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CONEXIÓN A RED DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS MEDIANTE CONVERTIDORES MULTINIVEL
(Universidad Técnica Federico Santa María, 2010) Moya Obregón, Alvaro Andrés; Kouro Renaer, Samir Felipe; Universidad Técnica Federico Santa María UTFSM. Departamento de Electrónica. Dirección General de Investigación y Postgrado. Programas de Magíster
Actualmente, el desarrollo de nuevas técnicas de extracción de energía se centran en el uso de las energías renovables no convencionales. Una de estas fuentes energéticas corresponde a la energía fotovoltaica la cual se transforma en energía eléctrica mediante paneles fotovoltaicos. Si bien esta tecnología posee un alto costo de inversión inicial, su uso se extiende tanto en la industria como a nivel domiciliario con equipos para conexión a la red. Para poder inyectar a la red eléctrica este tipo de energía, se deben cumplir cierto tipo de requerimientos, principalmente que la corriente generada sea sinusoidal en fase con la red y con bajo contenido armónico. Esta tesis presenta el análisis y desarrollo de un nuevo método de control de conexión a la red mediante paneles fotovoltaicos utilizando una topología multinivel cascada puente H. Se analizan topologías propuestas por otros autores mediante simulaciones a fin de escoger la más adecuada para realizar una comparación en términos de calidad y eficiencia energética con el método propuesto, además se realiza la implementación experimental del método desarrollado obteniendo resultados tanto de la dinámica del método de control como de los indicadores en la calidad de energía generada. Mediante el uso de la topología de conexión cascada puente H y el método de control desarrollado, se obtuvo corrientes sinusoidales superiores a 15 A peak en el secundario del transformador con un factor de potencia de 0.99, corroborando así que la corriente inyectada está en fase con la red. La distorsión armónica de corriente, conocida como THD de corriente, corresponde al 2.49 %, menor al THD de tensión obtenido, con un valor de 4.35 %. El método de control puede ser extendido fácilmente a diversas aplicaciones con niveles de tensión variable, además permite la incorporación de una mayor cantidad de celdas mejorando así los indicadores de calidad en la energía.
CONFIGURACIÓN MULTINIVEL DE MEDIA TENSIÓN PARA SISTEMAS DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA MARINA
(2013) Müller Pollmann, Nicolás Pablo; Kouro Renaer, Samir Felipe; Universidad Tecnica Federico Santa Maria UTFSM DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA
La disminucion de las reservas de combustibles fosiles, la contaminacion ambiental, el creciente aumento de la demanda electrica entre otros factores, han impulsado la investigacion y desarrollo de sistemas de conversion basados en Energas Renovables No Convencionales (ERNCs). Dentro de las ERNCs, la energa marina del oleaje destaca debido a la cantidad y disponibilidad del recurso. La gran mayora de los sistemas de generacion olamotriz estan conformados por arreglos de unidades generadoras de bajo voltaje y baja potencia. Los cuales inyectan a la red electrica potencia en el orden de los mega watts. La solucion actual a este problema consiste en utilizar, por cada unidad generadora, un convertidor fuente de voltaje de dos niveles en con guracion espalda con espalda. Los convertidores son conectados a la red electrica, en media tension, a traves de un transformador con alta tasa de elevacion. En esta tesis de grado se proponen dos con guraciones capaces de interconectar sistemas de conversion de energa marina, basados en multiples generadores, a la red electrica. Para ello se utiliza un convertidor o \Power Unit"por generador (puente de diodos completo + boost) y un unico convertidor multinivel para el lado de la red (NPC o CHB). De esta forma se tienen convertidores economicos al lado del generador y las ventajas propias de los convertidores multinivel en el convertidor de la red. Las con guraciones propuestas son reguladas mediante lazos de control, los cuales independizan al convertidor de la red del convertidor del generador. Este ultimo es implementado en simulacion por medio de un controlador PI externo, utilizado para controlar la velocidad del PMSG y un lazo interno de control por histeresis para regular la corriente por el Boost. Para la obtencion de resultados experimentales ambos lazos, externo e interno, utilizan controladores PI y modulaci on PWM. La estrategia de control del convertidor de la red corresponde a Control Orientado por Voltaje. El cual contiene en su etapa de modulacion una estrategia de regulacion de desbalances en el DC-link. Se prueban ambas con guraciones en condiciones adversas, simulando desbalances en las potencias de entrada al dispositivo. De esta forma las con - guraciones son validadas mediante simulacion. La con guracion basada en el convertidor NPC es validada tambien de forma experimental. Para ello fue necesario dise~nar, construir y probar los convertidores de esta con guracion.
CONTROL DIRECTO DE TORQUE EN MÁQUINAS DE INDUCCIÓN ALIMENTADAS POR INVERSORES MULTINIVEL
(2004) Kouro Renaer, Samir Felipe; Rodríguez Pérez, José Ramón
[Resumen del autor] EL MOTOR de inducción es la principal máquina empleada en la conversión de energía electromecánica en los procesos productivos de la industria moderna. Muchos de estos procesos demandan un alto desempeño dinámico del control del motor, especialmente del torque desarrollado por éste. Tradicionalmente, el control de alta calidad del motor de inducción es realizado mediante el Control de Campo Orientado, también conocido como Control Vectorial. Sin embargo en los últimos años se ha vuelto popular el método Control Directo de Torque o DTC (Direct Torque Control), cuya diferencia principal con el control vectorial es la ausencia de la modulación del inversor. En su lugar el DTC se caracteriza por usar directamente la información de torque y flujo para determinar el estado de conducción del inversor que permita generar la acción correctiva deseada sobre el motor, con lo que se logra un control directo y de alta calidad del torque del motor. Sin embargo, el DTC posee dos grandes desventajas que han frenado su penetración en los mercados. La primera de ellas es que somete al inversor a un régimen de conmutación de frecuencia variable y la segunda es que produce un ripple considerable en el torque, lo que eventualmente puede producir vibraciones y ruido audible. En este trabajo se presentan diversas mejoras al método original, orientadas principalmente a minimizar los problemas mencionados anteriormente. Para ello se extienden los principios teóricos del DTC hacia los inversores multinivel, de manera de poder aprovechar los grados de libertad adicionales de actuación que son capaces de proveer, para lograr disminuir el ripple en el torque. Además, se estudian algoritmos adicionales, que se combinan con el DTC y que en conjunto permiten reducir la variabilidad de la frecuencia de conmutación del inversor. Todos los métodos desarrollados en este trabajo se encuentran generalizados para inversores de un número indeterminado de niveles, sin importar la topología que se emplee. En forma particular, se evalúa mediante simulación el desempeño de los métodos propuestos para inversores de 2, 3 y 11 niveles.
CONTROL Y MINIMIZACIÓN DEL RIPPLE DE VOLTAJE EN CONVERTIDORES MULTINIVEL MODULARES
(2018) Arredondo Quintana, Victor Andres; Departamento de Electrónica; Perez Leiva, Marcelo Alejandro; Kouro Renaer, Samir Felipe
Modular multilevel converters generate high voltage ripple in the floatingcapacitors which increases the harmonic content of arm voltages and currentsand consequently the losses and can degrade the control performance. In order toreduce this voltage ripple, a large capacitance is usually employed, but the size andcost of the submodules and the whole converter are increased.In the MMC, all submodules have a floating capacitor, whose voltage must becontrolled to an average value to generate symmetric voltage levels at the output. Due to the interaction between modulation signals and arms currents,a voltage ripple in the floating capacitor is produced, increasing the losses and distortion of arm current and voltage and reducing the control performance.In this tesis the voltage ripple is analyzed using a decoupled power approachand the circulating current and common-mode voltage required to minimize speci charmonic components of this voltage are obtained. A control design based on the capacitor ripple analysis is proposed and simulation results which validates the analysis and the controller design are shown.
CONVERTIDOR DC-DC DE POTENCIA PARCIAL PARA SISTEMAS FOTOVOLTAICOS EN CONFIGURACIÓN STRING
(2017) Morrison Torres, Alexander Robert; Kouro Renaer, Samir Felipe; Universidad Tecnica Federico Santa Maria UTFSM ELECTRONICA
Solar photovoltaic energy has experienced an accelerated growth rate in thelast few years. This growth has enabled the development of power electronicssystems to enhance the cost savings and eficiency of this type of systems.This work proposes the design of a DC-DC converter for its application in photovoltaicsystems in string configuration. The proposed converter is based ina principle called partial power, in which the semiconductors of the converterhandle only a portion of the total power delivered by the photovoltaic system,which translates in a greater eficiency of the converter. This principle is studiedand a topology based on the Full-bridge converter is proposed.The system is controlled by two PI loops in cascade, one to control the currentand the other to control the voltage of the photovoltaic string. To set the voltagereference a MPPT algorithm is used to obtain the maximum power extractionfrom the system in diverse operating conditions.The converter is put to the test in diverse operating points, calculating theeficiency in each case. Simulations were made in Plecs software and a prototypeconverter and system is built in the laboratory, obtaining experimental resultsthat validate the design of the converter.
Convertidor de potencia parcial con enlace AC para estaciones de carga rápida de vehículos eléctricos
(Universidad Técnica Federico Santa María, 2024-09) Sandoval Abarca, Matías Mauricio; Renaudineau, Hugues Jean-Marie; Universidad Técnica Federico Santa María. Departamento de Electrónica; Kouro Renaer, Samir Felipe
Este trabajo propone el análisis de convertidores de potencia parcial que operan en la etapa DC-DC para la carga rápida de vehículos eléctricos, pertenecientes a la categoría de los convertidores AC Link. La topología de este tipo de convertidores se basa en eliminar el uso del transformador de alta frecuencia, comúnmente empleado en los convertidores parciales DC-DC, el cual presenta ciertos desafíos en términos de control, implementación y pérdidas. En su lugar, se emplea una red de impedancias (AC-Link) para evitar el uso del transformador de alta frecuencia sin comprometer la funcionalidad, proponiéndose como una opción más eficiente y menos costosa que los convertidores parciales actuales. En trabajos anteriores, se ha demostrado la funcionalidad de este tipo de convertidor utilizando una red de impedancias en su configuración L-2C, con resultados tanto en simulación como experimentales. En este trabajo, se profundiza en el análisis de la red de impedancias, probando distintas variaciones del AC-Link en las configuraciones L-2C, 2C-L y 4C-L. Se verifica el modelo promedio de cada una de estas configuraciones, basándose en investigaciones previas, para luego, mediante simulaciones, examinar la influencia de cada componente en las variables de estado del sistema. A continuación, se realiza una comparación entre las tres versiones de convertidores en términos de sus variables de estado, eficiencia y el voltaje alcanzado bajo condiciones similares de potencia en la carga. Además de evaluar las distintas configuraciones de AC Link, se introduce una nueva opción del convertidor, agregando una fase adicional al circuito y operando con una red de impedancias 3L-3C. De este convertidor se derivan los distintos estados de operación y las ecuaciones correspondientes, basándose en el modelo promedio, al igual que en los casos anteriores. Posteriormente, mediante simulaciones, se compara esta configuración con las opciones de dos fases, analizando las diferentes variables de interés y evaluando su eficiencia a distintos niveles de potencia.
CONVERTIDOR FOTOVOLTAICO DC-DC PARA LA INTERFAZ DIRECTA DE ENERGÍA CON EL PROCESO DE ELECTRODEFINICIÓN DE COBRE
(2015) Castillo Parra, Paz Camila; Kouro Renaer, Samir Felipe; Universidad Tecnica Federico Santa Maria UTFSM DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA
ESTE documento presenta la operacion de una planta de electrorre nacion con una interaccion directa con energa fotovoltaica dc-dc. Hoy en da, para alimentar una planta de electrorre nacion con paneles solares es necesario transformar la potencia PV a ac, y conectar en paralelo a la red en el punto de acople comun, esto implica un uso innecesario de convertidores de potencia dc-ac y transformadores reduciendo las potenciales perdidas en la transmision de energa. Diferentes con guraciones PV dc-dc son presentadas como alternativas para parcialmente alimentar el proceso de electrorre nacion. La con guracion propuesta nalmente esta basada en un sistema de conversion dc-dc multi-string que busca obtener el maximo punto de potencia para cada arreglo de paneles. La planta de electrorre nacion es alimentrada mediante convertidores aislados dcdc puente H entrelazados. La con guracion propuesta y el esquema de control fueron validados mediante los resultados de simulacion y corroborados obsercando la respuesta ante condiciones dinamicas. Ademas un setup experimental fue desarrollado para comparar los resultados con los obtenidos mediante las simulaciones.
Evaluación y verificación experimental de un convertidor AC-link reductor de tensión
(2024-06) Bugueño Vivanco, Rodrigo Andrés; Renaudineau, Hugues Jean Marie; Kouro Renaer, Samir Felipe; Zapata Amores, Jaime; Rojas Monrroy, Christian Alexis
Los convertidores de potencia parcial tradicionales (PPC) se emplean ampliamente en aplicaciones de energías renovables, como la integración de sistemas fotovoltaicos y electrolizadores. Un inconveniente es que estos utilizan transformadores de alta frecuencia, lo que implica la presencia de diversos desafíos en su implementación. Esta tesis aborda el desarrollo y la validación experimental de un convertidor denominado AC-link basado en una red de impedancias, el cual es propuesto como una alternativa más eficiente y menos costosa en comparación con los convertidores de potencia parcial tradicionales. Para ello, se presenta una revisión de la operación del convertidor, los estados de operación, y se propone un modelo matemático que representa el comportamiento promedio de dicho convertidor, complementando dicha teoría con resultados de simulación de lo propuesto. Se detalla la implementación con la que se logra construir el convertidor, desde la selección de componentes hasta el desarrollo de una interfaz de usuario que permite la manipulación de las variables del convertidor en computador, ahondando en los aspectos técnicos que hacen posible su operación. Una vez construido el equipo se extraen resultados experimentales que permiten corroborar la teoría y los resultados de simulación obtenidos previamente, logrando validar experimentalmente la topología propuesta. Finalmente, con los datos obtenidos se brinda una comparativa en torno a tres ejes de análisis: eficiencia, factor de estrés de componentes y costes para así determinar el desempeño del convertidor AC-link frente a los ya mencionados PPC lo que concluye con una mejora sustancial en dichos ámbitos
Metodología para el diagnóstico de módulos y plantas fotovoltaicas
(Universidad Técnica Federico Santa María, 2024) Romero Cárcamo, Sebastián Patricio; Renaudineau, Hugues; Universidad Técnica Federico Santa María. Departamento de Electrónica; Kouro Renaer, Samir Felipe
La transición energética que experimenta la matriz eléctrica a nivel mundial se dirige hacia un futuro con mucho menor impacto en emisiones de gases de efecto invernadero, lo cual permitirá el desarrollo sostenible de la humanidad en el presente y a futuro. Una de las tecnologías principales que permitirá este desarrollo es el módulo (o llamado comercialmente panel) fotovoltaico, el cual aplicado en conjuntos (strings y arreglos) es capaz de proveer directamente energía eléctrica a través del efecto fotoeléctrico, el cual transfiere energía recibida de la luz del sol a un flujo de electrones, esto a potencias considerables para ser aplicadas a pequeña, mediana y gran escala. Debido a la vida útil limitada y a las condiciones ambientales de operación de dichos módulos, estos presentan un desgaste a lo largo del tiempo de operación, tiempo que puede extenderse hasta por un par de decenas de años. Es por lo anterior que surge la necesidad de realizar un diagnóstico o evaluación del nivel de desempeño que presentan los módulos de manera periódica. Si bien existen métodos para aplicar dichas evaluaciones, la gran parte tiene la falencia de realizarse siempre bajo condiciones no repetibles o bien utilizar una gran cantidad de energía en el proceso de evaluación. En el siguiente documento se propondrá una metodología enfocada en mediciones en condiciones repetibles, utilizando una menor cantidad de energía. La metodología propuesta contemplará el uso de un simulador solar pulsado, que además de asegurar repetibilidad en los experimentos, también garantiza una irradiancia homogénea y temperatura estable durante la medición. Para validar la metodología con las tecnologías adoptadas en el mercado se realizarán pruebas en cuatro módulos con tecnologías de celda distintas.
MULTILEVEL CONVERTERS PERFORMANCE IMPROVEMENTS.
(Universidad Técnica Federico Santa María, 2008) Kouro Renaer, Samir Felipe; Rodríguez Pérez, José Ramón; Universidad Técnica Federico Santa María UTFSM. Escuela de Graduados. Departamento de Electrónica
Los convertidores multinivel son usados en aplicaciones de media tensión y alta potencia (típicamente sobre lMW), en las que se demanda alto desempeo dinámico y alta calidad de la energía, como lo son los accionamientos de velocidad variable. Esta tecnología ha estado en desarrollo durante el último par de décadas, motivado principalmente por el aumento en la demanda de potencia de los procesos industriales. Aunque han encontrado una importante aceptación en la industria, y es de alguna manera considerada una tecnología madura, aun quedan diversos problemas abiertos por resolver. Además, existen desafíos y oportunidades que pueden ser abordadas a medida que los requerimientos y las aplicaciones industriales evolucionan. El objetivo general de este proyecto de doctorado, es contribuir al desarrollo de la tecnología de convertidores multinivel, abordando algunos de estos tópicos para mejorar el desempeo de operación y resolver problemas existentes. Entre los temas específicos que son tratados en este trabajo se encuentran: - Análisis y desarrollo de nuevos métodos de modulación, capaces de reducir la frecuencia de conmutación y las pérdidas correspondientes, para mejorar la eficiencia de los convertidores multinivel.. - Desarrollo de estrategias de control con pre-alimentación, para compensar perturbaciones presentes en los convertidores multinivel, tales como las oscilaciones de baja frecuencia en el enlace DC. - Adaptación de técnicas de control directo de torque para motores de inducción alimentados por convertidores multinivel, con baja oscilación en el torque y reducción en la frecuencia de conmutación. - Construcción de un convertidor multinivel puente H en cascada trifásico como prototipo de laboratorio, lo suficientemente flexible para ser alimentado por fuentes independientes iguales o asimétricas, y capaz de generar hasta 81 niveles diferentes de tensión. Las soluciones que se proponen son desarrolladas considerando importantes aspectos de la conversión de potencia, tales como complejidad del control, eficiencia y flujo bidireccional de potencia. Se ha puesto especial atención a la topología puente H en cascada alimentada por fuentes asimétricas, en vista de poseer mejor calidad en la tensión de salida, su novedad y problemas abiertos. Adicionalmente, este trabajo contiene una revisión del actual estado del arte sobre convertidores multinivel, y dos capítulos dedicados a las distintas topologías multinivel y métodos de modulación, para introducir conceptos y nomenclatura empleados en esta tesis. Las contribuciones realizadas en este trabajo son avaladas por análisis teórico, simulación y validación experimental.
PARTIAL POWER DC-DC CONVERTERS FOR TWO STAGE PHOTOVOLTAIC ENERGY CONVERSION SYSTEMS
(2018) Zapata Amores, Jaime Wladimir; Departamento de Electrónica; Kouro Renaer, Samir Felipe
Two-stage photovoltaic (PV) con gurations (for microinverters, string or multistringinverters) have become increasingly popular due to the decoupling betweenthe inverter dc-link voltage and the PV voltage, adding exibility toextend the MPPT range. However, the additional dc-dc converter increases thecomponent count, reduces the volume and power converter losses. The conceptof partial power converters (PPC), which reduces the amount of power handledby the dc-stage can mitigate this eect. However, the type of topology, itspower and voltage rating, eciency, and operating range can vary signi cantlydepending on the type of PV application and scale. Furthermore, the type offunction of the dc-dc stage will also dier depending on the PV application.From boosting with a high step-up ratio for one module in a microinverter, to abuck mode for larger PV strings when using modern 1500V isolation modules.This thesis provides an analysis of the possible combinations of connectionsand corresponding applications based on the scale of the PV system. The threemost suitable solutions for practical PV systems are further elaborated, includingsimulations and experimental validation. Experimental results show thatthe PPC greatly improves the overall PV system eciency, even when the ef- ciency of the isolated dc-dc converter is low. An added bene t is that thedc-dc stage power rating achieved are only a fraction of the PV system, reducingsize and increasing power density of the power converter without aectingsystem performance.

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