Estrategia de control óptimo para plantas fotovoltaicas de gran escala conectadas a redes trifásicas mediante convertidores puente H en cascada

Abstract

Un pilar fundamental para superar la crisis climática global es la reducción drástica en las emisiones de gases de efecto invernadero producto de la actividad humana. En el sector eléctrico, grandes bloques de energía provenientes de fuentes contaminantes han sido reemplazadas por la instalación de plantas fotovoltaicas de gran escala. Para las cuales, el desarrollo de nuevas topologías de convertidores basados en electrónica de potencia busca incrementar su eficiencia y rendimiento. Particularmente, el convertidor puente H en cascada (CHB) ha sido objeto de interés debido a que su implementación posee una alta granularidad del esquema MPPT, un menor requerimiento de filtrado en las corrientes de línea y la posibilidad de ser conectado a una red de media tensión mediante el apilamiento de módulos de menor tensión. Naturalmente, los desbalances de generación entre fases han sido el mayor desafío técnico para propiciar la adopción de esta topología. No obstante, la solución documentada de este problema radica en la inyección de una tensión de modo común en las tensiones de fase del convertidor CHB. En este trabajo de tesis se elabora un modelo matemático que permite determinar una tensión de modo común con mínimo contenido armónico para lidiar con desbalances de generación entre fases manteniendo un flujo de corrientes de red balanceado y con bajo contenido armónico. Por lo demás, se confeccionan expresiones analíticas para la tensión de modo común óptima y las regiones factibles de esta técnica. De esta manera, se desarrolló un análisis en la implementación de la estrategia de inyección de una tensión de modo común que derivó en la construcción de un algoritmo iterativo y distribuido para calcular esta tensión en tiempo real. Por su parte, un controlador de tipo Phase-Shifted Model Predictive Control (PSMPC) se empleó para el control en tiempo real de las corrientes inyectadas a la red, cuyas soluciones óptimas se calcularon mediante un algoritmo de tipo Active-Set Method (ASM). Finalmente, las pruebas experimentales en laboratorio con un convertidor CHB de siete niveles permitieron verificar la efectividad de la estrategia propuesta logrando desbalances de corriente de, a los más, un 1% y un THDe máximo de 2:8% en un conjunto de experimentos con severos desbalances de potencia entre fases.