Análisis, diseño y construcción de un proveedor de bus para sistemas de distribución en corriente continua domésticos

Abstract

El objetivo de este trabajo es proporcionar una guía de diseño para el convertidor que genera y regula el bus de baja tensión en un Sistema de Distribución de Energía en Corriente Continua (SDC) doméstico. El diseño de este Proveedor de Bus (PdB) se ha optimizado para operar con una alta eficiencia y una buena calidad de suministro eléctrico, gestionando flujos de potencia bidireccionales. Se estudia además la interacción entre el PdB y las cargas y fuentes de energía conectadas por el usuario a los buses de baja tensión, dando directrices para asegurar la estabilidad del sistema. Este trabajo se plantea con la mayor generalidad posible para poder aplicar los procedimientos descritos a otros convertidores del SDC. Este trabajo de tesis comienza con una introducción a los sistemas de distribución de energía eléctrica, repasando su historia, características principales y diferentes aplicaciones en el Capítulo 1. En este se detallan, además, los objetivos, las contribuciones realizadas en este trabajo y las publicaciones asociadas. En el Capítulo 2 se realiza un análisis de los sistemas de distribución de energía que se utilizan actualmente en entornos domésticos y espacios ocupados. Puesto que no existe un estándar ampliamente aceptado que regule la distribución de energía eléctrica en corriente continua en el hogar, se propone una arquitectura para el SDC que se adapta a las necesidades del usuario a la vez que proporciona un solución sencilla, segura y eficiente. En base a las conclusiones alcanzadas tras el el análisis, en este capítulo se escogen los parámetros eléctricos del sistema y el número de buses a utilizar, se dimensiona el PdB y se seleccionan los convertidores que lo integrarán. En el Capítulo 3 se aborda el diseño del convertidor reductor síncrono que se integra en el PdB. En primer lugar, se realiza un análisis sobre los requisitos de diseño en un SDC doméstico como interfaz con el usuario. Teniendo en cuenta las restricciones encontradas, se propone un procedimiento de diseño sencillo para minimizar las pérdidas cumpliendo con los requisitos impuestos. Puesto que este procedimiento de diseño exige tomar un reducido número de decisiones de forma arbitraria, en este capítulo se realiza un estudio del efecto que tienen dichos parámetros de diseño sobre los resultados obtenidos. Se consideran además diferentes métodos de control, estudiando sus ventajas e inconvenientes con respecto al control en modo tensión. Finalmente se examina el efecto que estos métodos de control tienen sobre el algoritmo de diseño propuesto en el capítulo anterior para el convertidor reductor síncrono y se describe con detalle cómo adaptar su implementación tradicional a las necesidades impuestas por su integración en el PdB. Los resultados teóricos obtenidos en este capítulo se verifican con la construcción de varios prototipos de convertidor reductor síncrono, con diferentes etapas de potencia y controles, sobre los que se realizan medidas experimentales. En el Capítulo 4 se realiza un estudio del Dual Active Bridge (DAB) de forma análoga al que se hace para el convertidor reductor síncrono. En este capítulo se estudian en primer lugar las características del DAB y su mecanismo de conmutación suave. Se propone una modificación del procedimiento de diseño propuesto para minimizar las pérdidas del DAB utilizando un único elemento magnético que integra la inductancia de dispersión y la inductancia magnetizante y asegura la conmutación suave en todo el rango de potencias. En este capítulo se realiza también un estudio del comportamiento dinámico del DAB y se compara con los modelos existentes. Finalmente, se construye un prototipo del DAB sobre el que se validan experimentalmente los resultados teóricos obtenidos. En el Capítulo 5 se integra el DAB dentro del del PdB y se estudia su comportamiento dinámico cuando este tiene que gestionar la energía procesada por los múltiples reductores síncronos que forman la interfaz con el usuario. De los resultados obtenidos de esta integración se extraen conclusiones sobre posibles mejoras del sistema para incrementar su robustez y fiabilidad. La verificación experimental se realiza colocando cinco reductores síncronos a la salida del DAB para proporcionar cinco canales independientes de 24V y 100W desde un bus de 380V. Se utilizan además cargas pasivas y cargas activas para simular condiciones reales de funcionamiento del PdB. Finalmente, el en Capítulo 6 se extraen las conclusiones más relevantes de este trabajo así como líneas de investigación futuras en este campo. RESUMEN (en Inglés) The main objective of this work is to provide design guidelines for the power converter which provides and manages the low voltage bus in a domestic Direct Current Power Distribution System (SDC). The design of this Bus Provider (PdB) has been optimized to be highly efficiency while providing a good power quality and managing bidirectional power flows. Additionally, the interaction of the PdB with the different loads and power sources that the user can connect to the low voltage bus is analysed, providing rules to ensure the system stability. This work is performed in a generalized manner in order to be able to apply the described procedures to different topologies or applications. This work starts with an introduction to power distribution systems. Chapter 1 provides an overview of their history, main features and different applications where they are commonly used. The objectives, contributions and publications associated with this work are also detailed in this chapter. Chapter 2 analyses the power distribution systems which are currently used for domestic and occupied spaces. As there is no widely accepted standard for DC power distribution at home, an architecture for the SDC is proposed in order to fulfil the user needs and provide a simple, safe and efficient solution. Based on this proposal, the electrical characteristics of the system and the number of buses are defined, the PdB is sized and the topology of the converters which will be used are chosen. Chapter 3 deals with the design of the synchronous buck converter which is part of the PdB. First of all, a thorough analysis of the design requirements of the domestic user interface is performed. Taking into account these findings, a design procedure is proposed in order to minimize the losses of the buck converter while complying with the imposed requirements. As this design procedure requires the arbitrary selection of a small amount of parameters, this chapter analyses how each of them affects the procedure outcomes. Different control methods are also considered, discussing their advantages and disadvantages compared with the voltage mode control. Finally, the effect these controls have on the proposed design procedure is assessed, also describing how the practical implementation has to be adapted to account for the bidirectional operation modes and the PdB requirements. The theoretical results from this chapter are verified by building and testing several synchronous buck converter prototypes, with different power stages and control implementations. Thorough measurements are performed to validate the proposed design procedure. Chapter 4 analyses the Dual Active Bridge (DAB) in a similar manner to the study performed in the previous chapter for the buck converter. In this chapter, the main features of the DAB are studied, as well as its soft switching mechanism. A modified design procedure is proposed for this topology, integrating the leakage and magnetizing inductances in a single magnetic core in order to ensure soft switching in the whole operating power range. In this chapter, the dynamic behaviour of the DAB is also studied and the obtained results are compared with the existing models. A DAB prototype is built in order to experimentally validate the analysis performed in this chapter. In Chapter 5 the DAB is installed within the PdB and its dynamic behaviour is studied then it has to manage the power flows of the multiple buck converters which provide the PdB’s user interface. Conclusions are drawn from the theoretical an experimental results, leading to suggestions about how to enhance the system increasing its robustness and reliability. The experimental verification is performed by assembling a PdB with the DAB prototype and five identical synchronous buck converters, providing five independent 24V, 100W channels from a single 380V bus. Passive and active loads are used to simulate real operating conditions. Finally, Chapter 6 summarizes the outcomes of this work as well as future research lines in this field.