Resumen de Modelado comportamental de convertidores CC-CC para el análisis y simulación de sistemas distribuidos de potencia
La presente Tesis doctoral está dirigida al modelado comportamental de convertidores cc-cc, tanto de una salida como de varias salidas, para la simulación y el análisis de sistemas de alimentación distribuida. Estos modelos se caracterizan porque son parametrizables y están basados en las especificaciones que proporcionan los fabricantes en sus hojas de características o en medidas de los mismos. Para ello se propone de forma original un modelo comportamental híbrido que tiene en cuenta el comportamiento estático del convertidor, su comportamiento dinámico y su comportamiento dirigido por eventos (señal de encendido, protecciones de temperatura, sobre-corriente, baja o alta tensión de entrada, etc.). Asimismo, se propone de forma original la extensión del modelo comportamental a convertidores con capacidad de puesta en paralelo y la aplicación de los mismos al análisis y simulación de sistemas distribuidos de potencia. El problema que se aborda cubre todo tipo de topologías distintas: reductor, elevador, reductor-elevador, convertidores con aislamiento (directo, retroceso, medio puente, puente completo, etc.), convertidores resonantes, cuasi-resonantes, con modulación de ancho de pulso y, todos ellos, con distintas posibilidades en cuanto a su control. La complejidad de abordar con un único modelo las distintas alternativas existentes en la realización de convertidores cc-cc se incrementa al incluir dentro de los objetivos de la presente tesis la extensión de la técnica de modelado propuesta a: • Convertidores multisalida, donde además de las distintas topologías y estrategias de control aparece la posibilidad de tener salidas acopladas, bien a través de elementos magnéticos o del control, y salidas post-reguladas. • Convertidores con capacidad de puesta en paralelo con distintas estrategias de reparto de carga: Maestro Automático, Maestro Dedicado y programación promediada Respecto a la estructura de los modelos propuestos, se ha buscado que tenga significado físico para facilitar el proceso de identificación de los parámetros. Además, su concepción ha estado enfocada de forma que puedan ser implementados en simuladores comerciales (PSPICE, SABER, SIMPLORER, SIMULINK) o mediante lenguajes de descripción hardware como VHDL-AMS o MAST. Estas características han llevado a la aplicación de un trabajo sistemático de validación a tres niveles, comparando el comportamiento de los modelos propuestos frente a simulaciones, convertidores comerciales de distintos fabricantes y validando su comportamiento dentro de un sistema distribuido de potencia real. La memoria de esta tesis se ha estructurado a través de los siguientes capítulos: Capítulo 1. En este capítulo se resalta la tendencia existente hacia soluciones distribuidas en el procesamiento de la energía y como esta repercute en la dificultad de análisis y diseño de los mismos. En él se describen tres escenarios distintos: el avión más eléctrico, la estación espacial internacional y los servidores de datos. En ellos se aprecia claramente el incremento de la complejidad de los sistemas de alimentación y la necesidad de la simulación. En dicho capítulo se recorren cronológicamente las técnicas de modelado de convertidores cc-cc así como el alcance de cada una de ellas y su aplicación a la simulación de sistemas distribuidos de potencia. Finalmente se muestra el alcance y limitaciones de los modelos comportamentales. Capítulo 2. Se desarrolla el modelo comportamental de los convertidores cc-cc, tanto de una salida como de varias salidas. Las características principales del modelo propuesto son, por un lado, que su identificación está basada en las hojas de datos de los fabricantes y, por otro lado, que son parametrizables. En dicho capítulo se propone abordar su modelado considerando a los convertidores como un sistema híbrido, con dos bloques: un bloque que gestiona los eventos del convertidor (señal de habilitación y protecciones) indicando su estado de funcionamiento, y otro bloque que modela la etapa de potencia y el control. Este último bloque se modela utilizando una estructura que permite desacoplar el comportamiento estático no lineal de la dinámica lineal, conocida como estructura de tipo Wiener-Hammerstein. Capítulo 3. Se propone una nueva estructura basada en la propuesta en el capítulo 2 para modelar convertidores con reparto activo de carga a través de un bus. En dicho capítulo se hace un repaso de las distintas alternativas para conseguir reparto de carga, tanto activas como pasivas, y se muestra como pueden ser implementadas por medio de los modelos comportamentales. Respecto a las técnicas de reparto activa de carga se aborda el modelado de los tres tipos comunes: maestro dedicado, maestro automático y programación promediada. Capítulo 5. Se aplican los modelos comportamentales a la simulación y análisis de sistemas distribuidos de potencia. Se analiza la influencia de características de los convertidores, como la constante de tiempo de arranque y el retardo en el encendido, en la estabilidad en gran señal y se detalla qué tipos de simulaciones se pueden realizar para analizar el comportamiento de los sistemas distribuidos de potencia. Capítulo 6. Se realiza la validación de los modelos comportamentales propuestos a tres niveles: • En un primer nivel se comparan los resultados respecto a modelos promediados y conmutados de los convertidores. Esto permite conocer el alcance en función de la topología y la estrategia de control. Dicha validación se ha llevado a cabo con convertidores con transferencia directa e indirecta de energía y con control modo corriente de pico, promediada y modo tensión. En el caso de convertidores de múltiples salidas se ha hecho la distinción entre convertidores con acoplamiento fuerte entre salidas y con acoplamiento débil, validando ambas familias. • En un segundo nivel se ha realizado una comparación con distintos convertidores comerciales para comprobar la validez de los modelos respecto al comportamiento estático, al comportamiento dinámico y a su comportamiento dirigido por eventos. • Por último se han validado los modelos comportamentales propuestos a nivel de sistema de comparando los resultados de medidas y simulaciones sobre un sistema real de alimentación para un equipo embarcado en un avión. Dicha comparación permite evaluar de forma más precisa la validez de los modelos para representar el comportamiento de los convertidores, así como determinar la velocidad y convergencia de las simulaciones de grandes sistemas de alimentación distribuidos. Finalmente, en el capítulo 7 se hace un resumen de las principales aportaciones y líneas de futuro.
