Diseño e implementación de un convertidor CC-CA monofásico con un control tipo grid-forming para aplicaciones vehicle to home

Abstract

El presente trabajo de investigación desarrolla una estrategia de control de formación de red o grid forming (GFM) por sus siglas en inglés, implementado en un convertidor monofásico de dos etapas de conversión CC-CA que consiste en un convertidor de doble puente activo resonante-serie (DABSR) en cascada con un inversor de fuente de voltaje (VSI), ambas etapas están enlazadas mediante un capacitor de 700μF. Esta estrategia de control se compara con otra ampliamente utilizada, la estrategia de control de seguimiento de la red o grid following (GFL) por sus siglas en ingles. Mientras que utilizando la estrategia de control GFL, el convertidor actúa como una fuente de corriente controlada que inyecta o recibe potencia hacia o desde la red; utilizando la estrategia de control GFM, el convertidor actúa como una fuente de tensión que forma su propia red, tanto amplitud como fase, esto permite que los convertidores puedan operar en modo aislado y en modo conectado a la red, lo cual es una característica fundamental para las aplicaciones vehicle to home (V2H). En esta tesis se analizan y diseñan ambas estrategias de control bajo requerimientos y condiciones de hardware similares. Se analiza y diseña cada lazo de control: potencia activa, potencia reactiva, voltaje en el bus CC, corriente CA, corriente de la batería y sincronización con la red. Los resultados en simulación muestran una mejor respuesta dinámica del convertidor GFM en comparación con el convertidor GFL. Mientras que la dinámica de potencia activa en el convertidor GLF está influenciada por la corriente de la batería, que puede presentar un nivel de ruido considerable, la dinámica de potencia activa en el convertidor GFM se modela con base en la ecuación de balanceo de un generador síncrono y se controla en la etapa CC-CA, de esta manera, su dinámica no está influenciada directamente por la corriente de la batería. En cuanto a potencia reactiva, el convertidor GFL presenta una dinámica rápida con un sobreimpulso considerable, mientras que el convertidor GFM presenta una dinámica más lenta, pero sin sobreimpulso. Por otro lado, en el bus CC, el convertidor GFL presenta un sobreimpulso mayor en comparación con el convertidor GFM. La estrategia de control GFM se implementa en un prototipo de convertidor con una potencia nominal de 2200 VAR. Los ensayos se realizan para ambos modos de operación. En el modo aislado, se varía la carga del convertidor desde el 20% hasta el 40% de su potencia nominal para evaluar la respuesta del sistema de control. En la experimentación en modo conectado, aparece un offset en la corriente de la red debido a la baja calidad de la energía, para superar este problema, se adiciona un controlador PI en paralelo al controlador de la corriente de la red. Con esta modificación se elimina el offset en la corriente de la red y el convertidor opera de manera normal. Además, en el modo conectado, se varia la frecuencia de la red para evaluar la respuesta del controlador por pendiente, que compensa variaciones de frecuencia mediante la regulación de la potencia activa. Los resultados experimentales muestran respuestas satisfactorias del convertidor GFM en ambos modos de operación.