Control de puentes activos duales (DABs) en sistemas bidireccionales de alimentación con alta densidad de potencia

Abstract

[EN] The bidirectional DC-DC converters are being used more frequently in electric power systems. Bidirectional converters allows the incorporation of alternative and renewable energy sources at different voltage levels, by means of new power systems architectures now distributed not only centralized. The converters control is defined by function within the system, especially when there are large differences in voltage levels. It is desirable that the converter provide galvanic isolation, control current and / or voltage at one or both buses, and in some cases provide multi-port bidirectional conversion. One of the topologies with high power density is the single phase Dual Active Bridge (DAB). This thesis presents a study of a single phase DAB phase shifting controlled to meet the requirements of a bidirectional DC-DC converter for storage, parallel operation capability, high power density and fast dynamic response. The modularity of the DAB and the parallel operation arises from the conception of a control loop of Average Current Control (ACC), a double loop that controls the voltage and current of the high voltage side or controls the current and voltage at low voltage side. The dynamic response of a DAB to load steps are improved by means of a feedforward technique based on load current, an additional load-current feedforward control loop. An analytical study of the load-current feed-forward on DAB is presented and validated by means of both simulations and experimental results. The DAB topology exhibits a high input and output AC current ripple, especially at low voltage side. This thesis studies parallel connection by interleaving an average current control, based on two or more modules DAB operated synchronously but shifted in phase, in order to reduce the AC current and the capacitors size. The design has been validated by means of the implementation and testing on a 1 kW DAB converter at a switching frequency of 100 kHz.

[ES] Los convertidores DC-DC bidireccionales se están utilizando con mayor frecuencia en los sistemas de potencia eléctrica. Sus características permiten la incorporación de fuentes de energías alternativas y renovables de diferentes niveles de tensión, así como la propuesta de nuevas arquitecturas ahora distribuidas y no sólo centralizadas en los sistemas de potencia. El control de estos convertidores se realiza según su función dentro del sistema, en especial cuando hay grandes diferencias en los niveles de tensión. Es deseable que el convertidor ofrezca aislamiento galvánico, pueda tener funciones de control de corriente y/o de tensión en uno o en ambos puertos de conexión, y otros incluso tener más de dos puertos de intercambio de potencia eléctrica. Una de las topologías que ofrece la mejor densidad de potencia es la versión monofásica del puente activo dual DAB, de sus siglas del inglés "Dual Active Bridge". Se estudia en esta tesis doctoral un DAB monofásico con control por desplazamiento de fase para satisfacer los requerimientos de un convertidor DC-DC bidireccional con fines de almacenamiento, capacidad de operación en paralelo, alta densidad de potencia y rápida respuesta dinámica. La modularidad del DAB para operación en paralelo se plantea desde la concepción de un lazo de control de la corriente promedio ACC (Average Current Control), un lazo doble que controla la tensión y la corriente del lado de alta tensión ó controla la corriente y la tensión del lado de baja tensión. Para mejorar la dinámica del DAB se incluyó el análisis de una técnica de prealimentación basada en la inyección de la corriente de carga, load current feedforward. Esta mejora brinda una respuesta rápida ante variaciones de la carga. Un inconveniente que presenta el DAB por desplazamiento de fase es el alto rizado en las corrientes en los puertos de entrada y salida, especialmente en el lado de baja tensión. Se estudia para reducir este rizado el interleaving (entrelazado) con control de corriente media, basado en la conexión de dos o más módulos DAB en paralelo con disparos desfasados, logrando reducir el tamaño de los filtros. El diseño se ha validado mediante la construcción y experimentación en dos prototipos de potencia nominal de 1 kW con una frecuencia de conmutación de 100 kHz.

[CA] Els convertidors DC/DC bidireccionals s'estan emprant amb major freqüència en els sistemes de potencia elèctrica. Les seues característiques permeten la incorporació de fonts d'energia alternatives i renovables de diferents nivells de tensió. També es permet la implementació en els sistemes de potència de les noves arquitectures distribuïdes i no només arquitectures centralitzades. El control d'aquests convertidors es realitza segons la seua funció dins del sistema, especialment quan hi ha grans diferències en els nivells de tensió. Es desitjable que el convertidor oferisca aïllament galvànic. A més pot tindre funcions de control de corrent i/o de tensió en un o ambdós ports de connexió. Altres convertidors poden tindre més de dos ports d'intercanvi de potència. Una de les topologies que proporciona la millor densitat de potència es la versió monofàsica del pont actiu dual DAB, de les seues sigles en anglès Dual Active Bridge. S'estudia en esta tesi doctoral un DAB monofàsic amb control per desplaçament de la fase per satisfer els requeriments d'un convertidor DC-DC bidireccional amb fins de emmagatzemament, capacitat d'operació en paral·lel, alta densitat de potència i ràpida resposta dinàmica. La modularitat del DAB per l'operació en paral·lel es planteja des de la concepció d'un llaç de control de la corrent mitjana ACC (Average Current Control), un llaç doble que controla la tensió i la corrent del costat d'alta tensió o controla la corrent i la tensió del costat de baixa tensió. Per millorar la dinàmica del DAB es va incloure l'anàlisi dúna tècnicade prealimentació basada en la injecció de la corrent de càrrega, LCFF (Load Current FeedForward). Esta millora brinda una resposta ràpida davant de variacions de la càrrega. Un inconvenient que presenta el DAB amb control per desplaçament de fase es l'alt arrissat de les corrents en els ports déntrada i eixida, especialment al costat de baixa tensió S'estudia per a reduir este arrissat l'entrellaçat (interleaving) de les corrents d'eixida amb la connexió dos o més modules DAB en paral·lel, aconseguint reduir la mida dels filtres. El disseny s'ha validat mitjançant la construcció i l'experimentació en dos prototips de potència nominal de 1 kW amb una freqüència de commutació de 100 kHz.