Detecció d'illa per a inversors controlats per tensió connectats a xarxa

Premi al millor Projecte de Fi de Carrera presentat durant l'any 2014 en l'àmbit d'Innovació en Energia Elèctrica que atorga la CÀTEDRA ENDESA REDAnti-islanding, algorisme de detecció d'illa per a inversors connectats a xarxa. Qualsevol inversor que pugui treballar en contacte amb la xarxa, ha de poder detectar amb celeritat i sota qualsevol condició, quan la xarxa deixa d'estar present en el punt de connexió. Aquesta, no és una necessitat capritxosa, sinó una condició a favor de la seguretat i la gestió del conjunt de la xarxa elèctrica, amb legislació vigent ja en molts països. No té sentit, que quan el gestor elèctric manté una part del sistema fora de servei per avaria o manteniment, que la presència de tercers elements la mantinguin energitzada. Els algorismes d'anti-islanding ja existeixen i ja estan implementats en la majoria d'inversors dedicats a injectar a la xarxa, l'energia provinent de les fonts renovables, sobretot en el cas de la solar. Tots aquests inversors però, són convertidors en font de tensió controlats per corrent (CC-VSC), aptes només per treballar contra la xarxa, essent incapaços de generar tensions controlades en illa. El repte d'aquest projecte és la implementació d'un algorisme d'anti-islanding per a convertidors en font de tensió controlats per tensió (VC-VSC). Convertidors que tenen en la dualitat, la virtut de treballar en connexió a la xarxa o en illa, establint micro-xarxes aïllades. L'estudi de les característiques dels inversors controlats per tensió, serà per tant un dels punts forts d'aquest projecte, pel qual s'ha pogut comptar amb un convertidor trifàsic DC-AC de 90 kVA, com a client potencial, per provar les virtuts de la solució. En el primer capítol, s'ha realitzat un estudi del fenomen i dels mètodes d'anti-islanding més coneguts. En el segon capítol, s'ha fet un estudi sobre les diferències entre els convertidors controlats per corrent i per tensió, un dels punts forts d'aquest projecte per la necessitat d'adaptar metodologies esteses en el món dels CC-VSI, als VC-VSI. En el tercer capítol, s'ha finalitzat l'estudi del conflicte, amb l'anàlisi de la plataforma de treball. Un cop conegudes les característiques de l'equip destí de la solució, en el quart capítol s'ha fet una tria del mètode de detecció d'illa més apropiat i se n'han estudiat les característiques mitjançant simulacions, en el cinquè capítol, emprant MATLAB. Finalment en el sisè capítol, per tal de fer-lo operatiu, ha calgut adaptar el mètode a la planta real, per acabar concloent amb la viabilitat tecnològica del mateix: Detecció d'illa en menys de 100 ms. Tot plegat, sense oblidar fer front a altres àrees d'interés d'aquest projecte, presentades en els annexes com l'estudi econòmic, l'impacte ambiental, les normatives existents i altres eines usades en la solució, com el modelat d'algunes plantes i la transformada de Fourier.Award-winnin

Understanding the three and four-leg inverter Space Vector

This paper shows a new point of view of the classical voltage space vectors and its implications on three and four-leg converters. It is easy to find in the literature, authors using bi-dimensional and threedimensional representations of the converter states. Nonetheless, the literature rarely specifies what these spaces represent. Therefore, this paper proposes a wide analysis of the state voltages and its references for three-leg, three-leg four-wire and four-leg inverters, in favour of understanding the space vector behaviour under three and four-wire scenarios.Postprint (published version

A power sharing algorithm for a hybrid energy storage system based on batteries

© 2020 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other worksThis paper presents a method to operate a hybrid Energy Storage System (ESS) based on a heterogeneous grouping of battery types. In particular, the system is composed by a lithium-ion battery pack and a lead-acid one. The operational method is based on an optimization Non Linear Problem (NLP), which takes the name of power sharing algorithm. The aim of this algorithm is to fit the output of the hybrid ESS to the profile setpoint while minimizing degradation and taking advantage of main performance of each battery type. An exemplary study case is offered so as to proof the validity of the algorithm.Postprint (author's final draft

Accurate angle representation from misplaced hall-effect switch sensors for low-cost electric vehicle applications

© 2022 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting /republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other worksThis article presents an accurate method to determine the mandatory rotor position to control a permanent magnet synchronous machine from misplaced Hall-effect switch sensors. The main feature of this technique is the estimated speed from two consecutive edge transitions in the same phase to dodge the inaccurate information. Besides, when a new electrical cycle starts, a gradual compensation algorithm corrects the initial speed estimation to cancel the electrical angle error in order to prevent current distortions. Furthermore, a first-order Taylor series approximation estimates the rotor position from the compensated speed calculation, reducing the possible torque ripple and noise due to an inaccurate control strategy. The proposed method has been compared with other state-of-the-art approaches through simulation and experimental results obtained from a low-voltage powertrain, showing more straightforward implementation and delivering the best balance performance during steady-state and transient operation.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Impedance measurement and detection frequency bandwidth, a valid island detection proposal for voltage controlled inverters

Anti-islanding detection methods have been part of a secure operation for distributed energy resource inverters, avoiding the creation of non-intentional energization when the mains are lost. These detection mechanisms were conceived historically for current-controlled inverters. New control possibilities have broken ground, and current- or voltage-controlled inverters are a reality; however, special attention must be paid to detection strategies when applied to the latter ones. This paper addresses two topics: it exposes the lack of effectiveness of those detection algorithms based on the voltage/frequency displacement concept under voltage-controlled inverters and evaluates the applicability limits of the others based on the impedance measurement (IM). The IM is presented as a valid mechanism to achieve the islanding detection, but the exploration of its limits drives the concept of detection frequency bandwidth (DFBW), introduced in this paper. The DFBW is suggested as a practical approach to select the proper injection frequency to measure. Therefore, an improved strategy based on the IM and DFBW is proposed to allow achieving the detection towards (non-)resonant loads considering low computational burden. The results were experimentally validated in a 90-kVA four-wire voltage-controlled inverter, offering detection times of less than 100 ms in any case.Postprint (published version

Analytical dead-band compensation for ZCS modulation applied to hybrid Si-SiC dual active bridge

© 2020 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other worksThis paper proposes a triangular modulation with zero current switching (ZCS) for a hybrid Si-SiC isolated bidirectional DC-DC converter (IBDC). Three of the four legs in the IBDC operate at ZCS and use Si IGBTs, while the fourth operates at zero voltage switching (ZVS) and uses SiC MOSFET. In that case, the turn-off switching losses are concentrated regardless of the direction of the power. The main contribution of this paper resides in the proposed dead-band compensation mechanism. This dead-band compensation is crucial when addressing ZCS modulation and improves the overall efficiency of the full operating range. As a co-benefit, the proposed mix of semiconductor technologies can result in an effective cost reduction compared with a full SiC IBDC. The paper contains a detailed explanation of the implemented modulation applied to an IBDC. The paper contributes to deploy a theoretical implementation where the effect of parasitic capacitance on semiconductors during the dead-band is analytically considered. The presented method results are validated on a laboratory set-up using a 20 kW - 40 kHz hybrid Si-SiC IBDC.Postprint (author's final draft

A hybrid energy storage solution based on supercapacitors and batteries for the grid integration of utility scale photovoltaic plants

This paper presents a 2-level controller managing a hybrid energy storage solution (HESS) for the grid integration of photovoltaic (PV) plants in distribution grids. The HESS is based on the interconnection of a lead-acid battery pack and a supercapacitor pack through a modular power electronics cabinet. The inclusion of the HESS into the PV plant –and not an state-of-the-art energy storage system based on a single technology–, is motivated by the diversity of technical requirements for the provision of the services of grid peak power shaving and PV output power ramp limitation. The 2-level controller ensures a synergistic exploitation of the two storage technologies aiming for an optimal service level of the HESS and minimum battery degradation. The higher level of the controller is based on a mathematical optimization problem that solves with the optimal schedule of the storage technologies for peak power shaving purposes. The power setpoints of this optimization are then complemented by a real time controller managing PV plant output ramp limitation. The HESS performance and associated controller has been proved effective through two case studies. The first one adopts a 6.6 MW PV plant including a HESS solution combining a 5.5 MWh and 2.64 MW lead-acid battery pack with a 0.25 MWh and 1.32 MW supercapacitor pack. The second one reports experimental data from an analogous scenario scaled down to kW level and using a laboratory scale prototype for the HESS. All in all, the hardware and software solutions proposed in this paper contribute to a feasible exploitation of multi-purpose energy storages targeting the needs of renewables' and distribution system operators.Peer ReviewedPostprint (published version

Detecció d'illa per a inversors controlats per tensió connectats a xarxa

Premi al millor Projecte de Fi de Carrera presentat durant l'any 2014 en l'àmbit d'Innovació en Energia Elèctrica que atorga la CÀTEDRA ENDESA REDAnti-islanding, algorisme de detecció d'illa per a inversors connectats a xarxa. Qualsevol inversor que pugui treballar en contacte amb la xarxa, ha de poder detectar amb celeritat i sota qualsevol condició, quan la xarxa deixa d'estar present en el punt de connexió. Aquesta, no és una necessitat capritxosa, sinó una condició a favor de la seguretat i la gestió del conjunt de la xarxa elèctrica, amb legislació vigent ja en molts països. No té sentit, que quan el gestor elèctric manté una part del sistema fora de servei per avaria o manteniment, que la presència de tercers elements la mantinguin energitzada. Els algorismes d'anti-islanding ja existeixen i ja estan implementats en la majoria d'inversors dedicats a injectar a la xarxa, l'energia provinent de les fonts renovables, sobretot en el cas de la solar. Tots aquests inversors però, són convertidors en font de tensió controlats per corrent (CC-VSC), aptes només per treballar contra la xarxa, essent incapaços de generar tensions controlades en illa. El repte d'aquest projecte és la implementació d'un algorisme d'anti-islanding per a convertidors en font de tensió controlats per tensió (VC-VSC). Convertidors que tenen en la dualitat, la virtut de treballar en connexió a la xarxa o en illa, establint micro-xarxes aïllades. L'estudi de les característiques dels inversors controlats per tensió, serà per tant un dels punts forts d'aquest projecte, pel qual s'ha pogut comptar amb un convertidor trifàsic DC-AC de 90 kVA, com a client potencial, per provar les virtuts de la solució. En el primer capítol, s'ha realitzat un estudi del fenomen i dels mètodes d'anti-islanding més coneguts. En el segon capítol, s'ha fet un estudi sobre les diferències entre els convertidors controlats per corrent i per tensió, un dels punts forts d'aquest projecte per la necessitat d'adaptar metodologies esteses en el món dels CC-VSI, als VC-VSI. En el tercer capítol, s'ha finalitzat l'estudi del conflicte, amb l'anàlisi de la plataforma de treball. Un cop conegudes les característiques de l'equip destí de la solució, en el quart capítol s'ha fet una tria del mètode de detecció d'illa més apropiat i se n'han estudiat les característiques mitjançant simulacions, en el cinquè capítol, emprant MATLAB. Finalment en el sisè capítol, per tal de fer-lo operatiu, ha calgut adaptar el mètode a la planta real, per acabar concloent amb la viabilitat tecnològica del mateix: Detecció d'illa en menys de 100 ms. Tot plegat, sense oblidar fer front a altres àrees d'interés d'aquest projecte, presentades en els annexes com l'estudi econòmic, l'impacte ambiental, les normatives existents i altres eines usades en la solució, com el modelat d'algunes plantes i la transformada de Fourier.Award-winnin

Detecció d'illa per a inversors controlats per tensió connectats a xarxa

Premi al millor Projecte de Fi de Carrera presentat durant l'any 2014 en l'àmbit d'Innovació en Energia Elèctrica que atorga la CÀTEDRA ENDESA REDAnti-islanding, algorisme de detecció d'illa per a inversors connectats a xarxa. Qualsevol inversor que pugui treballar en contacte amb la xarxa, ha de poder detectar amb celeritat i sota qualsevol condició, quan la xarxa deixa d'estar present en el punt de connexió. Aquesta, no és una necessitat capritxosa, sinó una condició a favor de la seguretat i la gestió del conjunt de la xarxa elèctrica, amb legislació vigent ja en molts països. No té sentit, que quan el gestor elèctric manté una part del sistema fora de servei per avaria o manteniment, que la presència de tercers elements la mantinguin energitzada. Els algorismes d'anti-islanding ja existeixen i ja estan implementats en la majoria d'inversors dedicats a injectar a la xarxa, l'energia provinent de les fonts renovables, sobretot en el cas de la solar. Tots aquests inversors però, són convertidors en font de tensió controlats per corrent (CC-VSC), aptes només per treballar contra la xarxa, essent incapaços de generar tensions controlades en illa. El repte d'aquest projecte és la implementació d'un algorisme d'anti-islanding per a convertidors en font de tensió controlats per tensió (VC-VSC). Convertidors que tenen en la dualitat, la virtut de treballar en connexió a la xarxa o en illa, establint micro-xarxes aïllades. L'estudi de les característiques dels inversors controlats per tensió, serà per tant un dels punts forts d'aquest projecte, pel qual s'ha pogut comptar amb un convertidor trifàsic DC-AC de 90 kVA, com a client potencial, per provar les virtuts de la solució. En el primer capítol, s'ha realitzat un estudi del fenomen i dels mètodes d'anti-islanding més coneguts. En el segon capítol, s'ha fet un estudi sobre les diferències entre els convertidors controlats per corrent i per tensió, un dels punts forts d'aquest projecte per la necessitat d'adaptar metodologies esteses en el món dels CC-VSI, als VC-VSI. En el tercer capítol, s'ha finalitzat l'estudi del conflicte, amb l'anàlisi de la plataforma de treball. Un cop conegudes les característiques de l'equip destí de la solució, en el quart capítol s'ha fet una tria del mètode de detecció d'illa més apropiat i se n'han estudiat les característiques mitjançant simulacions, en el cinquè capítol, emprant MATLAB. Finalment en el sisè capítol, per tal de fer-lo operatiu, ha calgut adaptar el mètode a la planta real, per acabar concloent amb la viabilitat tecnològica del mateix: Detecció d'illa en menys de 100 ms. Tot plegat, sense oblidar fer front a altres àrees d'interés d'aquest projecte, presentades en els annexes com l'estudi econòmic, l'impacte ambiental, les normatives existents i altres eines usades en la solució, com el modelat d'algunes plantes i la transformada de Fourier.Award-winnin

La conmutación del inversor trifásico, estrategia y comprensión

Los inversores trifásicos llevan ya décadas presentes en la industria. La necesidad de sintetizar tensiones trifásicas sinusoidales desde un bus de continua, está presente tanto en la alimentación de cargas como en la inyección de energía a la red. Convertidores DC/AC, variadores de velocidad, etc… son equipos habituales altamente utilizados pero, ¿sabemos cómo dan forma a la tensión para obtener un sistema trifásico? De entre las múltiples estrategias existentes vamos a tratar de entender mejor las características y diferencias entre la conmutación por SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation) versus la conmutación por SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation)