Control de convertidores 3p4l para integración de sistemas de almacenamiento masivo de energía eléctrica en redes de baja tensión

Resumo

La necesidad de abandonar la producción eléctrica basada en combustibles fósiles altamente contaminantes está propiciando un cambio en el sistema eléctrico mundial, moviéndose de un sistema centralizado hacia una generación distribuida formada por generadores basados en energías renovables (paneles solaras, turbinas eólicas…). Una desventaja de estos sistemas es la intermitencia de la producción eléctrica. Por ejemplo, la velocidad del viento es altamente fluctuante, mientras que solo se dispone de energía solar durante el día. Esto lleva a que exista un desajuste entre la producción de energía y su consumo. Todo esto, unido a la necesidad de sistemas cada vez más estables y robustos, han aumentado el interés en sistemas de almacenamiento de energía masivos, permitiendo producir cuando sea posible y consumir cuando sea necesario. Estos sistemas de almacenamiento de energía varían mucho en cuanto operación, capacidad y propiedades dinámicas, y cada uno se ajusta más a diferentes tipos de aplicación. Entre los sistemas existentes, las baterías suponen uno de los más atractivos en el rango de almacenamiento de capacidad media, debido a su pequeño tamaño y rápida respuesta. Las propiedades de las baterías varían mucho en función de la química, siendo una de las más atractivas las baterías de litio, por su alta eficiencia, alto voltaje nominal de celda y buena energía específica. Por todo ello, las baterías que se estudian en esta tesis son baterías de litio, más concretamente del tipo LiFePO4. La integración de energías renovables con sistemas de almacenamiento de energía, unidos a la posibilidad de conectarse a la red eléctrica general conlleva una serie de problemas que hasta la fecha solo han sido parcialmente resueltos. Si la controlabilidad de estas unidades, en términos de algoritmos de sincronización y controladores de corriente, no se maneja cuidadosamente, puede llevar a inestabilidades y fallos. Debido a esto, en los últimos años la normativa de calidad de red se ha endurecido. Esta tesis presenta el desarrollo y control de un edificio autónomo que puede funcionar conectado a la red o aislado de ella. Incluye energías renovables, como son los paneles solares, y sistemas de almacenamiento de energía, como son las baterías. En concreto, el principal sistema de almacenamiento del edificio se basará en un pack de baterías de litio del tipo LiFePO4. Estas baterías tienen unas características superiores cuando se comparan con otros tipos, sobre todo en número de ciclos de vida, energía específica y seguridad. Esta tesis lleva a cabo un estudio del comportamiento de estas baterías con la temperatura. Más concretamente, su resistencia interna se usa para estimar la temperatura de estas cuando se conectan a distintos convertidores de potencia. Hay dos tipos de convertidores principales que se pueden emparejar con baterías. El primero sería el convertidor de potencia, que conecta las baterías con el resto del sistema. El segundo sería el convertidor que ecualiza las celdas que forman la batería de tal manera que todas ellas tengan la misma tensión. El convertidor de potencia que se encarga de generar la red del edificio, además de conectarlo o desconectarlo de la red, es un convertidor DC/AC de 3 fases y 4 ramas. Esta configuración permite una mejor controlabilidad del sistema y además permite el control de la componente homopolar que se genera cuando se conectan cargas monofásicas (como por ejemplo pantallas o electrodomésticos). De esta manera se elimina la necesidad de transformadores de baja frecuencia, generalmente grandes y pesados. En esta tesis se muestra el control básico de este sistema. Además, se propone una solución simple y fácil de implementar para manejar la saturación en convertidores de 3 fases cuando se utilizan múltiples reguladores en paralelo, lo cual es necesario para reducir el contenido armónico de la red. Motivated by the need of abandoning highly pollutant fossil-fuel based generation, the electric system is gradually changing to a distributed generation system, which is formed by small generation units based on renewable energy sources, as solar panels or wind turbines. One technical drawback of these renewable energy sources is the intermittence of the production. For example, wind speed is highly fluctuating, and solar energy is only produced during daytime in the presence of the sun. Mismatches between energy production and consumption, and the need of providing reliable services, has spiked the interest in massive Energy Storage Systems in order to decouple energy production from its supply, producing when possible and consuming when desired. Energy storage systems are different in terms of operation, capacity and dynamic properties, and each type is more suitable for one different application. Among the existing energy storage systems, batteries are one of the most cost-effective energy storage technologies available due to their low size and fast response for medium capacities energy storage systems. The integration of renewable energy sources with energy storage systems and the possibility of connecting to the grid generates a series of issues that have been only partially solved. If the controllability (synchronization algorithms and current controllers) of these units is not carefully managed, it can lead to grid instability or failure. Due to this, requirements for grid quality have been toughened in the last years. This thesis presents the development and control of an autonomous building which can work connected to the grid or isolated from it. It will include renewable energy sources, as solar panels, and energy storage systems, as batteries. The main energy storage system will be a lithium battery pack, specifically made of LiFePO4 batteries. They have superior characteristics when compared to other types of batteries, as life cycle, specific energy and safety. In this thesis, a study of the behavior of these batteries with temperature is carried out. Specifically, the internal resistance of the batteries is used to estimate temperature when they are connected to different power converters; the power converter that connects them to the rest of the power system and the converter that keeps the cell voltages equalized. The power converter to control the grid in the building and connect it or disconnect it from the grid is a DC/AC converter in a 3-phase, 4-legs configuration. This configuration leads to a better controllability of current and/or voltage. Not only it controls the same signal as a classical 3-phase converter, it also controls the homopolar components generated by single-phase loads (as screen or home appliance), thus eliminating the need of heavy and bulky transformers. This thesis deals with the basic control of the converter. In addition, it provides a simple solution to manage the saturation state in a 3-phase converter when multiple regulators are parallelized for the control of different harmonics, which is required to reduce the harmonic content in the grid.