Topología de Convertidor Multinivel H-Bridge en Cascada para un Sistema Fotovoltaico Conectado a una Red de Media Tensión
Autores: Alnuman, Hammad; Hussain, Essam; Aly, Mokhtar; Ahmed, Emad M.; Alshahir, Ahmed
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Topología de Convertidor Multinivel H-Bridge en Cascada para un Sistema Fotovoltaico Conectado a una Red de Media Tensión
Categoría
Tecnología de Equipos y Accesorios
Subcategoría
Diseño de equipos y herramientas
Palabras clave
Fuente de energía renovable
Red de media tensión
Convertidores multinivel
Códigos de red
Clasificaciones de voltaje
Fotovoltaico
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 25
Citaciones: Sin citaciones
Al conectar una fuente de energía renovable a una red de media tensión, debe cumplir con los códigos de la red y ser capaz de operar en un rango de media tensión (>10 kV). Los convertidores multinivel (MLC) son reconocidos por su baja distorsión armónica total (THD) y su capacidad para trabajar a alta tensión en comparación con otros tipos de convertidores, lo que los hace ideales para aplicaciones conectadas a redes de media tensión, cumpliendo con los códigos de la red y las clasificaciones de tensión. Los convertidores multinivel en cascada tipo H (CHBs-MLC) son un tipo de topología MLC, y no necesitan capacitores ni diodos para el acoplamiento como otras topologías MLC. Uno de los problemas en estos tipos de convertidores involucra las armónicas de doble frecuencia en la tensión y potencia de enlace de CC, lo que puede aumentar el tamaño de los capacitores y convertidores. El uso de transformadores de frecuencia de línea para aislamiento es otro factor que incrementa el tamaño del sistema. Este artículo propone una topología CHBs-MLC aislada que supera eficazmente las armónicas de doble frecuencia de línea y ofrece aislamiento. En la topología propuesta, cada fuente de CC (fuente de energía renovable) suministra una carga trifásica en lugar de una carga monofásica que se observa en los MLC convencionales. Esto se logra mediante el uso de un transformador de alta frecuencia (HFT) de múltiples devanados. El devanado primario consiste en un devanado conectado a las fuentes de CC. Los devanados secundarios consisten en tres devanados, cada uno suministrando una fase de la carga. Esta configuración reduce las ondulaciones de la tensión de enlace de CC, mejorando así la calidad de la energía. Las fuentes de energía renovable fotovoltaica (PV) se consideran como las fuentes de CC. Se presenta un estudio de caso de un sistema fotovoltaico (PV) de 1.0 MW y 13.8 kV, considerando dos escenarios: variaciones en la irradiación solar y un 25% de pérdida parcial de paneles. Las simulaciones y resultados de diseño muestran los beneficios de la topología propuesta, incluyendo una reducción de siete veces en el volumen del capacitor, una reducción de 2.7 veces en el volumen del núcleo del transformador, una disminución del 50% en la THD de corriente y una reducción del 30% en la THD de tensión en comparación con los MLC convencionales. El principal desafío de la topología propuesta es el uso de más interruptores en comparación con los MLC convencionales. Sin embargo, con el avance de la tecnología, se espera que el costo disminuya con el tiempo.
Descripción
Al conectar una fuente de energía renovable a una red de media tensión, debe cumplir con los códigos de la red y ser capaz de operar en un rango de media tensión (>10 kV). Los convertidores multinivel (MLC) son reconocidos por su baja distorsión armónica total (THD) y su capacidad para trabajar a alta tensión en comparación con otros tipos de convertidores, lo que los hace ideales para aplicaciones conectadas a redes de media tensión, cumpliendo con los códigos de la red y las clasificaciones de tensión. Los convertidores multinivel en cascada tipo H (CHBs-MLC) son un tipo de topología MLC, y no necesitan capacitores ni diodos para el acoplamiento como otras topologías MLC. Uno de los problemas en estos tipos de convertidores involucra las armónicas de doble frecuencia en la tensión y potencia de enlace de CC, lo que puede aumentar el tamaño de los capacitores y convertidores. El uso de transformadores de frecuencia de línea para aislamiento es otro factor que incrementa el tamaño del sistema. Este artículo propone una topología CHBs-MLC aislada que supera eficazmente las armónicas de doble frecuencia de línea y ofrece aislamiento. En la topología propuesta, cada fuente de CC (fuente de energía renovable) suministra una carga trifásica en lugar de una carga monofásica que se observa en los MLC convencionales. Esto se logra mediante el uso de un transformador de alta frecuencia (HFT) de múltiples devanados. El devanado primario consiste en un devanado conectado a las fuentes de CC. Los devanados secundarios consisten en tres devanados, cada uno suministrando una fase de la carga. Esta configuración reduce las ondulaciones de la tensión de enlace de CC, mejorando así la calidad de la energía. Las fuentes de energía renovable fotovoltaica (PV) se consideran como las fuentes de CC. Se presenta un estudio de caso de un sistema fotovoltaico (PV) de 1.0 MW y 13.8 kV, considerando dos escenarios: variaciones en la irradiación solar y un 25% de pérdida parcial de paneles. Las simulaciones y resultados de diseño muestran los beneficios de la topología propuesta, incluyendo una reducción de siete veces en el volumen del capacitor, una reducción de 2.7 veces en el volumen del núcleo del transformador, una disminución del 50% en la THD de corriente y una reducción del 30% en la THD de tensión en comparación con los MLC convencionales. El principal desafío de la topología propuesta es el uso de más interruptores en comparación con los MLC convencionales. Sin embargo, con el avance de la tecnología, se espera que el costo disminuya con el tiempo.