Concepción de una estrategia de control tipo Grid-Forming para un convertidor DC-AC monofásico aplicado a sistemas de carga DC de vehículos eléctricos

Abstract

La estabilidad de la frecuencia en redes eléctricas que interconectan la mayor parte de sus recursos energéticos por medio de inversores es afectada adversamente debido a la pérdida de inercia que implica una conexión electrónica. El incremento de la electromovilidad pone a disposición unidades de almacenamiento de energía (UAE) distribuidas que pueden ser aprovechadas para el soporte de frecuencia en redes débiles, empleando convertidores monofásicos que garanticen un buen cuidado de las baterías de los vehículos. En esta tesis se propone implementar una estrategia de control para emular la dinámica transitoria inercial de una máquina síncrona en el control de un inversor del tipo VSI que interconecta el bus DC con la red. Mientras que en la etapa DC-DC, y no en la DC-AC como es usual, se implementa el control de la tensión media del bus DC y un algoritmo de desacoplamiento de potencia activo que permite reducir el rizado en la corriente de la UAE; enlazando los requerimientos de potencia de las dos etapas. El control propuesto para el convertidor de dos etapas permite liberar energía inercial desde la UAE ante eventos de frecuencia, que ocurren al alterar el equilibrio de generación y demanda de energía. Además, permite sustituir los capacitores de enlace DC electrolíticos por capacitores fílmicos de menores dimensiones y con mejores características eléctricas. Permite una alta ganancia DC en una sola etapa, el aislamiento galvánico de la UAE y el desacoplamiento por medio del control de la ondulación de baja frecuencia en la corriente de la UAE; cada una de estas características permiten que la estrategia de control presentada sea idónea para convertidores de estaciones de carga DC de vehículos eléctricos.

Frequency stability in power grids that interconnect most of their energy resources through inverters is adversely affected due to the loss of inertia that an electronic connection implies. The growth of electromobility makes available distributed energy storage units (ESUs) that can be used for frequency support in weak networks, using single-phase converters that ensure good care of vehicle batteries. In this thesis it is proposed to implement a control strategy to emulate the inertial transient dynamics of a synchronous machine in the control of a voltage source inverter (VSI) that interconnects the DC bus with the grid. While in the DC-DC stage, and not in the DC-AC as usual, the average DC bus voltage control is implemented, and also an active power decoupling algorithm that allows to reduce the ripple in the current of the ESU; linking the power requirements of the two stages. The proposed control of the two-stage converter allows the release of inertial energy from the ESU in case of frequency events, which occur when the balance of energy generation and demand is disrupted. It also allows the replacement of electrolytic DC link capacitors with smaller film capacitors with better electrical characteristics. It enables high DC gain in a single stage, galvanic isolation of the ESU and allows decoupling of the low frequency ripple in the ESU current by means of the control; each of these features make the presented control strategy well suited for electric vehicle DC charging station converters.