonante, destacando su alta eficiencia y capacidad para mantener la estabilidad de tensión y corriente bajo diferentes condiciones de carga. • Validación Mediante Simulaciones: Las simulaciones realizadas confirmaron que el convertidor puede mantener una alta eficiencia energética (hasta un 98.67%) y estabilidad en la conmutación mediante el principio de Zero Current Switching (ZCS). Esto minimiza las pérdidas de conmutación y reduce el estrés en los componentes, aumentando la vida útil del sistema. 2. Control y Operación del Convertidor: • Control de Tensión: Se demostró que el convertidor puede mantener una tensión constante de 550 V en el lado interno del convertidor a pesar de las variaciones significativas en la carga, gracias a la implementación efectiva del control de desfase. • Control de Corriente: Las pruebas indicaron que el convertidor es capaz de seguir y mantener referencias de corriente con precisión, con tiempos de establecimiento cortos y oscilaciones mínimas. Esto valida la efectividad del controlador PI implementado. 3. Pruebas y Validación del Sistema: • Operación en Paralelo: La capacidad del sistema para operar con tres convertidores conectados en paralelo fue evaluada y validada. Los convertidores distribuyeron la carga de corriente de manera equitativa, ajustando correctamente sus corrientes y desfases en respuesta a las variaciones de carga. • Rendimiento del Sistema: En diversas condiciones de operación, el sistema mostró eficiencias satisfactorias, alcanzando hasta un 97.3% a corriente nominal. Estos resultados confirman la eficiencia energética del sistema de convertidores. 53 54 Capítulo 6. Conclusiones • Robustez y Fiabilidad: El sistema demostró ser robusto y fiable en todos los tests, respondiendo adecuadamente a las perturbaciones y manteniendo la estabilidad de las variables controladas. Esto indica que el sistema es adecuado para aplicaciones prácticas en sistemas de conversión de energía. 6.2 Aplicación del Convertidor en el Contexto de una Microrred DC Los convertidores DC-DC DAB resonantes, como el desarrollado en este proyecto, presentan una amplia gama de aplicaciones en el contexto de microrredes DC debido a sus características de alta eficiencia, capacidad de control preciso y operación en paralelo. Algunas de las principales aplicaciones son: • Integración de Energías Renovables: Los convertidores pueden ser utilizados para integrar fuentes de energía renovable, como paneles solares, a una microrred DC. La capacidad de mantener una tensión constante y de ajustar la corriente según las condiciones de generación hace que estos convertidores sean ideales para gestionar la variabilidad inherente de las fuentes renovables. • Sistemas de Almacenamiento de Energía: También pueden ser aplicados para gestionar sistemas de almacenamiento de energía, como baterías y supercondensadores. Estos convertidores pueden controlar eficientemente la carga y descarga de los sistemas de almacenamiento, optimizando el uso de la energía almacenada y mejorando la estabilidad de la microrred. • Vehículos Eléctricos: Pueden ser utilizados en la infraestructura de carga de vehículos eléctricos, proporcionando un control preciso de la tensión y la corriente durante el proceso de carga. • Distribución de Energía: La capacidad de operar múltiples convertidores en paralelo, como se demostró en las pruebas, permite distribuir equitativamente la carga entre varios convertidores. Esto es útil en aplicaciones de distribución de energía dentro de edificios inteligentes, centros de datos y sistemas de telecomunicaciones, donde la demanda de energía puede variar significativamente. 6.3 Líneas Futuras de Investigación A partir de los resultados obtenidos, se identifican varias líneas futuras de investigación que pueden contribuir a mejorar aún más el rendimiento y la aplicabilidad del convertidor en microrredes DC: • Optimización del Control: Investigar y desarrollar algoritmos de control avanzados, como el control predictivo y el control adaptativo, que puedan mejorar la respuesta del sistema a cambios rápidos en la carga y las condiciones de operación. • Análisis de Fiabilidad: Realizar estudios de fiabilidad y durabilidad del convertidor en condiciones de operación prolongadas y bajo diferentes escenarios de carga, para garantizar su robustez y longevidad en aplicaciones reales. • Reducción de Costos: Investigar métodos para reducir los costos de fabricación y mantenimiento del convertidor, haciendo uso de componentes más económicos y técnicas de diseño eficientes. Estas líneas de investigación pueden proporcionar mejoras significativas en el rendimiento, la eficiencia y la viabilidad económica de los convertidores DC-DC DAB resonantes en microrredes DC. Continuar explorando estas áreas contribuirá al avance de la tecnología de microrredes y al desarrollo de soluciones energéticas sostenibles y eficientes. Bibliografía [1] Tze-Zhang Ang, Mohamed Salem, Mohamad Kamarol, Himadry Shekhar Das, Mohammad Alhuyi Nazari, and Natarajan Prabaharan, A comprehensive study of renewable energy sources: Classifications, challenges and suggestions, Energy Strategy Reviews 43 (2022). [2] Danilo Bregolin, Paolo Mattavelli, and Leonardo Rossetto, An overview of zero-voltage-switching techniques for high-frequency isolated dc–dc converters, IEEE Transactions on Power Electronics 32 (2016), no. 1, 764–779. [3] Robert W. Erickson and Dragan Maksimovic, Fundamentals of power electronics, Springer, 2017. 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