Sistema de almacenamiento energético con supercapacitores basado en un convertidor multinivel modular con auto-equilbrio embebido
Publisher
Fernado DávalosHernández
Date Issued
2024
Author(s)
Advisor(s)
Rodrigo Cruz, Pedro Manuel
Type
text::thesis::doctoral thesis
Abstract
A medida que las fuentes de energía renovable interconectadas a la red aumentan,
una solución viable para sostener la estabilidad de la red es mediante la implementación
de Sistemas de Almacenamiento de Energía Distribuida (ESS, por sus siglas en inglés) a
lo largo de la red. Para esta aplicación, los ESS deben ser capaces de manejar altas
potencias en el rango de milisegundos a segundos, por lo que los Supercapacitores (SCs,
por sus siglas en inglés) son dispositivos atractivos para cumplir con este requisito. El
objetivo de la investigación es diseñar una topología de ESS que pueda ser expandible y
escalable, evitando la complejidad de los sistemas actuales mediante el enfoque del
Convertidor Multinivel Modular (MMC, por sus siglas en inglés). Por esta razón, un
aspecto importante es mejorar los submódulos con capacidades de autobalance para
acomodar tantos SCs como lo requiera la aplicación de la red.
Los MMCs han sido ampliamente estudiados para aplicaciones de corriente
continua de alta tensión, aunque son una tecnología costosa, los beneficios de
implementarlos en proyectos a gran escala los convierten en una solución viable en
contraste con las líneas de corriente alterna tradicionales, ya que proporcionan una forma
más robusta y eficiente de transferir energía a largas distancias. Se ha realizado poca
investigación en aplicaciones de MMC de baja tensión debido a la complejidad del
controlador y los beneficios limitados en eficiencia, pero es un enfoque innovador agregar
a cada Submódulo (SM) un dispositivo de almacenamiento de energía para crear un ESS.
El ESS resultante puede escalar más rápidamente, ya que es posible simplemente agregar
más SMs al sistema en serie para aumentar el voltaje o en paralelo para aumentar la
potencia. Además, con la capacidad añadida de autobalance en los SCs, se puede diseñar
un ESS robusto en comparación con los tradicionales, que requieren etapas de potencia
independientes para lograr el sistema de balanceo, el convertidor CC/CC y el inversor
CC/CA.
Este trabajo de investigación cubre en detalle la metodología de diseño del MMC
propuesto, las simulaciones que validan la propuesta y la operación de interconexión a la
red, una metodología de optimización para analizar la eficiencia y mejorarla, y finalmente
dos prototipos utilizados para validar el ESS basado en MMC propuesto. El primer
prototipo a escala de laboratorio valida la operación del ESS basado en MMC, y el
segundo prototipo valida las mejoras de eficiencia realizadas según la metodología de
optimización, logrando alrededor de ~93% de eficiencia para un ESS basado en MMC de
baja tensión completo de 220VAC y 16kW.
En línea con la misión del Centro de Energía y Tecnología de Skoltech y la
Facultad de Ingeniería de la Universidad Panamericana, esta investigación en conversión
de energía puede proporcionar un convertidor ESS basado en MMC eficiente y puede ser
utilizado para mejorar las capacidades de control de frecuencia de la red. Para concluir,
se realizó una contribución relevante al campo de los MMCs de baja tensión con este
trabajo de investigación de doctorado.
una solución viable para sostener la estabilidad de la red es mediante la implementación
de Sistemas de Almacenamiento de Energía Distribuida (ESS, por sus siglas en inglés) a
lo largo de la red. Para esta aplicación, los ESS deben ser capaces de manejar altas
potencias en el rango de milisegundos a segundos, por lo que los Supercapacitores (SCs,
por sus siglas en inglés) son dispositivos atractivos para cumplir con este requisito. El
objetivo de la investigación es diseñar una topología de ESS que pueda ser expandible y
escalable, evitando la complejidad de los sistemas actuales mediante el enfoque del
Convertidor Multinivel Modular (MMC, por sus siglas en inglés). Por esta razón, un
aspecto importante es mejorar los submódulos con capacidades de autobalance para
acomodar tantos SCs como lo requiera la aplicación de la red.
Los MMCs han sido ampliamente estudiados para aplicaciones de corriente
continua de alta tensión, aunque son una tecnología costosa, los beneficios de
implementarlos en proyectos a gran escala los convierten en una solución viable en
contraste con las líneas de corriente alterna tradicionales, ya que proporcionan una forma
más robusta y eficiente de transferir energía a largas distancias. Se ha realizado poca
investigación en aplicaciones de MMC de baja tensión debido a la complejidad del
controlador y los beneficios limitados en eficiencia, pero es un enfoque innovador agregar
a cada Submódulo (SM) un dispositivo de almacenamiento de energía para crear un ESS.
El ESS resultante puede escalar más rápidamente, ya que es posible simplemente agregar
más SMs al sistema en serie para aumentar el voltaje o en paralelo para aumentar la
potencia. Además, con la capacidad añadida de autobalance en los SCs, se puede diseñar
un ESS robusto en comparación con los tradicionales, que requieren etapas de potencia
independientes para lograr el sistema de balanceo, el convertidor CC/CC y el inversor
CC/CA.
Este trabajo de investigación cubre en detalle la metodología de diseño del MMC
propuesto, las simulaciones que validan la propuesta y la operación de interconexión a la
red, una metodología de optimización para analizar la eficiencia y mejorarla, y finalmente
dos prototipos utilizados para validar el ESS basado en MMC propuesto. El primer
prototipo a escala de laboratorio valida la operación del ESS basado en MMC, y el
segundo prototipo valida las mejoras de eficiencia realizadas según la metodología de
optimización, logrando alrededor de ~93% de eficiencia para un ESS basado en MMC de
baja tensión completo de 220VAC y 16kW.
En línea con la misión del Centro de Energía y Tecnología de Skoltech y la
Facultad de Ingeniería de la Universidad Panamericana, esta investigación en conversión
de energía puede proporcionar un convertidor ESS basado en MMC eficiente y puede ser
utilizado para mejorar las capacidades de control de frecuencia de la red. Para concluir,
se realizó una contribución relevante al campo de los MMCs de baja tensión con este
trabajo de investigación de doctorado.
License
Acceso Abierto
How to cite
Dávalos Hernández, F. (2024). Sistema de almacenamiento energético con supercapacitores basado en un convertidor multinivel modular con auto-equilbrio embebido. (Tesis de Doctorado). Universidad Panamericana.
Table of contents
Resumen ............................................................................................................... 2
Abstract................................................................................................................. 4
Publications .......................................................................................................... 6
Acknowledgments................................................................................................ 7
Table of Contents ................................................................................................. 8
List of Abbreviations.......................................................................................... 10
List of Figures..................................................................................................... 12
List of Tables...................................................................................................... 16
1. Introduction .............................................................................................. 17
1.1. Why ESSs are needed, application examples....................................... 18
1.2. Types of energy storage devices and systems ...................................... 20
1.3. ESS grid synchronization...................................................................... 25
1.4. The basic elements of ESSs.................................................................. 26
1.5. Objective of the research and structure................................................. 29
Chapter 2. Literature Review........................................................................... 31
2.1. High-gain DC/DC converters ............................................................... 32
2.2. Bidirectional multi-level converters ..................................................... 38
2.3. MMC-based Energy Storage Systems.................................................. 45
2.4. Comparison of MMC-based ESSs (efficiencies, costs, THD, and volume)
Chapter 3. Proposed MMC .............................................................................. 54
3.1. Principle of operation............................................................................ 55
3.1.1 Buck-mode (VSC → VO) .................................................................. 57
3.1.2 Boost-mode (VO → VSC)................................................................. 65
3.1.3. Small-signal analysis..................................................................... 68
3.2. Proposed MMC with one SC per SM ................................................... 71
3.2.1. SM Self-balancing technique.......................................................... 72
3.2.2. General MMC controller ................................................................ 74
3.2.3. Simulation results........................................................................... 79
3.3. Extension to three-phase system........................................................... 83
3.4. Multiple SCs per SM analysis and formulation.................................... 84
3.4.1. Sensitivity analysis - methodology................................................. 85
3.4.2. Case study: 3000F SC cell.............................................................. 90
3.4.3. Results of the analysis .................................................................... 93
3.4.3.1. MMC self-balance and internal BB equalization test.................. 93
3.4.3.2. SMs’ efficiency through the entire discharge.............................. 95
3.4.3.3. MMC overall efficiency. ............................................................. 98
Chapter 4. Experimental results and validations............................................ 102
4.1. Prototype with a single SC per SM..................................................... 102
4.2. Prototype with 4 SCs per SM obtained after the sensitivity analysis. 106
Conclusions and future work............................................................................ 111
Appendix .......................................................................................................... 114
References ........................................................................................................ 121
Abstract................................................................................................................. 4
Publications .......................................................................................................... 6
Acknowledgments................................................................................................ 7
Table of Contents ................................................................................................. 8
List of Abbreviations.......................................................................................... 10
List of Figures..................................................................................................... 12
List of Tables...................................................................................................... 16
1. Introduction .............................................................................................. 17
1.1. Why ESSs are needed, application examples....................................... 18
1.2. Types of energy storage devices and systems ...................................... 20
1.3. ESS grid synchronization...................................................................... 25
1.4. The basic elements of ESSs.................................................................. 26
1.5. Objective of the research and structure................................................. 29
Chapter 2. Literature Review........................................................................... 31
2.1. High-gain DC/DC converters ............................................................... 32
2.2. Bidirectional multi-level converters ..................................................... 38
2.3. MMC-based Energy Storage Systems.................................................. 45
2.4. Comparison of MMC-based ESSs (efficiencies, costs, THD, and volume)
Chapter 3. Proposed MMC .............................................................................. 54
3.1. Principle of operation............................................................................ 55
3.1.1 Buck-mode (VSC → VO) .................................................................. 57
3.1.2 Boost-mode (VO → VSC)................................................................. 65
3.1.3. Small-signal analysis..................................................................... 68
3.2. Proposed MMC with one SC per SM ................................................... 71
3.2.1. SM Self-balancing technique.......................................................... 72
3.2.2. General MMC controller ................................................................ 74
3.2.3. Simulation results........................................................................... 79
3.3. Extension to three-phase system........................................................... 83
3.4. Multiple SCs per SM analysis and formulation.................................... 84
3.4.1. Sensitivity analysis - methodology................................................. 85
3.4.2. Case study: 3000F SC cell.............................................................. 90
3.4.3. Results of the analysis .................................................................... 93
3.4.3.1. MMC self-balance and internal BB equalization test.................. 93
3.4.3.2. SMs’ efficiency through the entire discharge.............................. 95
3.4.3.3. MMC overall efficiency. ............................................................. 98
Chapter 4. Experimental results and validations............................................ 102
4.1. Prototype with a single SC per SM..................................................... 102
4.2. Prototype with 4 SCs per SM obtained after the sensitivity analysis. 106
Conclusions and future work............................................................................ 111
Appendix .......................................................................................................... 114
References ........................................................................................................ 121