Aprèn - Miguel Castilla Fernández

El presente trabajo presenta una estrategia de control basado en variable compleja para mitigar los desequilibrios de tensión en microrredes aisladas. El objetivo principal es minimizar el voltaje de secuencia negativa a la salida de los convertidores de potencia, mejorando la estabilidad energética suministrada a las cargas. La estrategia de control se implementa en un entorno de simulación Matlab/Simulink y se valida bajo diferentes escenarios de operación y perturbaciones. El sistema propuesto incorpora métodos para la obtención y detección de voltajes de secuencia negativa en cada inversor, esto se realiza mediante un integrador de segundo orden (SOGI) configurado adecuadamente para este propósito. Además, se integra un lazo de regulación de referencias de tensión positiva mediante el método Droop. Para la mitigación de voltajes de secuencia negativa se emplea un compensador basado en el método de variable compleja. Finalmente, una integración de ambos métodos. El diseño se evalúa tanto en condiciones equilibradas como en escenarios de desbalance accidental, considerando la inyección de componentes de secuencia negativa en un punto especifico de la red. Los resultados de simulación muestran la efectividad del control en la reducción del voltaje de secuencia negativa, manteniendo los parámetros de calidad de energía en niveles adecuados. Este método no requiere modificaciones de hardware ni sistemas de comunicaciones adicionales, consolidándose en un método practico para la compensación de desequilibrios en microrredes aisladas.

This work presents a control strategy based on complex variables to mitigate voltage imbalances in isolated microgrids. The main objective is to minimize the negative-sequence voltage at the output of power converters, thereby improving the energy stability delivered to the loads. The control strategy is implemented in a Matlab/Simulink simulation environment and validated under various operating scenarios and disturbances. The proposed system incorporates methods for obtaining and detecting negativesequence voltages in each inverter, achieved through a second-order generalized integrator (SOGI) specifically configured for this purpose. Additionally, a positive voltage reference regulation loop is integrated using the Droop method, while a compensator based on the complex variable method is employed to mitigate negative-sequence voltages. Finally, both methods are combined into a unified control strategy. The design is evaluated under balanced conditions as well as imbalance scenarios, considering the injection of negativesequence components at a specific point in the network. The proposed system includes a method to obtain and detect the negative-sequence voltage of each inverter, which is achieved by a second-order general integrator (SOGI) specially configured for this purpose. Additionally, the droop method integrates a positive voltage command control loop and uses an offset according to the complex variable method to reduce negative voltage. Finally, both methods are combined into an integrated control strategy. The design is evaluated under balanced and unbalanced conditions, considering the injection of negative components at specific points in the network.

Aquest treball presenta una estratègia de control basada en variables complexes per mitigar els desequilibris de tensió en microxarxes aïllades. L'objectiu principal és minimitzar la tensió de seqüència negativa a la sortida dels convertidors de potència, millorant així l'estabilitat energètica lliurada a les càrregues. L'estratègia de control s'implementa en un entorn de simulació Matlab/Simulink i es valida sota diversos escenaris operatius i pertorbacions. El sistema proposat incorpora mètodes per a l'obtenció i detecció de tensions de seqüència negativa en cada inversor, aconseguides mitjançant un integrador generalitzat de segon ordre (SOGI) específicament configurat per a aquesta finalitat. A més, s'integra un bucle de regulació de referència de tensió positiva mitjançant el mètode Droop, mentre que s'utilitza un compensador basat en el mètode variable complex per mitigar les tensions de seqüència negativa. Finalment, tots dos mètodes es combinen en una estratègia de control unificada. El disseny s'avalua en condicions equilibrades i en escenaris de desequilibri, considerant la injecció de components de seqüència negativa en un punt concret de la xarxa. El sistema proposat inclou un mètode per obtenir i detectar la tensió de seqüència negativa de cada inversor, que s'aconsegueix mitjançant un integrador general de segon ordre (SOGI) especialment configurat per a aquesta finalitat. A més, el mètode de caiguda integra un bucle de control de comandament de tensió positiva i utilitza un desplaçament segons el mètode variable complex per reduir la tensió negativa. Finalment, tots dos mètodes es combinen en una estratègia de control integrada. El disseny s'avalua en condicions equilibrades i desequilibrades, considerant la injecció de components negatius en punts concrets de la xarxa.

Control d'un sistema de dos inversors trifàsics connectats a una càrrega davant d'un curtcircuit entre dues fases

Treball Final de Grau

Rosell Pedreño, Ruben

Tutor/a - Director/a: Castilla Fernández, Miguel

Data de publicació: 2025

Escola Politècnica Superior d'Enginyeria de Vilanova i la Geltrú (EPSEVG)

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En les últimes dècades ha crescut l'interès per incorporar fonts d'energia renovable en la generació d'energia elèctrica, buscant millorar l'eficiència de la xarxa, deixar paulatinament de dependre dels combustibles fòssils i descentralitzar la generació, per a dotar a la xarxa de més flexibilitat i robustesa alhora. D'aquí sorgeix el concepte de micro-xarxa, que es pot definir com una petita part de la xarxa principal capaç d'operar de forma autònoma. Tot i això, aquest nou paradigma energètic que es planteja suposa nous reptes a l'hora de mantenir l'estabilitat de la xarxa, que passa per tenir un senyal elèctric continu i de qualitat. A més, quan una d'aquestes microxarxes opera de manera aïllada de la xarxa principal s'incrementa la vulnerabilitat davant fenòmens que puguin pertorbar el senyal. Aquest projecte està focalitzat en els mètodes de control usats en una micro-xarxa alimentada per fonts renovables i aïllada de la xarxa principal, formada per dos inversors trifàsics connectats en paral·lel a una càrrega resistiva, quan està operant en condicions normals i quan ha de fer front a un curtcircuit entre dues fases, que provocarà un sobrecorrent no desitjat que posarà en perill el correcte funcionament i la integritat de tot el sistema. Un control descentralitzat basat en el mètode droop es farà servir amb l'objectiu d'assolir un bon repartiment de potència entre els convertidors. Un llaç de control conegut com Impedància Virtual s'introduirà per millorar el funcionament del mètode droop, i també com una de les estratègies per limitar el sobrecorrent durant el curtcircuit. Finalment, el Compensador Proporcional Ressonant s'utilitzarà per mitigar els harmònics i per compensar l'error en estat estacionari. S'implementaran tres estratègies per limitar el sobrecorrent durant el curtcircuit, dues basades en la Impedància Virtual i una en la Limitació de la Magnitud del Voltatge de Referència. A més, dues d'aquestes estratègies es combinaran amb un llaç de control addicional de Saturació de Corrents per tal de limitar els pics dels sobrecorrents només durant els transitoris a l'inici de la pertorbació. El sistema físic i els algoritmes de control s'implementaran amb el programa MATLAB-Simulink per a ser simulats. Es presentaran i debatran els resultats de les simulacions.

Last decades, the interest in renewable energy power generation has rocketed, seeking to improve the efficiency of the grid, gradually stop depending on fossil fuels and decentralising power generation, in order to provide the grid with more flexibility and robustness. It is from here where the concept of microgrid arises, which is defined as a small part of the main grid capable of operating autonomously. However, this new proposed energy paradigm poses new challenges when it comes to maintaining the stability of the grid, which involves keeping a continuous and high-quality electrical signal. Moreover, when a microgrid operates isolated from the main grid, its vulnerability in front of phenomena that may distort the signal is incremented. This project is focused in the control methods used in an inverter-based microgrid formed by two three-phase two-level voltage source inverters sharing a resisitive load and operating in islanded mode, when it is working under normal conditions and when it has to face a short-circuit between two lines, which will provoke an undesired overcurrent that is bound to jeopardize the correct operation and the integrity of the entire system. Decentralized control based on the droop method is used with the aim of achieving a good power sharing between inverters. Virtual Output Impedance loop is introduced to enhance droop method operation as well as to limit the overcurrent during the short-circuit. PRES Compensator is used to mitigate harmonics and to compensate steady-state error. Three overcurrent limitation strategies will be implemented, two of them based on the Virtual Impedance and one on the Voltage Magnitude Limitation. Moreover, two of these strategies will be combined with an additional Current Saturation control loop in order to limit the overcurrents peaks during the transient response. The physical system and the control algorithms will be implemented in the MATLAB-Simulink platform in order to be simulated. Simulation results will be presented and discussed.

Evaluación de detectores y eliminadores de armónicos en sistemas eléctricos basados en multi-SOGI

Projecte Final de Màster Oficial

Xu, Zimu

Tutor/a - Director/a: Castilla Fernández, Miguel

Data de publicació: 2024

Escola Politècnica Superior d'Enginyeria de Vilanova i la Geltrú (EPSEVG)

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Con el rápido desarrollo de la tecnología moderna de electrónica de potencia, varios dispositivos electrónicos de potencia se utilizan ampliamente en diversos campos, como los sistemas de energía, la industria y el transporte, etc. Sin embargo, dado que los dispositivos electrónicos de potencia son un tipo de carga topológica no lineal variable en el tiempo, los armónicos y la potencia reactiva generados por ellos se inyectan en la red eléctrica, lo que aumentará la capacidad de los equipos y la pérdida de línea, provocará una disminución de la utilización de los equipos de generación y distribución de energía, afectará a la calidad del suministro eléctrico y supondrá una amenaza potencial para el funcionamiento seguro y estable del sistema eléctrico. Constituye una amenaza potencial para el funcionamiento seguro y estable del sistema eléctrico. En la actualidad, la contaminación armónica, las interferencias electromagnéticas y la reducción del factor de potencia se han convertido en las tres principales molestias del sistema eléctrico público, por lo que es de gran importancia práctica estudiar y analizar las causas de la generación de armónicos, proporcionar un buen método de detección para suprimir las interferencias armónicas en el sistema eléctrico y mejorar la calidad del funcionamiento de la red eléctrica. Se utiliza un método de detección de sincronización adaptable a la frecuencia para garantizar que la salida del convertidor de potencia se sincroniza con la red cuando ésta presenta condiciones como desequilibrio de tensión trifásica o contiene armónicos de baja frecuencia. El método se basa en una red de desacoplamiento basada en múltiples integradores generalizados de segundo orden, y la separación de las componentes fundamental y armónica se consigue mediante filtros equivalentes. El método puede detectar las componentes de secuencia positiva y negativa de la señal de potencia en la frecuencia fundamental, y también es adecuado para detectar las componentes continuas de múltiples armónicos. Los análisis teóricos y las simulaciones en Matlab muestran que el método de detección síncrona adaptable a la frecuencia puede obtener eficazmente la fase y la amplitud de los componentes de secuencia positiva y negativa de los armónicos en condiciones de fallo de red, y tiene un buen rendimiento estático y dinámico. En este trabajo se presenta la definición de armónicos y el método de detección. En este trabajo, también introduciremos la definición y los efectos de los armónicos, diseñaremos una microrred y múltiples integradores generalizados de segundo orden para medir los armónicos en el sistema, y finalmente discutiremos cómo eliminar eficazmente los armónicos en la microrred.

With the rapid development of modern power electronics technology, various power electronic devices are widely used in various fields, such as power systems, industry and transportation, etc. However, since power electronic devices are a kind of non-linear timevarying topological load, the harmonics and reactive power generated by them are injected into the power grid, which will increase the equipment capacity and line loss, cause a decrease in the utilization of power generation and distribution equipment, affect the quality of power supply, and pose a potential threat to the safe and stable operation of the power system. At present, harmonic pollution, electromagnetic interference and power factor reduction have become the three major nuisances in the public power system, so it is of great practical importance to study and analyze the causes of harmonic generation, provide a good detection method to suppress harmonic interference in the power system and improve the quality of power grid operation. A frequency adaptive synchronization detection method is used to ensure that the output of the power converter is synchronized with the grid when the grid exhibits conditions such as three-phase voltage unbalance or contains low-frequency harmonics. The method is based on a decoupling network based on multiple generalized second-order integrators, and separation of the fundamental and harmonic components is achieved by equivalent filters. The method can detect the positive and negative sequence components of the power signal at the fundamental frequency, and is also suitable for detecting the continuous components of multiple harmonics. Theoretical analysis and Matlab simulations show that the frequency-adaptive synchronous detection method can effectively obtain the phase and amplitude of the positive and negative sequence components of harmonics under grid-fault conditions, and has good static and dynamic performance. In this work, the definition of harmonics and the detection method are introduced. In this work, we will introduce the definition and effects of harmonics, design a microrred and multiple generalized second-order integrators to measure harmonics in the system, and finally discuss how to effectively eliminate harmonics in the microrred.

Reducción de la tensión de secuencia negativa en la salida de los convertidores de potencia de una micro-red eléctrica aislada

Projecte Final de Màster Oficial

Xie, Jingda

Tutor/a - Director/a: Castilla Fernández, Miguel

Data de publicació: 2024

Escola Politècnica Superior d'Enginyeria de Vilanova i la Geltrú (EPSEVG)

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En el contexto de la creciente integración de fuentes de energía renovable en las redes eléctricas, los inversores conectados a la red juegan un papel crucial. Sin embargo, uno de los desafíos más significativos asociados con estos dispositivos es la presencia de componentes de voltaje desbalanceados en el punto de acoplamiento común (PCC), especialmente el voltaje de secuencia negativa. Este fenómeno puede afectar negativamente la calidad de la energía y la estabilidad del sistema. Esta investigación se centra en el análisis y la reducción del voltaje de secuencia negativa en la salida de los inversores conectados a la red para mejorar la calidad de la energía. El objetivo del control es que el inversor extraiga la potencia activa suministrada por la fuente de corriente continua y elimine el voltaje de secuencia negativa en la salida del inversor. En primer lugar, se analiza el mecanismo de generación de secuencias positiva y negativa bajo voltajes de red desbalanceados y se propone un esquema de separación de secuencias basado en el Integrador Generalizado de Segunda Orden (SOGI) para completar la separación de voltajes de secuencias positiva y negativa. Para eliminar el voltaje de secuencia negativa en la salida del convertidor, el convertidor inyecta una corriente de secuencia negativa. Se propone un generador de corriente de referencia basado en el voltaje de red virtual y se establece un modelo matemático de la microrred SEPIC real para calcular el valor de la inductancia virtual. Posteriormente, se obtienen los valores de referencia de la corriente mediante la separación de secuencias positiva y negativa con SOGI y el nuevo generador de corriente de referencia. Se utiliza un controlador PRES para mejorar el desbalance de voltaje en la microrred y lograr un seguimiento sin errores de las señales sinusoidales. Las simulaciones se realizaron en MATLAB/Simulink para validar la eficacia del método propuesto.

In the context of the increasing integration of renewable energy sources into electrical grids, grid-connected inverters play a crucial role. However, one of the most significant challenges associated with these devices is the presence of unbalanced voltage components at the point of common coupling (PCC), especially the negative sequence voltage. This phenomenon can negatively affect power quality and system stability. This research focuses on the analysis and reduction of the negative sequence voltage at the output of grid-connected inverters to improve power quality. The control objective is for the inverter to extract the active power supplied by the direct current source and eliminate the negative sequence voltage at the inverter output. Firstly, the generation mechanism of positive and negative sequences under unbalanced grid voltages is analyzed, and a sequence separation scheme based on the SecondOrder Generalized Integrator (SOGI) is proposed to complete the separation of positive and negative sequence voltages. To eliminate the negative sequence voltage at the converter output, the converter injects a negative sequence current. A reference current generator based on the virtual grid voltage is proposed, and a mathematical model of the actual SEPIC microgrid is established to calculate the value of the virtual inductance. Subsequently, the reference current values are obtained through the separation of positive and negative sequences using SOGI and the new reference current generator. A Proportional Resonant (PRES) controller is used to improve the voltage unbalance in the microgrid and achieve error-free tracking of sinusoidal signals. Simulations were carried out in MATLAB/Simulink to validate the effectiveness of the proposed method.

Benchmarking de convertidors DC-DC en vehicles elèctrics amb arquitectura de 800V

Treball Final de Grau

Jané Tudela, Marc

Tutor/a - Director/a: Castilla Fernández, Miguel

Data de publicació: 2024

Escola Politècnica Superior d'Enginyeria de Vilanova i la Geltrú (EPSEVG)

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El desenvolupament de vehicles elèctrics amb arquitectura de 800V representa un avenç significatiu a la indústria automotriu, optimitzant la càrrega ràpida i la eficiència energètica. Aquest treball explora les estratègies utilitzades per els fabricants per adaptar les tensions de càrrega de 500V fins a la tensió de 800V de les bateries. Mitjançant un projecte de benchmarking realitzat a l'empresa Applus+ IDIADA, s'analitzen quatre vehicles 100% elèctrics (Porsche Taycan, BYD HAN, Hyundai IONIQ6 i Hummer), amb els quals s'analitza l'eficiència del convertidor elevador intern comparant els ripples durant la càrrega. Els resultats mostren que mentre els sistemes de BYD i Hyundai presenten nivells alts de ripple, el sistema de Porsche en genera menys, oferint la millor eficiència però amb alguna limitació per carregar a màxima potència amb estacions de càrrega de 500V. El sistema de càrrega del Hummer, tot i no generar ripple, mostra alguna limitació al carregar a màxima potència com el Porsche. Aquest estudi remarca la importància de seleccionar una estratègia de càrrega que equilibri eficàcia, cost i adaptabilitat.

El desarrollo de vehículos eléctricos con arquitectura de 800V representa un avance significativo en la industria automotriz, optimizando la carga rápida y la eficiencia energética. Este trabajo explora las estrategias utilizadas por los fabricantes para adaptar las tensiones de carga de 500V hasta la tensión de 800V de las baterías. Mediante un proyecto de benchmarking realizado en la empresa Applus+ IDIADA, se analizan cuatro vehículos 100% eléctricos (Porsche Taycan, BYD HAN, Hyundai IONIQ6 y Hummer), con los cuales se analiza la eficiencia del convertidor elevador interno comparando los ripples durante la carga. Los resultados muestran que mientras los sistemas de BYD y Hyundai presentan niveles altos de ripple, el sistema de Porsche genera menos, ofreciendo la mejor eficiencia pero con alguna limitación para cargar a máxima potencia con estaciones de carga de 500V. El sistema de carga del Hummer, a pesar de no generar ripple, muestra alguna limitación al cargar a máxima potencia como el Porsche. Este estudio subraya la importancia de seleccionar una estrategia de carga que equilibre eficacia, costo y adaptabilidad.

The development of electric vehicles with 800V architecture represents a significant advancement in Automotive industry, optimizing rapid charging and energy efficiency. This study explores the strategies used by manufacturers to adapt the charging voltages from 500V to the 800V battery voltage. Through a benchmarking project conducted at Applus+ IDIADA, four 100% electric vehicles (Porsche Taycan, BYD HAN, Hyundai IONIQ6 and Hummer) are tested, examining the efficency of the internal boost converter by comparing the ripple during charging. The results show that the BYD and Hyundai systems exhibit high levels of ripple, the Porsche System generates less, offering the best efficiency but with some limitations when charging at màximum power with 500V charging stations . The Hummer's charging System, although not generating ripple, shows some limitations when Charging at maximum power like the Porsche. This study highlights the importance of selecting a charging strategy that balances effectiveness, cost and adaptability.

Examen parcial (Curs 2023-2024) Restricted access to the UPC academic community

Examen

Castilla Fernández, Miguel; Blanqué Molina, Balduino

Data de publicació: 2024

Escola Politècnica Superior d'Enginyeria de Vilanova i la Geltrú (EPSEVG)

GESTIÓ DE L'ENERGIA - 340610

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Estudio del contenido armónico de la corriente de salida de distintos tipos de carga en un sistema trifásico conectado a la red eléctrica

Treball Final de Grau

Pineda Menchón, Eric

Tutor/a - Director/a: Castilla Fernández, Miguel

Data de publicació: 2024

Escola Politècnica Superior d'Enginyeria de Vilanova i la Geltrú (EPSEVG)

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Aquesta investigació es va centrar en l'anàlisi i estudi dels harmònics generats a la xarxa utilitzant mètodes de control avançats com el SOGI, amb l'objectiu de comparar diferents casos i desenvolupar conclusions basades en els resultats obtinguts a les simulacions i proves, per intentar mitigar i oferir una resposta a la degradació en el seguiment dels paràmetres de la xarxa. Aquest treball presenta un mètode de sincronització en freqüència multiresonant per a dispositius connectats a la xarxa, que permet estimar no només les components de seqüència positiva i negativa de la senyal a la freqüència fonamental, sinó també en altres components de seqüència harmònica. El sistema proposat es diu MDSOGI ja que es basa en una xarxa de desacoblament harmònic que consta de múltiples integradors generalitzats de segon ordre (MSOGI). En aquest treball s'analitza el MDSOGI per a aplicacions trifàsiques, deduint algunes expressions clau respecte a la seva estabilitat i sintonització. A més, el rendiment del MDSOGI s'avalua mitjançant simulacions per mostrar la seva capacitat per detectar diferents components harmòniques en diferents tipus d'escenaris a la xarxa, mitjançant la implementació de diferents tipus de càrregues.

Esta investigación se enfocó en el análisis y estudio de los armónicos generados en la red utilizando métodos de control avanzados como el SOGI, con el objetivo de comparar distintos casos y desarrollar conclusiones en base a los resultados obtenidos en las simulaciones y testeos, para intentar mitigar y ofrecer una respuesta a la degradación en el seguimiento de los parámetros de la red. Este trabajo presenta un método de sincronización en frecuencia multirresonante para dispositivos conectados a red, que permite estimar no sólo las componentes de secuencia positiva y negativa de la señal en la frecuencia fundamental, sino también en otras componentes de secuencia armónica. El sistema propuesto se llama MDSOGI ya que se basa en una red de desacoplamiento armónico que consta de múltiples integradores generalizados de segundo orden (MSOGI). En este trabajo se analiza el MDSOGI para aplicaciones trifásicas, deduciendo algunas expresiones clave respecto a su estabilidad y sintonización. Además, el rendimiento del MDSOGI se evalúa mediante simulaciones para mostrar su capacidad para detectar diferentes componentes armónicas en diferentes tipos de escenarios en la red, mediante la implementación de distintos tipos de cargas.

This research focused on the analysis and study of harmonics generated in the network using advanced control methods such as SOGI, with the aim of comparing different cases and drawing conclusions based on the results obtained in simulations and testing. The goal was to attempt to mitigate and provide a response to the degradation in tracking network parameters. This work introduces a multiresonant frequency synchronization method for network-connected devices, allowing for the estimation of not only the positive and negative sequence components of the signal at the fundamental frequency, but also at other harmonic sequence components. The proposed system is called MDSOGI, as it is based on a harmonic decoupling network consisting of multiple second-order generalized integrators (MSOGI). The MDSOGI is analysed for three-phase applications in this work, deducing key expressions regarding its stability and tuning. Furthermore, the performance of the MDSOGI is evaluated through simulations to demonstrate its capability to detect different harmonic components in various network scenarios by implementing different types of loads.

Diseño de un sistema de energías renovable

Projecte Final de Màster Oficial

Moufadal Boamar, Ismail

Tutor/a - Director/a: Varela Barreras, Jorge; Castilla Fernández, Miguel; Varela barreras

Data de publicació: 2023

Escola Politècnica Superior d'Enginyeria de Vilanova i la Geltrú (EPSEVG)

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El objetivo de este proyecto es realizar el cálculo, diseño y simulación de un cargador bidireccional con aplicaciones vehículo a red para un vehículo eléctrico, principalmente para vehículos eléctricos particulares tipo Nissan Leaf, Nissan eNV200, Renault ZOE o Ford F-150 Lightning. Además de hacer el cálculo, diseño y simulación de un cargador bidireccional para aplicaciones vehículo a red, primero se hará una introducción de los diferentes conceptos para proporcionar ciertas nociones sobre que es la tecnología vehículo a red donde se explicarán las diferentes variables que tiene y sus aplicaciones, como funciona esta tecnología, las ventajas y desventajas que presenta y la normativa que tiene que cumplir esta tecnología. También se hará un estudio del arte para poder ver las diferentes topologías de electrónica de potencia aplicadas a esta tecnología, además se hará un pequeño estudio de mercado para ver los cargadores bidireccionales que hay actualmente en el mercado, sus características de funcionamiento y quien los fabrica. Una vez realizada la parte teórica se procederá al diseño, cálculo, modelado y simulación de una topología de electrónica de potencia aplicada a la tecnología vehículo a red. Primeramente se hará el diseño del circuito y el control de este, para después realizar los cálculos de los diferentes componentes que comprenden el circuito que se diseñara, una vez realizados los cálculos se modelara y simulara en diferentes entornos de funcionamiento, la herramienta con la que se modelara y simulara es SIMULINK la cual pertenece al grupo de aplicaciones de MATLAB.

L'objectiu d'aquest projecte és fer el càlcul, el disseny i la simulació d'un carregador bidireccional amb aplicacions vehicle a xarxa per a un vehicle elèctric, principalment per a vehicles elèctrics particulars tipus Nissan Leaf, Nissan eNV200, Renault ZOE o Ford F-150 Lightning. A més de fer el càlcul, el disseny i la simulació d'un carregador bidireccional per a aplicacions vehicle a xarxa, primer es farà una introducció dels diferents conceptes per proporcionar certes nocions sobre què és la tecnologia vehicle a xarxa on s'explicaran les diferents variables que té i les seves aplicacions, com funciona aquesta tecnologia, els avantatges i els desavantatges que presenta i la normativa que ha de complir aquesta tecnologia. També es farà un estudi de l'art per poder veure les diferents topologies d'electrònica de potència aplicades a aquesta tecnologia, a més es farà un petit estudi de mercat per veure els carregadors bidireccionals que hi ha actualment al mercat, les seves característiques de funcionament i qui els fabrica. Un cop feta la part teòrica es procedirà al disseny, càlcul, modelatge i simulació d'una topologia d'electrònica de potència aplicada a la tecnologia vehicle a xarxa. Primerament es farà el disseny del circuit i el control d'aquest, per després realitzar els càlculs dels diferents components que comprenen el circuit que es dissenyés, un cop realitzats els càlculs es modelarà i simularà en diferents entorns de funcionament, l'eina amb què es modelarà i simularà és SIMULINK la qual pertany al grup d'aplicacions de MATLAB.

The objective of this project is to carry out the calculation, design and simulation of a bidirectional charger with vehicle-to-grid applications for an electric vehicle, mainly for private electric vehicles such as Nissan Leaf, Nissan eNV200, Renault ZOE or Ford F-150 Lightning. In addition to calculating, designing, and simulating a bidirectional charger for vehicle-to-grid applications, first there will be an introduction to the different concepts to provide certain notions about what vehicle-to-grid technology is, where the different variables it has and its consequences will be explained. applications, how this technology works, the advantages and disadvantages it presents and the regulations that this technology must comply with. There will also be a study of the art to be able to see the different topologies of power electronics applied to this technology, in addition there will be a small market study to see the bidirectional chargers that are currently on the market, their operating characteristics and who makes them. Once the theoretical part has been completed, we will proceed to the design, calculation, modeling and simulation of a power electronics topology applied to vehicle-to-grid technology. Firstly, the design of the circuit and its control will be made, to later carry out the calculations of the different components that comprise the circuit to be designed, once the calculations have been made, it will be modeled and simulated in different operating environments, the tool with which It will be modeled and simulated is SIMULINK which belongs to the MATLAB group of applications.

Estrategias alternativas de limitación de corriente en inversores de potencia conectados a la red eléctrica

Projecte Final de Màster Oficial

Carol Fernández, Jaume

Tutor/a - Director/a: Castilla Fernández, Miguel

Data de publicació: 2023

Escola Politècnica Superior d'Enginyeria de Vilanova i la Geltrú (EPSEVG)

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Este documento propone nuevas estrategias de limitación de corriente para proteger a inversores trifásicos en modo “grid-feeding” ante sobrecorrientes causadas por fallos en la red eléctrica. A diferencia de estrategias ya existentes para estas situaciones, estos controles alternativos no requieren reducir, a priori, todas las corrientes del convertidor simultáneamente para limitar la corriente máxima del convertidor. Esto permite que se pueda dar prioridad a una consigna de funcionamiento del inversor específica por encima del resto al aplicar la estrategia correcta. Se estudian dos tipos de condiciones anormales de red distintas: tensión entre fases Vabc simétrica y asimétrica. Para cada una se propone un funcionamiento del inversor coherente acorde al fallo producido. El diseño de las estrategias alternativas se acompaña de un gran número de explicaciones sobre el fundamento teórico de las mismas. Además, se presentan los resultados experimentales obtenidos tras implementar cada una de las estrategias en un entorno práctico para corroborar la validez del estudio.

This document presents new current limitation strategies to protect three-phase inverters in grid-feeding mode against overcurrent produced by grid faults. Unlike already existing strategies for these situations, these alternative control methods do not require, in most cases, to lower all converter's currents simultaneously to limit the maximum current. This allows one to prioritize one of the inverter's operating references ahead of others by applying the correct strategy. Two different types of abnormal grid conditions are studied: symmetric and asymmetric phase-to-phase voltages Vabc. For each case, a coherent inverter operation is proposed. The design of alternative strategies is presented along with a large number of explanations regarding the theoretical base of each strategy. Moreover, experimental results obtained after implementing each strategy in a practical environment have been included to corroborate the validity of the study.

Study of a current limitation strategy for grid-forming inverters in case of short-circuit faults

Projecte Final de Màster Oficial

Alvarez i Farriols, Alejandro Francisco

Tutor/a - Director/a: Chillón Antón, Cristian; Castilla Fernández, Miguel

Data de publicació: 2022

Escola Tècnica Superior d'Enginyeria de Telecomunicació de Barcelona (ETSETB)

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The use of renewable energies and their participation in the electricity market has been increasing in recent years with the aim of achieving a future where 100% of the generation comes from renewable sources. In this new scenario, in which most of the synchronous generators with high inertias will no longer participate, the main reference of the network will have to be formed in an alternative and robust way. Given that renewable energy generation and storage systems require power converters to adapt to an AC grid, they already now shall have power distribution control algorithms based on the network voltage and frequency. On the other hand, a power converter can behave and be modeled as a controlled voltage source or controlled current source according to the variable that is been regulated. In the absence of synchronous generators in the future, the formation and responsibility of a stable grid must be distributed among different converters working as voltage controlled sources with power distribution algorithms. When a converter works as a controlled voltage source, it presents a new challenge in the field of the corresponding control algorithm when facing a fault scenario at the grid side. In the event of a short circuit, the output current of the inverter must be saturated to prevent possible damage of the inverter. This limitation can have consequences for the upper control loops if they are not consistently adapted. This master thesis presents a new control strategy for dealing with short-circuit scenarios by saturating the amplitude of the reference voltage from the droop power distribution loop. In this way, possible windup effects are avoided, which would cause the instability of the system.

El uso de las energias renovables y su participación en el mercado eléctrico viene en aumento durante los últimos años con el objetivo de alcanzar un futuro donde el 100% de la generación provenga de fuentes renovables. En este nuevo escenario, en el cual los generadores síncronos con grandes inercias dejarán de participar en gran medida, la red principal de referencia deberá formarse de una manera alternativa y rebusta. Teniendo en cuenta que los sistemas de generación renovables y almacenamiento de enegia eléctrica requieren de convertidores de potencia para adaptarse a una red AC, estos en la actualidad ya deben contar con algoritmos de control de distribución de potencia en función de la tensión y frecuencia de la red. Por otro lado, un convertidor de potencia puede comportarse y modelarse como una fuente de tensión controlada o fuente de corriente controlada según la variable a monitorizar. En un futuro ausente de generadores síncronos, la formación y responsabilidad de una red estable debe estar distribuida entre los distintos convertidores trabajando como fuente de tensión controlada con algoritmos de distribución de potencia. Cuando un convertidor trabaja como fuente de tensión controlada presenta un nuevo reto en el ámbito del correspondiente algoritmo de control frente a un escenario de falta en el lado de la red. En caso de cortocircuito, la corriente de salida del convertidor debe saturarse para evitar posibles daños de este. Esta limitación, puede tener consecuencias en los lazos de control superiores si estos no son adaptados de forma coherente. Este trabajo presenta una nueva estrategia de control para abordar escenarios de cortocircito mediante la saturación de la amplitud de la tensión de referencia proviniente del lazo de repartición de potencias droop. De esta forma, se evitan posibles efectos de windup, los cuales causarian la inestabilidad del sistema.

L'ús de les energies renovables i la seva participació en el mercat elèctric ve en augment durant els darrers anys amb l'objectiu d'assolir un futur on el 100% de la generació provingui de fonts renovables. En aquest nou escenari, en el qual els generadors síncrons amb grans inèrcies deixaran de participar-hi en gran mesura, la xarxa principal de referència haurà de formar-se d'una manera alternativa i robusta. Tenint en compte que els sistemes de generació renovables i emmagatzemament d'energia elèctrica requereixen de convertidors de potència per a adaptar-se a una xarxa AC, aquests en la actualitat ja han de comptar amb algoritmes de control de distribució de potència en funció de la tensió i freqüència de la xarxa. Per altra banda, un convertidor de potència pot comportarse i modelarse segons una font de tensió controlada o font de corrent controlada segons la variable a monitoritzar. En un futur absent de generadors síncrons, la formació i responsabilitat d'una xarxa estable ha d'estar distribuida entre diferents convertidors treballant com a font de tensió controlada amb algoritmes de distribució de potència. Quan un convertidor treballa com a font de tensió controlada presenta un nou repte en l'àmbit del corresponent algoritme de control davant un escenari de falta al costat de la xarxa. En cas de curtcircuit, la corrent de sortida del convertidor s'ha de saturar per a evitar possibles danys d'aquest. Aquesta limitació, pot tenir conseqüènices ens els llaços de control superiors si aquests no són adaptats coherentment. Aquest treball presenta una nova estrategia de control per a afrontar escenaris de curtcircuit mitjançant la saturació de l'amplitud de la tensió de referència provinent del llaç de repartició de potència droop. D'aquesta forma, s'eviten possibles efectes de windup, els quals causarien la inestabilitat del sistema.

Comparación de técnicas de limitación de corriente en convertidores operando como fuentes de tensión conectados a una microrred eléctrica aislada trifásica

Projecte Final de Màster Oficial

Lahire Gomez-Martinho, Damien

Tutor/a - Director/a: Castilla Fernández, Miguel

Data de publicació: 2022

Escola Politècnica Superior d'Enginyeria de Vilanova i la Geltrú (EPSEVG)

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Desde hace tiempo, la red trifásica eléctrica y otras composiciones trifásicas, sufren de diferentes fallos eléctricos los cuales deben ser controlados. En el caso de este TFM, el fruto de estudio es la falla eléctrica denominada cortocircuito. Estos cortocircuitos dan una problemática la cual se estudia en este proyecto. Uno de los más importantes es el incremento considerable de las corrientes, provocando así sobrecorrientes, en el momento en el que se produce del cortocircuito. Por eso, este TFM se basa en el estudio y entendimiento de los cortocircuitos y en como mitigar, mediante técnicas de control de limitación de corriente, el efecto de estos mismos. Para ello se ha construido una mr aislada la cual se compone a partir de seis inversores de potencia, seis transformadores y una serie de inductancias para modelizar el conexionado entre los inversores. En este sistema, durante un tiempo determinado, se fuerza la interconexión entre dos fases, para provocar así un cortocircuito entre fases. Posteriormente al fuerce del cortocircuito, y tras haber estudiado las tres diferentes técnicas de limitación de corriente que se aplican, estas son implementadas, junto a toda la mr, mediante el programa Matlab/Simulink. Con ello, se deducirán cuáles son los beneficios de cada una de las técnicas de control y se detallaran cuáles son los resultados de todas las técnicas utilizadas, para que puedan ser así comparadas. Para finalizar el proyecto, se realizara la pertinente conclusión, para de forma objetiva y basándose en los datos y resultados obtenidos, concluir en cuál es la técnica que presenta mayor beneficios en términos de mitigar los efectos del cortocircuito entre fases.

For a long time, the three-phase electrical network and other three-phase compositions have been suffering from different electrical faults which must be controlled. In the case of this TFM, the object of study is the electrical fault called short-circuit. These short circuits give a problem which is studied in this project. One of the most important is the considerable increase in currents, thus causing overcurrents, at the moment when the short-circuit occurs. Therefore, this TFM is based on the study and understanding of short circuits and how to mitigate, by means of current limiting control techniques, the effect of these short circuits. For this purpose, an isolated microgrid has been built, which is composed of six power inverters, six transformers and a series of inductances to model the connections between the inverters. In this system, for a given time, the interconnection between two phases is forced, thus causing a short-circuit between phases. After forcing the shortcircuit, and after having studied the three different current limiting techniques that are used, these are implemented, together with the entire microgrid, using the Matlab/Simulink program. In this way, the benefits of each of the control techniques will be deduced and the results of all the techniques used will be detailed so that they can be compared. To close the project, the relevant conclusion will be drawn, in order to objectively and based on the data and results obtained, conclude which technique is the most beneficial in terms of mitigating the effects of shortcircuit between phases.

Application of electric vehicles and solar panels to support the public grid through reactive power injection

Treball Final de Grau

Bertran Pujol, Carles

Tutor/a - Director/a: Castilla Fernández, Miguel

Data de publicació: 2022

Escola Politècnica Superior d'Enginyeria de Vilanova i la Geltrú (EPSEVG)

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The objective of this project is to analyze the impact that solar panels and electric vehicles would have on the power grid, specifically, the injection and/or absorption of reactive power by the inverters of these. Prior to the topic in question, the document contains a brief explanation of the climate situation, energy and smart grids (all of which are core topics in the document). The study will be carried out with simulations made by Simulink on 3 different cases. The first and second case will consist of single-phase inverters, while the third case will be run with three-phase inverters. Each case will vary the number of houses that will be connected to the grid. Apart from the incidence of reactive power, in case 3, the behavior of the system subjected to disturbances in the electrical grid will also be studied. The work consists of all the necessary explanations to fully understand the operation of the Matlab and Simulink simulation files. The Excel program will also be used for some graphics.

El objetivo de este proyecto es analizar el impacto que tendrían los paneles solares y los vehículos eléctricos en la red eléctrica, concretamente, la inyección y/o absorción de potencia reactiva por parte de los inversores de éstos. Previo al tema en cuestión, el documento contiene una breve explicación de la situación climática, la energía y las redes inteligentes (todos ellos temas centrales en el documento). El estudio se llevará a cabo con simulaciones realizadas mediante Simulink sobre 3 casos diferentes. El primer y el segundo caso consistirán en inversores monofásicos, mientras que el tercer caso se ejecutará con inversores trifásicos. En cada caso se variará el número de viviendas que se conectarán a la red. Además de la incidencia de la potencia reactiva, en el caso 3 se estudiará también el comportamiento del sistema sometido a perturbaciones en la red. El trabajo consta de todas las explicaciones necesarias para comprender el funcionamiento de los archivos de simulación Matlab y Simulink. También se utilizará el programa Excel para algunos gráficos.

L'objectiu d'aquest projecte és analitzar l'impacte que tindrien els panells solars i els vehicles elèctrics a la xarxa elèctrica, concretament la injecció i/o absorció de potència reactiva per part dels inversors. Previ al tema en qüestió, el document conté una breu explicació de la situació climàtica, l'energia i les xarxes intel·ligents (tots ells temes centrals al document). L'estudi es durà a terme amb simulacions realitzades mitjançant Simulink sobre 3 casos diferents. El primer i segon cas consistiran en inversors monofàsics, mentre que el tercer cas s'executarà amb inversors trifàsics. En cada cas es variarà el nombre d'habitatges que es connectaran a la xarxa. A més de la incidència de la potència reactiva, en el cas 3 també s'estudiarà el comportament del sistema sotmès a pertorbacions de la xarxa. El treball consta de totes les explicacions necessàries per comprendre el funcionament dels fitxers de simulació empreats de Matlab i Simulink. També es farà servir el programa Excel per a alguns gràfics.

Examen Re-avaluació Sistemes Electrònics (SIEK) Restricted access to the UPC academic community

Examen

Castilla Fernández, Miguel

Data de publicació: 2022

Escola Politècnica Superior d'Enginyeria de Vilanova i la Geltrú (EPSEVG)

SISTEMES ELECTRÒNICS - 340035

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Examen Final Sistemes Electrònics (SIEK) Restricted access to the UPC academic community

Examen

Castilla Fernández, Miguel

Data de publicació: 2022

Escola Politècnica Superior d'Enginyeria de Vilanova i la Geltrú (EPSEVG)

SISTEMES ELECTRÒNICS - 340035

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Examen parcial (Curs 2021-2022) Restricted access to the UPC academic community

Examen

Blanqué Molina, Balduino; Castilla Fernández, Miguel

Data de publicació: 2022

Escola Politècnica Superior d'Enginyeria de Vilanova i la Geltrú (EPSEVG)

GESTIÓ DE L'ENERGIA - 340610

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SISTEMES ELECTRÒNICS (Examen 2n quadrimestre): Examen re-avaluació Restricted access to the UPC academic community

Examen

Miret Tomàs, Jaume; López García, Mariano; Castilla Fernández, Miguel; Gayà Suñer, Pedro Francisco

Data de publicació: 2021

Escola Politècnica Superior d'Enginyeria de Vilanova i la Geltrú (EPSEVG)

SISTEMES ELECTRÒNICS - 340035

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SISTEMES ELECTRÒNICS (Examen 2n quadrimestre): Examen final Restricted access to the UPC academic community

Examen

Miret Tomàs, Jaume; López García, Mariano; Castilla Fernández, Miguel; Gayà Suñer, Pedro Francisco

Data de publicació: 2021

Escola Politècnica Superior d'Enginyeria de Vilanova i la Geltrú (EPSEVG)

SISTEMES ELECTRÒNICS - 340035

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SISTEMES ELECTRÒNICS (Examen 2n quadrimestre): Examen parcial Restricted access to the UPC academic community

Examen

Miret Tomàs, Jaume; López García, Mariano; Castilla Fernández, Miguel; Gayà Suñer, Pedro Francisco

Data de publicació: 2021

Escola Politècnica Superior d'Enginyeria de Vilanova i la Geltrú (EPSEVG)

SISTEMES ELECTRÒNICS - 340035

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SISTEMES ELECTRÒNICS (Examen 2n quadrimestre): Examen parcial Restricted access to the UPC academic community

Examen

Miret Tomàs, Jaume; López García, Mariano; Castilla Fernández, Miguel; Gayà Suñer, Pedro Francisco

Data de publicació: 2021

Escola Politècnica Superior d'Enginyeria de Vilanova i la Geltrú (EPSEVG)

SISTEMES ELECTRÒNICS - 340035

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Negative-sequence voltage elimination for distributed generators in grid-feeding operation mode under unbalanced microgrid conditions

Projecte Final de Màster Oficial

Pozo González, Héctor del

Tutor/a - Director/a: Castilla Fernández, Miguel

Data de publicació: 2021

Escola Politècnica Superior d'Enginyeria de Vilanova i la Geltrú (EPSEVG)

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La necesidad de mejorar la calidad de las redes eléctricas, cumpliendo con los aspectos económicos, sociales y ambientales, representa un importante desafío, que trata de ser resuelto con la integración de fuentes de energía renovables y generación distribuida. Gracias a la exitosa integración de la electrónica de potencia y las tecnologías de nueva generación, la generación distribuida se ha vuelto cada vez más competitiva frente a un sistema centralizado convencional y atrae a muchos clientes de los sectores industrial, comercial y residencial. Una de las soluciones planteadas son las microrredes, que utilizan sistemas de distribución de baja tensión con recursos energéticos distribuidos (DER) como microturbinas, pilas de combustible, paneles fotovoltaicos...junto con dispositivos de almacenamiento, ofreciendo considerables capacidades de control sobre el funcionamiento de la red. Estos sistemas suelen estar interconectados a la red de distribución de media tensión, pero también se pueden operar aislados de la red principal en caso de fallos en la red. Los fallos en la red producen uno de los fenómenos más típicos en los sistemas de potencia, el desequilibrio de voltaje. La presencia de voltajes desequilibrados puede resultar en impactos adversos en el equipo y el sistema de energía. En este proyecto se presentan dos métodos de control para la eliminación de los desequilibrios de tensión, que intentan eliminar la tensión de secuencia negativa, uno basado en la eliminación de la tensión de secuencia negativa en la salida del inversor y el otro basado en una tensión virtual. La mayoría de las propuestas de control existentes sirven para varios objetivos de control, que pueden ser mitigación de desequilibrio, desplazamiento de voltaje, mitigación de fluctuación de voltaje, eliminación de armónicos...considerando diferentes tipos de impedancias de red. Sin embargo, ninguno de ellos consigue eliminar la tensión de secuencia negativa que genera el desequilibrio de red sin depender de una impedancia específica. Enfocado a los convertidores trabajando como “grid-feeding”, este trabajo presenta una estrategia de control que tiene como objetivo eliminar la tensión de secuencia negativa en la salida del inversor, la cual es robusta ante variaciones de los parámetros de la red, logrando una perfecta eliminación.

The need to improve the quality of the electrical grids, fulfilling economic, social and environmental aspects, represents a challenging issue, which tries to be solved with the integration of energy sources and distributed generation. Thanks to the successful integration of power electronics and new generation technologies, distributed generation has become increasingly competitive against the conventional centralized system and attracting many customers from the industrial, commercial and residential sectors. One of the solutions is microgrids, which comprise low voltage distribution systems with distributed energy resources (DERs) such as microturbines, fuel cells, photovoltaic (PV) arrays...together with storage devices, offering considerable control capabilities over the grid operation. These systems are interconnected to the medium voltage distribution grid, but they can be also operated isolated from the main grid in case of faults in the upstream grid. Grid faults produce one of the most typical phenomena in power systems, the voltage unbalance. The presence of unbalanced voltages may result in adverse impacts on equipment and power system. In this project, two control methods are presented for the elimination of voltage unbalances, which try to eliminate the negative sequence voltage, one based on the elimination of the negative sequence voltage at the inverter output and the other, based on a virtual voltage. Most of the existing control proposals serve various control objectives, which can be unbalance mitigation, voltage deviation, voltage fluctuation mitigation, harmonic elimination...considering different types of grid impedances. However, none of them succeeds in eliminating the negative sequence voltage that generates the imbalance of the grid without depending on the specific impedance of the grid. Focused on the grid-feeding converters, this work presents a control strategy that aims to eliminate negative sequence voltage, which is robust to variations in grid parameters, achieving perfect elimination.