Estudio y evaluación de prestaciones estáticas y dinámicas de los integradores generalizados de segundo orden en las estructuras de control de inversores fotovoltaicos de dos etapas con conexión a red

Abstract

[EN] The use of renewable energy sources has a positive impact on the environment and the economy, so that countries with a deficit of fossil fuels can reduce their energy dependence on other countries. Photovoltaic (PV) systems connected to the grid must comply with the current EMC regulations, which regulate the level of distortion of the current injected into the grid, THDi. Moreover, the PV market requires cheaper and more reliable systems. One of the major issues about the reliability of PV inverters is the presence of electrolytic capacitors at the DC-Link feeding the inverter. There is a trend to reduce the required capacitance in order to replace the electrolytic capacitors by film capacitors, which are more durable. Two major effects of the DC-Link capacitance reduction are the increase of the voltage ripple at the capacitors and higher transient variations of that voltage under small operating point changes of the inverter. These variations must be bounded for the proper operation of the inverter. In this Ph.D. thesis the implementation of control structures based on second order generalized integrators (SOGI) are studied. These structures are developed for two-stage PV inverters in order to achieve a higher dynamic response of the DC-Link voltage control. The frequency adaptability of SOGI structures helps to reduce the THDi of the grid injected current in the case of variations of the grid frequency, even under highly distorted grid voltage conditions. Recently, several research works have focused on reducing the number of sensors in the PV inverters, which has a positive impact on costs reduction. Maximum power point tracking (MPPT) algorithms are implemented to optimize the performance of PV systems. Classical MPPT algorithms use current and voltage sensors for estimating the power extracted from the PV panel. MPPT sensorless algorithms that do not require sensors in the PV panel have been developed in this thesis, based on the improvement of the PV inverter voltage control loop achieved by the use of SOGIs. The performance of the proposed MPPT algorithms is similar to that of classical ones, but at a lower cost. Two two-stage PV inverter prototypes have been built for performing experimental tests in order to validate the theoretical studies and proposals presented in this thesis. The specifications of the inverter have been defined to connect a single PV panel of 230W to the grid with high frequency galvanic isolation between the PV panel and the grid. One inverter is equipped with a standard size DC-Link and the other one is equipped with a reduced size DC-Link in order to compare the behavior of both DC-Link sizes. The inverter is operating with current and voltage sensors to measure the extracted power from the PV panel. This implementation allows comparing classical MPPT algorithms, which make use of those sensors, with sensorless MPPT algorithms, working at the same environmental conditions.

[ES] El aprovechamiento de las fuentes de energía renovables tiene un impacto positivo tanto en el medio ambiente como en la economía, de manera que los países deficitarios en combustibles fósiles pueden disminuir su dependencia energética de otros países. Los sistemas fotovoltaicos (PV) conectados a la red eléctrica han de ajustarse al cumplimiento de la normativa vigente de compatibilidad electromagnética, que regula el nivel de distorsión de la corriente inyectada en la red. Además, el mercado demanda sistemas más económicos y más fiables. Uno de los puntos críticos en la fiabilidad de los inversores, es la presencia de condensadores electrolíticos en la DC-Link del convertidor. Se están realizado numerosos estudios para disminuir la capacidad de los condensadores necesaria, con el objetivo de poder sustituir los electrolíticos por condensadores de película, que son más duraderos. La disminución en el tamaño de la DC-Link tiene como consecuencias principales el aumento del rizado de tensión en los condensadores y mayores variaciones del valor medio de la tensión ante pequeños cambios en el punto de trabajo del inversor. Para el correcto funcionamiento del inversor estas variaciones deben estar acotadas. En la presente tesis se estudia la implementación de estructuras de control de la tensión de la DC-Link con mayor respuesta dinámica, orientada a inversores fotovoltaicos de dos etapas. Empleando estructuras basadas en integradores generalizados de segundo orden (SOGI) se ha conseguido inyectar una corriente de muy baja distorsión en la red, incluso funcionando con redes eléctricas con tensión altamente distorsionada. La adaptabilidad en frecuencia de las estructuras SOGI es un factor clave para mantener la eficacia del control de la tensión. Numerosas investigaciones se centran en la reducción del número de sensores de los inversores. Esto tiene un impacto positivo en la reducción de costes. Los algoritmos de seguimiento de máxima potencia (MPPT) clásicos, que se implementan en los inversores para optimizar el rendimiento de los paneles fotovoltaicos, hacen uso de sensores de tensión y corriente para estimar la potencia extraída del panel. En los últimos tiempos se ha desarrollado diversos algoritmos MPPT sensorless que no requieren sensores en el panel fotovoltaico. Las mejoras obtenidas en la presente tesis para el control de la tensión en la DC-Link, han permitido la implementación de un algoritmo MPPT sensorless con prestaciones similares a los algoritmos clásicos, pero con un coste inferior. Se ha realizado ensayos experimentales para validar los estudios y las propuestas realizadas. Para ello se han construido dos prototipos de un inversor fotovoltaico de dos etapas. Las especificaciones del inversor se han definido para conectar a la red un panel de 230W con aislamiento galvánico en alta frecuencia entre el panel y la red. Cada inversor tiene una DC-Link diferente para comparar el efecto entre una DC-Link de tamaño reducido con una DC-Link de tamaño estándar. El inversor está equipado con sensores de tensión y corriente para medir la potencia extraída del panel fotovoltaico. Esto permite comparar, en las mismas condiciones, algoritmos MPPT clásicos que emplean sensores de las magnitudes eléctricas del panel y algoritmos sensorless que no hacen uso de esos sensores.

[CA] L'aprofitament de les fonts d'energia renovables té un impacte positiu, tant en el medi ambient com en l'economia, de manera que els països deficitaris en combustibles fòssils poden disminuir la seua dependència energètica d'altres països. Els sistemes fotovoltaics (PV) connectats a la xarxa elèctrica han d'ajustar-se al compliment de la normativa vigent de compatibilitat electromagnètica, que regula el nivell de distorsió del corrent injectat a la xarxa. A més, el mercat demana sistemes més econòmics i més fiables. Un dels punts crítics de la fiabilitat dels inversors és la presència de condensadors electrolítics en la DC-link dels convertidors. S'estan realitzant nombrosos estudis per disminuir la capacitat dels condensadors necessària amb l'objectiu de substituir els electrolítics per condensadors de pel·lícula, que son més duradors. La disminució en la grandària de la DC-link té com a conseqüència principal l'augment de l'arrissament de la tensió en els condensadors, davant de canvis menuts en el punt de treball de l'inversor. Per al correcte funcionament de l'inversor, aquestes variacions han d'estar acotades. En la present tesi s'estudia la implementació d'estructures de control de la tensió en la DC-link amb major resposta dinàmica, orientada a inversors fotovoltaics de dues etapes. Emprant estructures basades en integradors generalitzats de segon ordre (SOGI) s'ha aconseguit injectar un corrent amb molt baixa distorsió a la xarxa, fins i tot, funcionant amb xarxes elèctriques amb tensió altament distorsionada. L'adaptabilitat en freqüència de les estructures SOGI és un factor clau per mantenir l'eficàcia del control de l'inversor. Nombroses investigacions es centren en la reducció del nombre de sensors dels inversors. Això te un impacte positiu en la reducció de costos. Els algorismes de seguiment de màxima potencia (MPPT) clàssics, que s'implementen en els inversors per optimar el rendiment dels panells fotovoltaics, fan ús de sensors de tensió i corrent per estimar la potència treta del panell. En els últims temps, s'han desenvolupat diversos algoritmes MPPT sensorless, que no requereixen sensors en el panell fotovoltaic. Les millores obtingudes en la present tesi per al control de la tensió en la DC-link han permès la implementació d'un algorisme MPPT sensorless amb prestacions similars als algorismes clàssics, però amb un cost inferior. S'han realitzat assajos experimentals per validar els estudis i les propostes realitzades. Per a això, s'han construït dos prototips d'un inversor fotovoltaic de dues etapes. Les especificacions de l'inversor s'han definit per connectar a la xarxa un panell de 230W amb aïllament galvànic d'alta freqüència entre el panell i la xarxa. Cada inversor té una DC-link diferent per comparar l'efecte entre una DC-link de grandària reduïda amb una DC-link de grandària estàndard. L'inversor està equipat amb sensors de tensió i corrent per mesurar la potència treta del panell fotovoltaic. Això permet comparar, en les mateixes condicions, algorismes MPPT clàssics que empren ambdós sensors i algorismes sensorless que no fan ús d'aquests.