Interfaces de electrónica de potencia avanzada para sistemas de energía distribuida (1ª PARTE)

Los sistemas de energía distribuida están teniendo un impacto cada vez mayor en el mercado de la energía. Estos sistemas distribuidos (DE) incluyen, pero no están limitados a: Fotovoltaica (PV), eólica, microturbina, células de combustible y motores de combustión interna. Adicionalmente, varios sistemas de almacenamiento de energía tales como baterías y volantes de inercia están bajo consideración como DE aprovechando el exceso de electricidad producida por la mayoría de los generadores eficientes durante los periodos de baja carga. Esta energía obtenida puede liberarse a la red, cuando se necesite, para eliminar la necesidad de generadores de alto coste. La inclusión de almacenamiento en el sistema de generación distribuida actualmente proporciona la gestionabilidad del usuario de sus recursos distribuidos que generalmente son fuentes de energías renovables. El uso de vehículos híbridos junto con la red en forma de vehículos eléctricos híbridos enchufables y sistemas de vehículo a la red son opciones prometedoras para ser incluidas en la clasificación DE. Todas las tecnologías DE requieren capacidades de electrónica de potencia específicas para convertir la potencia generada en potencia útil que pueda ser directamente interconectada con las redes y/o ser usada para aplicaciones del consumidor. Debido a funciones similares de estas interfaces de la electrónica de potencia, el desarrollo de interfaces electrónicas de potencia altamente fiables, de bajo coste, modulares y escalables mejorarán los costes y durabilidad de los sistemas de energía renovable distribuida.

Aunque la mayoría de los sistemas DE no son nuevos en el aspecto tecnológico, están recibiendo una atención incrementada hoy debido a su capacidad para proporcionar energía eléctrica y calor, potencias pico, reducir la demanda, potencia de apoyo, calidad de potencia mejorada, y servicios auxiliares a la red de potencia. Entre todos los sistemas DE, la visibilidad de las fuentes de energía renovables son cada vez más significativas.

Topología de los sistemas electrónicos de potencia DE típicos

Cada circuito electrónico de potencia consiste en diferentes dispositivos semiconductores fabricados con impurezas apropiadas (conocido como dopado) en orden de alcanzar propiedades eléctricas particulares tales como conducción, resistencia, tiempos de encendido/apagado, disipación de potencia, etc. El dispositivo electrónico de potencia fundamental es el conmutador basado en semiconductores, una tecnología que ha existido durante muchas décadas, pero que continuamente mejora en términos de densidad de potencia y fiabilidad. En general, el término “electrónica de potencia” se refiere a los interruptores (ej., IGBT y SCR) y a varios módulos que comprenden. En aplicaciones de potencia, estos dispositivos son a menudo usados para convertir la energía eléctrica de una forma a otra más utilizable.  Los beneficios de los dispositivos electrónicos incluyen una eficiencia incrementada, coste más bajo, y un tamaño de embalaje reducido.

Un rectificador es una topología de electrónica de potencia que convierte AC en DC. Los circuitos del rectificador se usan generalmente para generar un voltaje DC controlado de una fuente AC no controla (ej. microturbina, turbina eólica) o una fuente AC controlada (ej. suministro energía de la red). Cuando se convierte de una fuente de suministro de la red, se usa una aplicación de rectificador para generar un voltaje DC o proporcionar voltaje DC para aplicaciones de carga específicas tales como reguladores de baterías y entradas de variadores de frecuencia variable (VFD).

Algunos sistemas DE como la fotovoltaica y células de combustible producen potencia DC. Para hacer esta potencia útil para aplicaciones grid-tied, debe convertirse a AC;, por lo tanto, los inversores se usan para convertir DC a AC. Los circuitos de inversor generan un suministro AC regulado desde una entrada DC. Comúnmente se encuentran en sistemas que proporcionan potencia AC independiente, sistemas DE conectados a la red, y en el lado del motor de un VFD.

Hay numerosas aplicaciones para los sistemas DC-DC. Estos sistemas se usan para convertir la magnitud del voltaje DC de un nivel a otro con o sin aislamiento galvánico. Toman un voltaje DC de entrada no regulada y la acondicionan para la aplicación de carga específica. Un ejemplo para tal topología puede encontrarse en aplicaciones PV, donde las unidades DC-DC están a menudo diseñadas para extraer la máxima salida de potencia de la disposición PV.

Los convertidores AC-AC pueden usarse para convertir la magnitud de voltaje y frecuencia de la fuente AC a una amplitud y frecuencia fija, haciéndola compatible con la red pública. Un resumen de los diferentes convertidores de potencia que se usan en aplicaciones DE viene dado en la siguiente tabla:

• AC-DC. Rectificador.
• DC-AC. Inversor.
• DC-DC. Boost, Buck, Buck-Boost, Chooper.
• AC-DC. Cicloconvertidor, convertidor de matriz.
• AC-DC-AC. Convertidor Back-to-Back, rectificador – inversor

Áreas de aplicación específica

Las 8 áreas específicas de aplicación son las siguientes:

• Sistemas fotovoltaicos.
• Sistemas eólicos.
• Sistemas de microturbinas.
• Sistemas de células de combustibles.
• Sistemas de motores de combustión interna.
• Sistemas de almacenamiento de baterías.
• Sistemas de almacenamiento en volantes de inercia.

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