Tesis doctorales DIEE - IEES Doktoretza tesiak

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http://hdl.handle.net/2454/14776

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Análisis, diseño y control de convertidores multinivel
(2016) Burguete Archel, Eduardo; López Taberna, Jesús; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
Esta tesis doctoral se enmarca en el proyecto “Azimut: Energía Eólica Offshore 2020" cuyo objetivo es el desarrollo de nuevas estructuras de conversión que permitan alcanzar una mayor potencia y tensión para aplicaciones de generación eólica en parques offshore. Tradicionalmente, los aerogeneradores se han diseñado para trabajar con redes de 690 V. Este nivel de tensión, sin embargo, resulta cada vez más pequeño a medida que aumenta la potencia de los aerogeneradores. Las aplicaciones offshore, además, emplean casi de forma generalizada estructuras full-converter que requieren convertidores de mucho mayor tamaño que los hasta ahora dominantes sistemas DFIG. Todo ello hace que exista un fuerte interés en aumentar la tensión de trabajo de manera a poder trabajar con una potencia cada vez mayor sin que la corriente aumente de forma inmanejable. Distintos fabricantes trabajan ya en esta línea y actualmente existen en el mercado turbinas comerciales que trabajan a una tensión de 3.3 kV para lo cual emplean convertidores de tres niveles, normalmente de tipo NPC. En un futuro próximo se prevé que la tensión siga aumentando hasta alcanzar tensiones de 6.6 kV. La finalidad de este trabajo de investigación es la concepción de un convertidor capaz de trabajar con una potencia de 10 MW conectado a una red de 6.6 KV. Para ello se parte de la base de que el convertidor empleará una topología de 5 niveles lo que permitirá alcanzar estos valores empleando IGBTs de 4.500 V y 1.200 A. La tesis repasa las topologías existentes en la literatura actual y las analiza desde el punto de vista de las duras condiciones propias de las aplicaciones eólicas full-converter (que deben trabajar en un rango de variación total del índice de modulación y del factor de potencia). Debido a los diversos inconvenientes que presentan, se han propuesto dos nuevas estructuras de convertidores de 5 niveles. La tesis presenta además una novedosa modulación vectorial que permite controlar todas las variables de las nuevas topologías y, al mismo tiempo, asegurar una frecuencia fija de conmutación de los semiconductores. Finalmente, las ventajas de las topologías propuestas, así como de su modulación, son corroboradas experimentalmente.
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Conexión en paralelo de convertidores para la generación de la red auxiliar de un tren
(2014) Garralda Sanz, Daniel; Gubía Villabona, Eugenio; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
Los equipos de potencia destinados a crear la red eléctrica interna que alimenta todos los sistemas eléctricos del tren, a excepción de los motores de tracción, se denominan sistemas de alimentación auxiliar y constituyen el tema objeto de esta tesis. La elevada potencia demandada, junto con la redundancia necesaria, ha propiciado que se opte por configuraciones donde se conectan convertidores trifásicos en paralelo, siendo esencial la sincronización de las tensiones de salida de cada uno de ellos. Básicamente se diferencian dos modos de funcionamiento; modo centralizado, donde un único sistema de control gestiona la conmutación de los convertidores y modo distribuido, donde cada convertidor trabaja de forma independiente. En ambos casos se busca un reparto equilibrado de la potencia suministrada a la red auxiliar. Esta tesis aporta un novedoso enfoque para el análisis de la conexión de equipos en paralelo, definiendo modelos que permiten conocer la dinámica de la potencia suministrada por los convertidores en los sistemas centralizados y distribuídos.
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Conversión de energía en generadores eólicos con MSIP de gran potencia
(2015) Juankorena Saldias, Xabier; López Taberna, Jesús; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
Tras un primer capítulo de introducción y objetivos, en el capítulo 2 se describe el sistema analizado, explicando los diferentes elementos que lo componen. También se modeliza la MSIP y se detalla el esquema que se ha utilizado para controlar el sistema de conversión. En el capítulo 3 se introduce el convertidor NPC, comentando sus características y funcionamiento, y se analizan las modulaciones escalar y vectorial y el control de la tensión del punto medio de dicho convertidor. El capítulo 4 se ocupa de la paralelización de convertidores. En él, se modeliza la interacción entre varios convertidores puestos en paralelo y se comentan varias maneras de realizar esta paralelización y de controlar los convertidores. Se analiza un problema de estabilidad del sistema que puede surgir en caso de utilizar un esquema de control en particular, dando las pautas para detectarlo y proponiendo un esquema de control alternativo para solucionarlo. También se presenta la que se considera la manera óptima de paralelizar convertidores en sistemas de generación eólicos. Los capítulos 5 y 6 se dedican a los huecos de tensión. En el capítulo 5 se dan diferentes opciones para solucionar el problema de la disminución de la potencia vertida a red originado por los huecos trifásicos. En el capítulo 6 se analizan los problemas originados por los desequilibrios en la red y se proponen posibles soluciones. En el capítulo 7 se presenta un novedoso método de control que permite realizar regulación primaria a nivel de aerogenerador. Por último, en el capítulo 8 se trata de reducir las corrientes por tierra en sistemas con convertidor NPC. Para ello, primero se obtiene un modelo del sistema en modo común, para después presentar varias modulaciones que reducen la tensión en modo común introducida por el convertidor NPC.
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Estrategias avanzadas de gestión energética basadas en predicción para microrredes electrotérmicas
(2016) Pascual Miqueleiz, Julio María; Marroyo Palomo, Luis; Sanchis Gúrpide, Pablo; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
El primer objetivo concreto de la tesis consiste en estudiar los perfiles de potencia de los diferentes elementos de la microrred y su interacción, ya sea directa, en el caso de flujos de potencia confluyentes, o indirecta, en el caso de la posible interacción de distintos sistemas (sistema eléctrico y térmico). Este análisis se realiza en el Capítulo 2. El segundo objetivo es el diseño de estrategias de gestión energética para la microrred y evaluación comparativa en base a criterios específicos de calidad. Este objetivo se desarrolla en los Capítulos 3 a 7. En los Capítulos 3 y 4, se desarrollan y analizan estrategias de gestión sin datos de predicción. Las estrategias del Capítulo 3 basan su gestión en el control de la batería en función del balance de potencias instantáneo, mientras que en el Capítulo 4 se desarrollan estrategias de similar estructura, pero basándose en el balance energético diario en la microrred. Consecuencia del análisis de estas primeras estrategias, se verá la necesidad de utilizar predicción de la potencia. Para ello, se analiza en el Capítulo 5 la predicción del consumo y de la generación estudiando por separado los datos medidos por los vatímetros y la estación meteorológica de la microrred, los datos de predicción meteorológica ofrecidos por el servidor utilizado y los modelos físicos que ayudan a transformar los datos de variables ambientales en datos de potencia generada. Posteriormente, en el Capítulo 6 se analizan las ventajas de la utilización de los datos de predicción y cómo utilizarlos, poniéndose en práctica su uso. La estructura del control propuesto es similar a la vista en el Capítulo 4, pero, debido a la naturaleza de los datos de predicción, se desarrolla un nuevo control de la batería basado en el error de la predicción. Este control mejora notablemente los resultados en comparación con los obtenidos en las estrategias previas. No obstante, del análisis de esta estrategia, queda patente la influencia que tiene el sistema térmico sobre el eléctrico, que puede ser negativa si se deja que evolucione de forma independiente. Por el contrario, el sistema térmico puede ser muy beneficioso si la estrategia toma el control del mismo. Así, en el Capítulo 7, se hace uso de una caldera eléctrica gestionable, que hace de nexo entre el sistema eléctrico y el térmico, y un depósito de agua caliente que sirve de almacén de energía térmica. De esta forma, se fusiona la gestión de ambos sistemas creando un único sistema energético, denominado microrred electrotérmica. El tercer objetivo de la tesis es la validación experimental de los resultados obtenidos. Así, realizados los análisis de las distintas estrategias mediante simulación, se prueba su funcionamiento en la microrred instalada en el Laboratorio de Energías Renovables de la UPNA. Su implementación y los resultados obtenidos se detallan en el Capítulo 8. Finalmente, en el Capítulo 9 se repasan las principales conclusiones y se presentan las líneas futuras.
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Estructuras de conversión para sistemas fotovoltaicos de alta potencia
(2014) Borrega Ayala, Mikel; Marroyo Palomo, Luis; González Senosiain, Roberto; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
Dentro de las grandes plantas fotovoltaicas, el inversor es un elemento crítico y debe ayudar a reducir el coste de la misma. Los inversores de alta potencia utilizados utilizan tres tipos de arquitecturas de conversión: inversor centralizado, inversor multi-string y el inversor maestro-esclavo. A lo largo de esta tesis se han analizado los tres tipos, realizándose aportaciones sobre el estado del arte en todas ellas. La aportación principal es la nueva técnica de control propuesta para los inversores maestro-esclavo. Esta técnica de control elimina las corrientes circulantes entre los diferentes inversores de los que está compuesto el inversor maestro-esclavo, posibilitando la utilización de transformadores de un único secundario e inductancias trifásicas. Con el consiguiente ahorro económico. Otra aportación ha sido el análisis en modo común realizado a las tres arquitecturas de conversión. Se ha propuesto una metodología de diseño de los filtros en modo común que obtiene analíticamente las frecuencias de resonancia del circuito.
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Modelado y metodología analítica de diseño de transformadores de potencia y alta frecuencia: análisis de los devanados, optimización de eficiencia y densidad de potencia e integración en el diseño de convertidores electrónicos
(2015) Barrios Rípodas, Ernesto; Sanchis Gúrpide, Pablo; Ursúa Rubio, Alfredo; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
Esta tesis se centra en el estudio y análisis del diseño de transformadores de potencia y alta frecuencia. Los principales temas tratados en esta tesis se resumen a continuación: - Realización del estado del arte y síntesis del modelado de transformadores de potencia y alta frecuencia, haciendo especial hincapié en el estudio de los materiales magnéticos, los fenómenos de alta frecuencia en los devanados, el cálculo de pérdidas en el núcleo y en el cobre y las técnicas que permiten su atenuación. - Tratamiento específico de formas de onda no senoidales de tensión y corriente. - Realización del estado del arte de los métodos de diseño existentes. Evaluación de la bondad de las reglas de oro, rules of thumb, en el diseño de transformadores. - Análisis teórico del problema de diseño y definición del concepto de diseño óptimo en términos de densidad de potencia y eficiencia para un rango de frecuencias de 1 a 150 kHz y de potencias de 500 W a 25 kW. - Desarrollo de una metodología analítica de diseño que conduce al diseño óptimo en términos de selección del material magnético, proporciones y tamaño del núcleo magnético, disposición de los devanados (reparto de ventana e intercalado), tipo de cable y su dimensionado, y nivel de inducción magnética. - Ejemplos de diseño: inversor fotovoltaico y convertidor forward. Realización de diseños prácticos y verificación experimental. Tratamiento de la problemática de la medida de pérdidas en estas aplicaciones. - Estudio de las tendencias presentes en la densidad de potencia y la eficiencia de los diseños óptimos en función de la potencia y la frecuencia de la aplicación. - Proposición de diversas fórmulas para posibilitar la integración del diseño de transformadores en el proceso de diseño y dimensionado de los convertidores electrónicos de potencia.
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Modeling and control of stand-alone AC microgrids: centralized and distributed storage, energy management and distributed photovoltaic and wind generation
(2015) Urtasun Erburu, Andoni; Marroyo Palomo, Luis; Sanchis Gúrpide, Pablo; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
El aumento de la penetración de energías renovables en la red eléctrica es necesario para el desarrollo de un sistema sostenible. Para hacerlo posible técnicamente, se ha planteado el uso de microrredes, definidas como una combinación de cargas, generadores distribuidos y elementos de almacenamiento controlados gracias a una estrategia global de gestión energética. Además, las microrredes aumentan la fiabilidad del sistema puesto que pueden funcionar en modo aislado en caso de fallo de red. Esta tesis se centra en el desarrollo de microrredes AC en funcionamiento aislado. El objetivo principal es el diseño y la implementación de estrategias de gestión energéticas sin utilizar cables de comunicación entre los distintos elementos, lo que permite reducir los costes del sistema y aumentar su fiabilidad. Para ello, se abordan los siguientes aspectos: • Gestión energética de una microrred AC con generador diesel, almacenamiento centralizado y generación renovable distribuida • Diseño de técnicas de control “droop” para repartir la corriente entre inversores conectados en paralelo • Gestión energética de una microrred AC con almacenamiento distribuido y generación renovable distribuida • Control de la etapa DC/DC de inversores fotovoltaicos con pequeño condensador de entrada en el seno de una microrred • Control de extracción de máxima potencia sin sensores mecánicos para sistemas minieólicos en el seno de una microrred.
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The potential integration of distributed generation in medium & low voltage grids: the applicability of power flow and hardware-in-the-loop tools for simulation and validation
(2014) Mentesidi, Konstantina; Aguado Alonso, Mónica; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
The current thesis is dedicated to the penetration of DG technology into a MV/LV distribution network that may loosely represent an Island or autonomous power system since MV/LV levels are of high interest as most of distributed energy sources (DER) will be connected there. Two simulation tools will be utilised throughout this work to demonstrate the implementation of DG technology on distribution networks; the Siemens PTI, PSS/E software tool that allows for grid penetration and analysis studies and RTDS/RSCAD program that allows for real time simulations and execution of Power Hardware-in-the-loop (PHIL) tests.
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Sistemas de protección de turbinas eólicas basadas en DFIG ante huecos de tensión
(2015) Esandi Uriz, Iker; López Taberna, Jesús; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
Durante mucho tiempo, los huecos de tensión han supuesto un enorme quebradero de cabeza para muchos trabajadores del sector eólico. Era sabido que durante los huecos de tensión aparecía un elevado valor de corriente en el rotor que podía dañar el equipo, pero las causas de este comportamiento no estaban del todo claras y los estudios teóricos no aportaban demasiada luz al respecto. Sin embargo en los últimos años, se han sucedido las investigaciones que trataban esta problemática. La presente tesis se basa en la teoría postulada en este trabajo para tratar de encontrar soluciones que permitan a los aerogeneradores basados en DFIG combinar la función de protección y la de soporte de la red en caso de huecos de tensión. En la literatura aparecen numerosos estudios que abordan la problemática de los huecos de tensión en topología doblemente alimentada, donde se abordan teóricamente los efectos de los huecos de tensión, así como soluciones que permitan proteger a los equipos y dar soporte a la red eléctrica. Sin embargo, las soluciones más populares pasan por sistemas más simples que puedan formar parte del convertidor back to back de la turbina. Dentro de este tipo de sistemas, abundan los estudios de estructuras de protección similares al crowbar, o como el Smart® Crowbar de Ingeteam, que evita que el aerogenerador se desconecte de la red, protegiendo eficazmente el equipo. De forma adicional, se han encontrado en la literatura sistemas de protección alternativos basados en la colocación de impedancias adicionales en el rotor o bien basados en la colocación de un chopper en el bus DC. El objetivo de la presente tesis es buscar alternativas al crowbar tradicional que permitan proteger al convertidor de la turbina sin que ésta se desconecte de la red eléctrica e inyectar corriente reactiva lo más rápido posible. Se tratará de buscar soluciones tanto a nivel hardware, a nivel software como soluciones combinación de ambas.
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Tecnologías de alimentación renovable para invernaderos avanzados: diseño, caracterización, dimensionado y captadores fotovoltaicos
(2016) Moriana García, Irune; Sanchis Gúrpide, Pablo; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
El propósito general de esta tesis consiste en el estudio y análisis de los sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos de generación de energía eléctrica y su implementación en invernaderos. Concretamente, el trabajo realizado se enmarca en el CENIT (Consorcios Estratégicos Nacionales en Investigación Técnica) MEDIODÍA ('Multiplicación de Esfuerzos para el Desarrollo, Innovación, Optimización y Diseño de Invernaderos Avanzados'). El objetivo general de este proyecto consistió en realizar una investigación de carácter estratégico en el campo de la agricultura bajo plástico, para la obtención de nuevos conocimientos multidisciplinares que permitieran el futuro desarrollo de un nuevo concepto de invernadero avanzado. En este sentido, se definieron tres invernaderos prototipo de tres regiones climáticas en España: uno de cultivo hortícola en Almería, representativo de clima mediterráneo, otro de cultivo ornamental en Madrid, ejemplo de un clima continental, y otro de cultivo hortícola en Sartaguda, Navarra, representativo del clima típico del Valle del Ebro. La presente tesis se centra en el estudio de mejoras tecnológicas para el invernadero de Sartaguda. El trabajo se llevó a cabo con el apoyo de la empresa Acciona Energía, y se enfocó, principalmente, en tres direcciones: desarrollo de metodologías de análisis de consumos eléctricos en invernaderos, diseño avanzado de sistemas de alimentación renovables para invernaderos (especialmente de tipo eólico-fotovoltaico), y análisis y modelado de la producción eléctrica de sistemas fotovoltaicos basados en capa delgada y flexible para su incorporación a los invernaderos de tipo capilla.

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