Técnicas de control para la conexión en paralelo de inversores aplicadas a convertidores de interconexión entre los buses de CC y CA de microrredes híbridas e inversores fotovoltaicos centralizados de alta potencia.

[ES] En este trabajo se proponen técnicas de control específicas para la paralelización de inversores sin transformador conectados a red, en aplicaciones de interconexión de buses de microrredes híbridas e instalaciones fotovoltaicas de gran potencia. La paralelización de inversores presenta múltiples ventajas como la modularidad, la redundancia o la flexibilidad para ampliar la potencia de un sistema o de una instalación. En el caso de inversores fotovoltaicos centralizados, también permite la conexión/desconexión de módulos inversores conectados en paralelo permitiendo una mayor eficiencia global cuando se trabaja a bajas potencias. Sin embargo, la paralelización de inversores provoca la aparición de corrientes de circulación que pueden provocar efectos indeseables en el sistema o en la instalación. Las contribuciones que se llevan a cabo en esta tesis están todas ellas orientadas a la mejora de la operación de inversores en paralelo en las aplicaciones descritas y son las siguientes: 1) Se presenta un modelo preciso en pequeña señal de n inversores conectados en paralelo con filtro de conexión a red LCL, en el cual se tienen en consideración los términos de acoplamiento entre fases de los inductores trifásicos. 2) Se propone una técnica de control en la que se emplean n-1 lazos de regulación que controlan la componente homopolar de las corrientes e imponen un valor nulo en régimen permanente, a fin de eliminar las corrientes de circulación. 3) Se propone el uso de moduladores en espacio vectorial de tres dimensiones (3D-SVM) para implementar el control de la componente homopolar de las corrientes. 4) Se muestran resultados analíticos, de simulación y experimentales que validan el esquema de control propuesto considerando la aparición de corrientes de circulación debido a distintos factores: desbalanceo de inductancias entre las fases de un inversor y de distintos inversores, desbalanceo de potencia entre inversores y empleo de modulaciones distintas en los inversores conectados en paralelo. Los ensayos experimentales se realizan sobre un convertidor trifásico de 10 kW formado por la conexión en paralelo de dos módulos de 5 kW cada uno. 5) Se muestran resultados de simulación y experimentales de la aplicación de las técnicas de reducción de corrientes de circulación a convertidores de interconexión entre los buses de alterna y continua de microrredes híbridas. Los ensayos experimentales se particularizan a un convertidor trifásico de 7.5 kW formado por un módulo de 5 kW y otro de 2.5 kW conectados en paralelo, emulando una eventual ampliación de potencia del 50%. 6) Se lleva a cabo el estudio por simulación de un sistema fotovoltaico de 2 MW compuesto por cuatro inversores de 500 kW conectados en paralelo, demostrando que el control de las componentes homopolares de las corrientes reduce en gran medida el valor de las corrientes de circulación y mejora el desempeño de la instalación. 7) Por último, se propone una técnica de control para mejorar la eficiencia global de inversores fotovoltaicos centralizados de potencia elevada, el cual se basa en la utilización de modelos funcionales bidimensionales de eficiencia para activar/desactivar los módulos de potencia en función del punto de operación del campo fotovoltaico.[CA] En aquest treball es proposen tècniques de control específiques per a la paral·lelització d'inversors sense transformador connectats a la xarxa, en aplicacions d'interconnexió de busos de micro-xarxes híbrides i instal·lacions fotovoltaiques de gran potència. La paral·lelització d'inversors presenta múltiples avantatges com ara són la modularitat, la redundància o la flexibilitat per ampliar la potència d'un sistema o d'una instal·lació. En el cas d'inversors fotovoltaics centralitzats, també es permet la connexió/desconnexió de mòduls inversors connectats en paral·lel permetent una major eficiència global quan es treballa a potències baixes. En canvi, la paral·lelització d'inversors provoca l'aparició de corrents de circulació que poden provocar efectes indesitjables en el sistema o en la instal·lació. Totes les contribucions que es porten a terme en aquesta tesi estan orientades a la millora de la operació de inversors en paral·lel en les aplicacions descrites i son les següents: 1)Es presenta un model precís en xicoteta senyal de n inversors connectats en paral·lel amb filtre LCL de connexió a xarxa, en el qual es tenen en consideració els termes d'acoblament entre fases dels inductors trifàsics. 2) Es proposa una tècnica de control en la que s'usen n-1 llaços de regulació que controlen la component homopolar de les corrents i imposen un valor nul en règim permanent, a la fi d'eliminar les corrents de circulació. 3) Es proposa l'ús de moduladors en espai vectorial de tres dimensions (3D SVM) per implementar el control de la component homopolar de les corrents. 4) Es mostren resultats analítics, de simulació i experimentals els quals validen l'esquema de control proposat considerant l'aparició de corrents de circulació degut a diversos factors: desbalanceig d'inductàncies entre les fases d'un inversor i de distints inversors, desbalanceig de potència entre inversors i ús de modulacions distintes en els inversors connectats en paral·lel. Els assajos experimentals es realitzen sobre un inversor trifàsic de 10 kW format per la connexió en paral·lel de dos mòduls de 5 kW cadascun. 5) Es mostren resultats de simulació i experimentals de l'aplicació de les tècniques de reducció de corrents de circulació a convertidors d'interconnexió entre els busos d'alterna i contínua de micro-xarxes híbrides. Els assajos experimentals es particularitzen a un convertidor trifàsic de 7.5 kW format per un mòdul de 5 kW i altre de 2.5 kW connectats en paral·lel, emulant una eventual ampliació de potència del 50 %. 6) Es duu a terme l'estudi per simulació d'un sistema fotovoltaic de 2 MW format per quatre inversors de 500 kW connectats en paral·lel demostrant que el control de les components homopolars de les corrents redueixen en gran mesura el valor de les corrents de circulació i millora l'acompliment de la instal·lació. 7) Per últim, es proposa una tècnica de control per a la millora de l'eficiència global d'inversors fotovoltaics centralitzats de potència elevada, el qual es basa en la utilització de models funcionals bidimensionals d'eficiència per activar/desactivar els mòduls de potència en funció del punt d'operació del camp fotovoltaic.[EN] In this work they have been proposed specific control techniques for the parallelization of transformerless inverters connected to the grid in two specific applications: i) the interlinking converter between ac and dc bus of hybrid microgrids and ii) high power photovoltaic farms. Paralleling of inverters presents some advantages as modularity, redundancy or flexibility for increasing the power of a system or of a plant. In photovoltaic centralized inverters, the parallel inverters can be connected and disconnected in order to improve the global efficiency when the system works at low power. However, the inverters paralleling causes the appearance of circulating currents which can produce undesirable effects in the system or in the plant. The contributions that are carried out in this thesis are all of them aimed at improving the operation of parallel inverters in the described applications and they are as follows: 1) It has been presented an accurate small signal model of n parallel inverters with an LCL grid filter, in which the mutual coupling terms of the three-phase inductors has been considered. 2) It has been proposed a control technique with n-1 control loops that control the zero-sequence current component by setting a zero value in steady state, looking for eliminating the circulating currents. 3) It has been proposed the use of three-dimension space vector modulator (3D SVM) to implement the zero-sequence currents control. 4) The analytical results have been validated by means of simulation and experimental results, showing the performance of the proposed control scheme considering the appearance of circulating currents due to different factors: i) inductor imbalances between the phases of an inverter or ii) between different inverters, iii) power imbalances between inverters and iv) the use of different modulation techniques in the parallel inverters. The experimental tests have been carried out on a 10 kW three-phase converter composed by the parallel connection of two 5 kW modules. 5) They have been shown both simulation and experimental results of the application of circulating current reduction techniques to interlinking converters between the DC and the AC buses of hybrid microgrids. The experimental tests have been particularized to a 7.5 kW three-phase converter composed by a 5 kW and a 2.5 kW module connected in parallel, emulating an eventual 50 % power expansion. 6) Is has been carried out the simulation study of a 2 MW photovoltaic system composed by four 500 kW inverters connected in parallel, showing that the control of the zero-sequence currents greatly reduces the value of the circulating currents and improve the system performance. 7) Finally, it has been proposed a control technique for the improvement of the global efficiency of high power photovoltaic centralized inverters, which is based in the use of bidimensional functional efficiency models to activate/deactivate the power modules according to the operation point of the photovoltaic farm.Liberos Mascarell, MA. (2021). Técnicas de control para la conexión en paralelo de inversores aplicadas a convertidores de interconexión entre los buses de CC y CA de microrredes híbridas e inversores fotovoltaicos centralizados de alta potencia [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/168190TESI

A Method to Enhance the Global Efficiency of High-Power Photovoltaic Inverters Connected in Parallel

[EN] Central inverters are usually employed in large photovoltaic farms because they offer a good compromise between costs and efficiency. However, inverters based on a single power stage have poor efficiency in the low power range, when the irradiation conditions are low. For that reason, an extended solution has been the parallel connection of several inverter modules that manage a fraction of the full power. Besides other benefits, this power architecture can improve the efficiency of the whole system by connecting or disconnecting the modules depending on the amount of managed power. In this work, a control technique is proposed that maximizes the global efficiency of this kind of systems. The developed algorithm uses a functional model of the inverters¿ efficiency to decide the number of modules on stream. This model takes into account both the power that is instantaneously processed and the maximum power point tracking (MPPT) voltage that is applied to the photovoltaic field. A comparative study of several models of efficiency for photovoltaic inverters is carried out, showing that bidimensional models are the best choice for this kind of systems. The proposed algorithm has been evaluated by considering the real characteristics of commercial inverters, showing that a significant improvement of the global efficiency is obtained at the low power range in the case of sunny days. Moreover, the proposed technique dramatically improves the global efficiency in cloudy days.This work is supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (MINECO), the European Regional Development Fund (ERDF) under Grants ENE2015-64087-C2-2-R and RTI2018-100732-B-C21, and the Spanish Ministry of Education (FPU15/01274).Liberos-Mascarell, MA.; González-Medina, R.; Garcerá, G.; Figueres Amorós, E. (2019). A Method to Enhance the Global Efficiency of High-Power Photovoltaic Inverters Connected in Parallel. Energies. 12(11):1-19. https://doi.org/10.3390/en12112219S1191211Wu, H., Locment, F., & Sechilariu, M. (2019). Experimental Implementation of a Flexible PV Power Control Mechanism in a DC Microgrid. Energies, 12(7), 1233. doi:10.3390/en12071233Strzalka, A., Alam, N., Duminil, E., Coors, V., & Eicker, U. (2012). Large scale integration of photovoltaics in cities. Applied Energy, 93, 413-421. doi:10.1016/j.apenergy.2011.12.033Zhang, P., Li, W., Li, S., Wang, Y., & Xiao, W. (2013). Reliability assessment of photovoltaic power systems: Review of current status and future perspectives. Applied Energy, 104, 822-833. doi:10.1016/j.apenergy.2012.12.010Kim, Y. S., Kang, S.-M., & Winston, R. (2011). Modeling of a concentrating photovoltaic system for optimum land use. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 21(2), 240-249. doi:10.1002/pip.1176Müller, B., Hardt, L., Armbruster, A., Kiefer, K., & Reise, C. (2015). Yield predictions for photovoltaic power plants: empirical validation, recent advances and remaining uncertainties. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 24(4), 570-583. doi:10.1002/pip.2616Borrega, M., Marroyo, L., Gonzalez, R., Balda, J., & Agorreta, J. L. (2013). Modeling and Control of a Master–Slave PV Inverter With N-Paralleled Inverters and Three-Phase Three-Limb Inductors. IEEE Transactions on Power Electronics, 28(6), 2842-2855. doi:10.1109/tpel.2012.2220859Araujo, S. V., Zacharias, P., & Mallwitz, R. (2010). Highly Efficient Single-Phase Transformerless Inverters for Grid-Connected Photovoltaic Systems. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 57(9), 3118-3128. doi:10.1109/tie.2009.2037654Mohd, A., Ortjohann, E., Morton, D., & Omari, O. (2010). Review of control techniques for inverters parallel operation. Electric Power Systems Research, 80(12), 1477-1487. doi:10.1016/j.epsr.2010.06.009Su, J.-T., & Liu, C.-W. (2013). A Novel Phase-Shedding Control Scheme for Improved Light Load Efficiency of Multiphase Interleaved DC–DC Converters. IEEE Transactions on Power Electronics, 28(10), 4742-4752. doi:10.1109/tpel.2012.2233220Ahn, Y., Jeon, I., & Roh, J. (2014). A Multiphase Buck Converter With a Rotating Phase-Shedding Scheme For Efficient Light-Load Control. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 49(11), 2673-2683. doi:10.1109/jssc.2014.2360400Peng, H., Anderson, D. I., & Hella, M. M. (2013). A 100 MHz Two-Phase Four-Segment DC-DC Converter With Light Load Efficiency Enhancement in 0.18/spl mu/m CMOS. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 60(8), 2213-2224. doi:10.1109/tcsi.2013.2239157Costabeber, A., Mattavelli, P., & Saggini, S. (2010). Digital Time-Optimal Phase Shedding in Multiphase Buck Converters. IEEE Transactions on Power Electronics, 25(9), 2242-2247. doi:10.1109/tpel.2010.2049374Sánchez Reinoso, C. R., Milone, D. H., & Buitrago, R. H. (2013). Simulation of photovoltaic centrals with dynamic shading. Applied Energy, 103, 278-289. doi:10.1016/j.apenergy.2012.09.040Muñoz, J., Martínez-Moreno, F., & Lorenzo, E. (2010). On-site characterisation and energy efficiency of grid-connected PV inverters. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 19(2), 192-201. doi:10.1002/pip.997Davila-Gomez, L., Colmenar-Santos, A., Tawfik, M., & Castro-Gil, M. (2014). An accurate model for simulating energetic behavior of PV grid connected inverters. Simulation Modelling Practice and Theory, 49, 57-72. doi:10.1016/j.simpat.2014.08.001Rampinelli, G. A., Krenzinger, A., & Chenlo Romero, F. (2014). Mathematical models for efficiency of inverters used in grid connected photovoltaic systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 34, 578-587. doi:10.1016/j.rser.2014.03.047MathWorks Statistics and Machine Learning Toolboxhttps://www.mathworks.co

A Control Scheme without Sensors at the PV Source for Cost and Size Reduction in Two-Stage Grid Connected Inverters

[EN] In order to reduce the cost of PV facilities, the market requires low cost and highly reliable PV inverters, which must comply with several regulations. Some research has focused on decreasing the distortion of the current injected into the grid, reducing the size of the DC-link capacitors and removing sensors, while keeping a good performance of the maximum power point tracking (MPPT) algorithms. Although those objectives are different, all of them are linked to the inverter DC-link voltage control loop. Both the reduction of the DC-link capacitance and the use of sensorless MPPTalgorithms require a voltage control loop faster than that of conventional implementations in order to perform properly, but the distortion of the current injected into the grid might rise as a result. This research studies a complete solution for two-stage grid-connected PV inverters, based on the features of second-order generalized integrators. The experimental tests show that the proposed implementation has a performance similar to that of the conventional control of two-stage PV inverters but at a much lower cost.This work has been co-financed by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (MINECO) and by the European Regional Development Fund (ERDF) under Grant ENE2015-64087-C2-2-R and by the Spanish Ministry of Science, Innovation and University (MICINN) and the European Regional Development Fund (ERDF) under Grant RTI2018-100732-B-C21. The European Regional Development Fund (ERDF) and the Generalitat Valenciana (GVA) financed the purchase of the Cinergia GE&EL 50 grid emulator and electronic load used during the experimental part of this work under Grant IDIFEDER/2018/036.González-Medina, R.; Liberos-Mascarell, MA.; Marzal Romeu, S.; Figueres Amorós, E.; Garcerá, G. (2019). A Control Scheme without Sensors at the PV Source for Cost and Size Reduction in Two-Stage Grid Connected Inverters. Energies. 12(15):1-21. https://doi.org/10.3390/en12152955S121121

Sistema de registre d'un pseudo-ECG multipolar en preparacions experimentals de cor aïllat. Adquisició i monitorització de senyals amb LabView

L’objectiu principal d’aquest treball és l’adquisició, visualització en temps real i l’enregistrament de les dotze senyals d’ECG mitjançant un mòdul amplificador existent i una targeta d’adquisició de dades amb entorn LabView. Per a la visualització correcta de la senyal a la interfície es realitzarà el processat de la senyal necessari i s’implementarà un filtrat digital de soroll. Addicionalment a l’aplicació com a pseudo-ECG, també ha de permetre el seu ús com a eina per al registre i representació de senyals electrofisiològiques en general. L’entorn resultant déu ser versàtil per a que es puga emprar de forma específica per a pseudo- ECG, registre elèctric de contacte (endo o epicàrdic), o com a complement amb sistemes de registre disponibles al laboratori com el sistema òptic. El treball inclou d’una banda la integració al sistema d’instruments disponibles al Laboratori d’electrofisiologia, i d’altra la prova i ajust dels amplificadors del mòdul amplificador de huit canals i el disseny i implementació del joc de cables necessaris per al funcionament del sistema com a pseudo-ECG.Liberos Mascarell, MA. (2014). Sistema de registre d'un pseudo-ECG multipolar en preparacions experimentals de cor aïllat. Adquisició i monitorització de senyals amb LabView. Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/49719Archivo delegad

Modelado y control de convertidores de interxonexión entre los buses de CC y CA de microrredes híbridas operando en modo conexión a red.

[ES] La red eléctrica, a día de hoy, tiene una distribución muy centralizada en la que los puntos de gener ación, consumo y almacenamiento se encuentran muy alejados entre sí . Este hecho produce fallos de suministro y pérdidas importantes en el transporte y distribución de la energía . El Grupo de Sistemas Electrónicos Industriales de la Universit at Politècnica de València, grupo en el que se realiza el presente trabajo, tiene abierta una línea de investigación relacionada con las microrredes. Una microrred es una red local constituida por generadores distribuidos, sistemas de alm acenamiento de energía y carga s que pueden trabajar en modo d e conexión a red o en modo isla. Este trabajo se focaliza en las microrredes híbridas, unas redes en las que se dispone de un bus de continua enlazado a un bus de alterna a través de convertidores de potencia. El objetivo pr incipal del trabajo es el de controlar dos convertidores conectados en paralelo que enlazan el bus de continua y el bus de alterna en modo de operación de conexión a red, siendo los dos convertidores, los encargados de fijar la tensión en el bus de continu a. En el trabajo se modelan los convertidores conectados en paralelo en un marco de referencias síncrono. Se modela el sistema considerando un filtrado de los armónicos en la red mediante filtros L y m ediante filtros LCL. Se diseña n los reguladores propor cionales integrales de los lazos de regulación internos de corriente y del lazo externo de tensión mediante M atlab . Se diseñan considerando los distintos casos de filtrado y de sensado de corrientes, antes del filtro, en el lado de la red, o en el lado del convertidor. Finalmente, se simulan los resultados mediantes PSIM comprobando que hay un reparto equitativo de corrientes ente los convertidores y comprobando que se ha conseguido anular la corriente de circulación presente en los convertidores que se co nectan en paralelo. Se emplea una modulación espacial tridimensional implementada en un bloque de programación en C de PSIM[CA] Modelat i Control de Convertidors d'INTERCONEXIÓN entre els BUSES de CC i CA de MICRORREDES Hibrides operant en modo conexio a xarciaLiberos Mascarell, MA. (2016). Modelado y control de convertidores de interxonexión entre los buses de CC y CA de microrredes híbridas operando en modo conexión a red. Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/74254TFG

Desarrollo de competencias profesionales en las prácticas de laboratorio/taller

Resumen de los autoresUniversidad Politécnica de ValenciaA nivel universitario la formación basada en competencias supone un cambio en la metodología docente y en los modelos de evaluación. Partiendo de este respecto, este artículo propone el desarrollo de competencias profesionales de manera particular en las aulas de laboratorio/taller. Para ello, se analiza el contexto de esta competencia y se define una metodología para su desarrollo en las aulas prácticas. Como resultado se define un marco de actuación para la promoción de esta competencia de una manera más conectada al mundo laboral en el aula.ES