WO2022226669A1 - Conversor de potencia multi-puerto y sistema y uso asociados - Google Patents

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Javier Eduardo PEREDA TORRES
Sebastián Felipe NEIRA CASTILLO
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Pontificia Universidad Catolica De Chile
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Definitions

  • the invention refers to a multi-port power converter and a power conversion system that implements the power converter of the invention, to connect at least two elements in direct current (DC) with at least one element in alternating current (AC), making use of a single simultaneous conversion stage.
  • DC direct current
  • AC alternating current
  • the invention relates to a power converter comprising three bidirectional ports, allowing the connection of power sources and loads according to the requirements of each application.
  • the use of the conversion system in different applications that require the connection of at least two elements in DC with at least one element in AC is defined.
  • Patent US10056847B2 shows a solution for connecting multiple DC sources through a system of individual converters connected to the grid through a traditional inverter.
  • this type of systems with multiple stages of power conversion are widely used.
  • the main problem with this type of system is the high number of components that make it up, which, in addition to making its construction more expensive, affects its reliability and total efficiency.
  • the invention seeks to be an efficient alternative for grid-connected solar generation and energy storage systems, by proposing a single simultaneous power conversion stage to regulate the interaction between the three elements of said systems. Additionally, according to one modality, the proposed converter allows the connection of photovoltaic systems, batteries or low voltage fuel cells to the network without the need for an additional boost converter, so that the solution can be implemented in low-medium power systems. presenting three fundamental benefits:
  • the invention has multiple applications in the electricity generation, energy storage and even transportation industries, being specially designed to form part of multiple types of electrical systems, among them: photovoltaic generation systems with energy storage integrated power generation systems, photovoltaic generation systems with two independent photovoltaic systems, photovoltaic generation systems with integrated voltage boost, fuel cell power generation systems with integrated battery support, and AC grid-connected battery systems with voltage boost. integrated voltage. Additionally, the system allows one of the DC ports to be used with a capacitor that absorbs the power ripple when the AC port is single-phase, freeing the other DC port from stress. In addition, as a result of its multifunctionality, the power converter of the invention also has application in electric vehicles that incorporate hydrogen fuel cells, for example.
  • the invention relates to a multi-port power converter, comprising an array of power transistors and three bidirectional ports, to connect at least two elements in direct current (DC), such as a photovoltaic system and an array of batteries, with at least one element in alternating current (AC), such as the electrical network, making use of a single stage of simultaneous power conversion.
  • DC direct current
  • AC alternating current
  • the invention refers to a power conversion system that implements said power converter, together with two DC elements and one AC element that together form different types of electrical systems.
  • the complexity of the power converter topology and the power density is improved compared to those solutions that implement multiple conversion stages.
  • each of the ports is bidirectional, it allows the connection of power sources and loads according to the requirements of each application.
  • the power converter of the invention derives from a traditional topology called Full-Bridge, with the inclusion of an array of inductors to generate a second DC port.
  • said second DC port allows the connection of a low voltage element (eg photovoltaic systems, batteries or fuel cells) with the AC electrical network without the need to include a voltage booster stage. additional. Consequently, the present invention allows power conversion to be performed between three ports minimizing the total devices required, which increases the power density of the converter.
  • the operation of the power converter of the invention is associated with a multivariable control subsystem, which regulates in a coupled manner the states of the active devices present in the topology.
  • the control subsystem delivers voltage signals to be generated with each branch of the converter and, with this, generates the on and off signals of the power transistors.
  • the multivariable control subsystem generates the voltage signals based on the instantaneous power requirements in each of the converter ports. In this way, the conversion system can be used in different electrical conversion scenarios where the interaction of at least two DC elements with an AC port is required.
  • Examples of this type of system are: off-grid and on-grid photovoltaic generation systems with energy storage, photovoltaic systems with two arrays of photovoltaic modules, photovoltaic generation systems or batteries with integrated voltage increase and mobility or electric traction systems with hybrid energy sources, among others.
  • the set of the topology of the power converter of the invention with the proposed control allows to generate a multifunctional two-port power conversion system with multiple advantages, among them: high power density by minimizing the amount of power transistors and associated passive elements; bidirectional capacity in the power flows of all ports and; integrated voltage boost for one of the DC ports.
  • the invention proposes a power conversion system comprising a multi-port power converter, comprising an array of power transistors and three bidirectional ports, to connect at least two elements in direct current (DC) with at least one element in alternating current (AC).
  • the three bidirectional ports are a first DC port, configured to connect to a first DC element, a second DC port, configured to connect to a second DC element, and an AC port, configured to connect to at least one DC element. element in CA.
  • the first DC port is connected to the AC port using a Full-Bridge topology and the second DC port is connected to the DC port using an interleaved Half-Bridge topology (Buck-Boost type).
  • the power converter of the invention comprises a multivariable control subsystem capable of controlling the current in the three bidirectional ports, through voltage signals to be generated with each branch of the power converter and through on and off signals of each of the power transistors of the power transistor array, where the voltage signals are generated based on instantaneous power requirements on each of the three bidirectional ports.
  • the power converter of the invention comprises at least one array of inductors, where each inductor is connected between the AC port and the second DC port, where each inductor is subjected to a sinusoidal voltage of predetermined magnitude and frequency. by the AC port and the second DC port.
  • the power converter of the invention is configured to connect the at least one AC element with the at least two DC elements in a single simultaneous power conversion stage.
  • the invention also comprises a multi-port power conversion system, characterized in that it comprises the multi-port power converter defined above, an AC element connected to the AC port of the power converter and two elements DC, wherein a first DC element is connected to the first DC port of the power converter and a second DC element is connected to the second DC port of the power converter.
  • the first DC port of the converter is connected to the AC port of the converter via a Full-Bridge topology
  • the second DC port of the converter is connected to the first DC port of the converter via a Flalf-Bridge topology.
  • Interleaved Bridge Buck-Boost
  • each inductor of the inductor array is connected between the AC port and the second DC port in such a way that each inductor is subjected to a sinusoidal voltage of predetermined magnitude and frequency by the AC port.
  • AC and the second DC port and consequently the power converter connects the AC element to the two DC elements in a single simultaneous power conversion stage.
  • each inductor of the at least one array of inductors is a coupled inductor.
  • the at least one array of coupled inductors when subjected to sinusoidal voltage, introduces inverse coupling between magnetic fluxes that are generated between the AC port and the second DC port, increasing the impedance associated with at least one element. in AC and reducing a circulating electric current generated during the operation of the power converter.
  • the present first preferred embodiment not only allows an additional DC port to be added to a standard DC-AC converter without increasing the number of power transistors required, but by including an array of coupled inductors connected in parallel with the AC output of the converter, it also allows for a coupling of the inductors that reduces the magnitude of the currents associated with the second DC port, to an acceptable level for the active and passive components of the converter.
  • the incorporation of coupled inductors according to the first preferred embodiment allows reducing the magnitude of the circulating currents of the converter that do not contribute to the power transfer, and only increase the conduction and switching losses.
  • said circulating currents are high, so by reducing them, the converter of the present invention has competitive efficiencies with current commercial solutions.
  • the basis of the first preferred modality, associated with coupled inductors, is to take advantage of the magnetic fluxes generated by the voltages of each branch of the converter, to influence the circulating current generated by these same voltages.
  • each branch of the converter is subjected to a sinusoidal voltage of magnitude and frequency determined by the AC port and the DC port connected to the AC port through the inductors, which are 180° out of phase with each other. in single-phase application (120° in three-phase application and 3607N in N-phase polyphase applications).
  • the generated flows have the same phase shift and, by including the inverse coupling between them, it is possible to increase the impedance associated with the element in AC and reduce the magnitude of said current. This translates into an improvement of approximately 2% in the efficiency of the converter throughout the operating range.
  • the multivariable control subsystem comprises at least one modulation stage, for example, by means of a modulator.
  • Said modulation stage allows setting a harmonic spectrum of an output voltage of the power converter at predetermined values, so that the at least one modulation stage receives the voltage signals to be generated with each branch of the power converter and, through the modulation, generates the on and off signals of the power transistors.
  • the advantage of implementing a modulation stage in the control subsystem is to reduce the amplitude of the output frequency spectrum of the converter, avoiding the use of complex, expensive and bulky filters in practical applications.
  • the modulation stage allows setting the harmonic spectrum of the output voltage to desired values, defined as predetermined. This means a reduction of the low frequency harmonic content and a specific location for the relevant harmonics, so that they can be easily filtered to comply with the connection standards of this type of converters.
  • the multivariable control subsystem allows the regulation of the power flows between the three ports of the converter, by coupledly generating the voltage signals for each branch of the converter.
  • the main novelty of this approach is the joint use of the differential and common mode components to control the currents for each port.
  • the foregoing allows all the available degrees of freedom of the conversion system to be used, which implies that the power converter of the invention is capable of using the minimum number of active components for the connection of the at least three elements.
  • the power converter can be implemented in a single-phase conversion system, the power converter comprising four transistors and two inductors, or in a three-phase conversion system, comprising the power converter six transistors and three inductors, or in a polyphase system in general, comprising the power converter 2 multiplied by N transistors and N inductors.
  • the at least one AC element can be one or a combination of: the electrical network, an AC motor, an AC generator, an AC load , or an AC source; while the first DC element and/or the second DC element can be one or a combination of: photovoltaic systems, batteries, capacitors, ultracapacitors, fuel cells, DC micro-grids, DC loads, or power sources. DC.
  • a photovoltaic system may comprise a photovoltaic cell, a photovoltaic module or panel, a photovoltaic string (modules connected in series) or a photovoltaic array, depending on each application.
  • Another preferred embodiment of the invention implies that the second DC port is decoupled from the AC port and therefore allows connection of a low voltage DC element compared to the first DC port.
  • all the modalities of the invention can complement each other, being exclusive only if it is explicitly indicated.
  • the invention also refers to the use of the power conversion system, where said system serves to configure, among others: a photovoltaic generation system with energy storage, where the AC element is a load or source AC, the first element in DC is one or more batteries and the second element in DC is one or more photovoltaic systems; a photovoltaic generation system with two photovoltaic systems, where the AC element is an AC load or source, the first DC element is a first photovoltaic system, and the second DC element is a second photovoltaic system; a photovoltaic or battery generation system with integrated voltage boost, where the AC element is an AC load or source, the first DC element is one or more photovoltaic systems or one or more batteries, and the second DC element is one or an array of capacitors to complete the voltage boost, an electrical generation system for fuel cells with integrated battery support, where the AC element is an AC source or load, the first DC element is one or more batteries and the second element in DC is one or more fuel cells; and a hydrogen fuel cell electric vehicle, where
  • Fig. shows a diagram of the topology of the power converter according to an embodiment of the invention in a single-phase conversion system.
  • Fig. Ib shows a diagram of the topology of the power converter according to an embodiment of the invention in a three-phase conversion system.
  • Fig. shows a diagram of the topology of the power converter according to an embodiment of the invention in a polyphase conversion system.
  • Fig. 2a shows a diagram of the topology of the power converter according to a preferred embodiment of the invention in a single-phase conversion system.
  • Fig. 2b shows a diagram of the topology of the power converter according to a preferred embodiment of the invention in a three-phase conversion system.
  • Fig. 2c shows a diagram of the topology of the power converter according to a preferred embodiment of the invention in a polyphase conversion system.
  • Figs. 3a-e show experimental results of power converter operation according to one embodiment of the invention.
  • Figs. 4a-c show experimental results of the operation of the power converter according to a preferred embodiment of the invention.
  • Figs. la, Ib and le show diagrams of the topology of the power converter according to an embodiment of the invention, which incorporates arrays of inductors without coupling, implemented in single-phase, three-phase and polyphase systems, respectively.
  • N can be an integer greater than or equal to 2.
  • N 3 the system is a three-phase system , like the one in Fig. Ib.
  • the single-phase and three-phase systems are illustrated independently in Figs. la and Ib, considering that they are the most widely used in the industry.
  • a power converter is shown in a single-phase application.
  • Said power converter comprises an array of transistors formed by four transistors, an array of inductors formed by two inductors (Li, L2) without coupling, an alternating current port (AC) and a first direct current port (CCi) and a second DC port (CC2).
  • a power converter is shown in a three-phase application.
  • Said power converter comprises a transistor array made up of six transistors, an inductor array made up of three inductors (Li, L2, L3) without coupling, an alternating current (AC) port and a first direct current (CCi) port. and a second DC port (CC2).
  • a power converter in an N-phase polyphase application comprises an array of transistors formed by 2*N transistors, an array of inductors formed by N inductors (Li,..., LN) without coupling, an alternating current (AC) port and a first AC port. direct current (DCi) and a second direct current port (DC2).
  • the DC ports can be represented by DC elements, such as photovoltaic systems, batteries, capacitors, ultracapacitors, fuel cells and DC micro-grids . That is, they can represent DC loads, or DC sources, connected to the power converter through bidirectional ports.
  • the AC port can be represented by alternating current elements, such as the electrical network, an AC motor and/or an AC generator. That is, it can represent an AC load or an AC source, connected to the power converter through a bidirectional port.
  • Figs. 2a, 2b and 2c show diagrams of the topology of the power converter according to a preferred embodiment of the invention, which incorporates arrays of inductors with coupling, implemented in single-phase, three-phase and polyphase systems, respectively.
  • the main difference with Fig. la-c is that the power converters in Fig. 2a-c incorporate an arrangement of inductors (L e ), which do not contribute to power transfer and only increase the conduction and switching losses of the converter as specified above.
  • a first embodiment of the power converter of the invention was implemented in a single-phase system, with an arrangement of inductors without coupling.
  • Said power converter is arranged in a system formed by batteries, capacitors and an AC source.
  • the measurements represent the operation of the power converter connecting a low voltage DC source, equivalent to a battery, with the AC network.
  • the operating parameters of the system are shown in Table I.
  • Figs. 3a-c show how the proposed converter responds to a reversal in the power flow between the ports.
  • the DC port corresponding to the DC source or battery (CCi) goes from absorbing power from the network (charging) to delivering power (discharging) to it (see Fig. 3a), while the remaining DC port voltage (DC2) is kept constant (see Fig. 3b).
  • Fig. 3c shows the current and power at the AC port, evidencing the effects of reversal on power flow. This scenario is relevant for three main points:
  • Figs. 3a-c demonstrate the correct operation of the converter in the face of sudden changes in generation and consumption associated with the place of operation.
  • Figs. 3d and 3e show the voltage generated by the power converter at the network connection port (see Fig. 3d, Converter Output Voltage) and its respective harmonic content (see Fig. 3e, Harmonic Spectrum of the voltage).
  • the graphs of Fig. 3d-e, together with Figs. 3a-c, prove that the power converter of the invention can generate a sinusoidal current to exchange power with the two DC ports (CCi, CC2).
  • Fig. 3e allows us to appreciate the high harmonic content in low frequencies generated in the AC port, which in commercial applications can cause problems when complying with current regulations for converters connected to the electrical network. .
  • TDD Total Harmonic Distortion
  • WTHD Total Weighted Harmonic Distortion
  • the inductors of the inductor array are coupled inductors and, given this, the currents to be supported by the real-scale converter are reduced, avoiding the efficiencies that make commercial implementation difficult. of the first application example.
  • the controller used in the present embodiment includes a modulation stage, which leads to a reduced harmonic spectrum that can easily meet the operating requirements of current AC networks. Then, the simulated operation results of the power converter according to the preferred modality, with coupled inductors and modulation stage, are shown in Fig. 4a-c
  • Figs. 4a and 4b show the voltage generated by the converter (see Fig. 4a , Converter Output Voltage) considering the control method plus the modulation stage of the preferred embodiment of the invention . Furthermore, in Fig. 4b it can be seen that the low-frequency harmonic content is reduced and that the relevant harmonics are found only in multiples of the switching frequency. Indeed, the TDH is 19.76% and the WDH is 1.08%. Given this, the harmonic content can be easily filtered and consequently comply with the connection regulations for this type of power converters.
  • Fig. 4c shows the increase in the total efficiency of the converter for the entire operating range, comparing the modality that implements inductors with coupling and the modality that implements inductors without coupling. Said increase in efficiency is due to the fact that by using coupled inductors it is possible to considerably reduce the current circulating through the converter, which leads to lower conduction and commutation losses. Said modification on the modality of the first application example also allows reducing the size of the inductors, which produces an improvement in the total power density of the solution.
  • the results presented show how the proposed invention allows the implementation of a three-port power conversion system suitable for use in grid-connected photovoltaic generation and energy storage systems.
  • the preferred modality of the solution, with coupled inductors and modulation stage fully complies with grid connection standards and allows obtaining an efficiency curve that is competitive with current market solutions.

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Abstract

La invención se refiere a un conversor de potencia multi-puerto y a un sistema de conversión de potencia que implementa el conversor de potencia de la invención, para conectar al menos dos elementos en corriente continua (CC) con al menos un elemento en corriente alterna (CA), haciendo uso de una única etapa de conversión simultánea. Además, la invención se refiere al uso del sistema de conversión de potencia.

Description

CONVERSOR DE POTENCIA MULTI-PUERTO Y SISTEMA Y USO ASOCIADOS
MEMORIA DESCRIPTIVA
[0001] La invención se refiere a un conversor de potencia multi -puerto y a un sistema de conversión de potencia que implementa el conversor de potencia de la invención, para conectar al menos dos elementos en corriente continua (CC) con al menos un elemento en corriente alterna (CA), haciendo uso de una única etapa de conversión simultánea.
[0002] Más en particular, la invención se refiere a un conversor de potencia que comprende tres puertos bidireccionales, permitiendo la conexión de fuentes y cargas de potencia según los requerimientos de cada aplicación. Además, se define el uso del sistema de conversión en distintas aplicaciones que requieren la conexión de al menos dos elementos en CC con al menos un elemento en CA.
ANTECEDENTES
[0003] En los últimos años, la cantidad de aplicaciones o sistemas eléctricos híbridos, que se configuran para manejar la interacción de diferentes fuentes y/o cargas eléctricas, tales como sistemas foto voltaicos, baterías, celdas de combustible y la red eléctrica, ha aumentado exponencialmente. En este contexto, se ha generado un creciente interés por el desarrollo de conversores de potencia con el desafío de cumplir con las múltiples funcionalidades requeridas al momento de conectar fuentes y/o cargas eléctricas diferentes en un mismo sistema, por ejemplo, conectar un sistema fotovoltaico a la red o incluir sistemas de almacenamiento de energía en un sistema de generación fotovoltaica conectado a la red.
[0004] Dentro de las soluciones propuestas para hacer frente a dichos desafíos, destacan las que utilizan múltiples etapas de conversión de potencia como interfaz con las diferentes fuentes y/o cargas eléctricas. Por ejemplo, la Patente US10056847B2 muestra una solución para la conexión de múltiples fuentes de CC mediante un sistema de conversores individuales conectados a la red a través de un inversor tradicional. Actualmente, este tipo de sistemas con múltiples etapas de conversión de potencia son ampliamente utilizados. Sin embargo, el principal problema de este tipo de sistemas es el alto número de componentes que lo conforman, lo que además de encarecer su construcción afecta su confiabilidad y eficiencia total.
[0005] Por otra parte, existe un grupo de soluciones que optimizan la conversión CC elevadora de tensión mediante el uso de topologías resonantes de alta eficiencia, con lo que se mejora tanto la extracción de potencia desde una fuente de CC, como un arreglo de paneles solares, como la interacción con las unidades de almacenamiento de energía, como otra fuente/carga de CC. Sin embargo, este grupo de soluciones poseen una primera etapa de conversión muy eficiente y óptima en cuanto a volumen, pero necesitan una segunda etapa para la conexión con la red que reduce su eficiencia y aumenta considerablemente la complejidad del sistema.
[0006] En vista de lo anterior, existe la necesidad de un sistema de conversión de potencia que implemente una concepción unificada de la conversión de potencia necesaria al conectar a la red múltiples fuentes y/o cargas eléctricas, como paneles solares y unidades de almacenamiento de energía.
[0007] Adicionalmente, al dimensionar una instalación foto voltaica residencial (pequeña instalación), la factibilidad de generación y su potencial están supeditados a un mínimo de módulos fotovoltaicos conectados en serie (string) o a un segundo conversor elevador para entregar al inversor el voltaje necesario de operación para que sea conectado a la red o carga. En este sentido, dependiendo del uso que se le dará a la energía generada y tomando en cuenta la ley de cada país, como el denominado Net Billing, se estima que en muchos casos el óptimo de funcionamiento es el autoconsumo y no la venta de energía a la red, lo que significa instalaciones de menor potencia y factibilidad de almacenar energía con baterías. Sin embargo, el uso de baterías requiere de un conversor adicional, por lo que, si se desea generación solar y almacenamiento de energía, se requiere de inversores híbridos especiales o a lo menos de 2 conversores convencionales.
[0008] En este contexto, la invención busca ser una alternativa eficiente para sistemas de generación solar y almacenamiento de energía conectados a la red, al proponer una única etapa de conversión de potencia simultánea para regular la interacción entre los tres elementos de dichos sistemas. Adicionalmente, de acuerdo con una modalidad, el conversor propuesto permite conectar sistemas fotovoltaicos, baterías o celdas de combustible de bajo voltaje a la red sin la necesidad de un conversor elevador adicional, de manera que la solución puede implementarse en sistemas de baja-media potencia presentando tres beneficios fundamentales:
Reducción de los costos de inversión, al reducir el número de equipos necesarios disminuyen costos de instalación y transporte. Reducción de los costos de operación, al disminuir la probabilidad de fallas debido a la menor cantidad de componentes.
Aumento en los ingresos percibidos, debido a un alta eficiencia y capacidad de prestar servicios complementarios a la red.
[0009] Luego, la invención tiene múltiples aplicaciones en las industrias de la generación eléctrica, almacenamiento de energía e incluso en transporte, encontrándose especialmente diseñada para formar parte de múltiples tipos de sistemas eléctricos, entre ellos: sistemas de generación foto voltaica con almacenamiento de energía integrado, sistemas de generación fotovoltaica con dos sistemas fotovoltaicos independientes, sistemas de generación fotovoltaica con elevación de voltaje integrado, sistemas de generación eléctrica para celdas de combustible con soporte de batería integrado y sistemas de baterías conectados a la red de corriente alterna con elevación de voltaje integrado. Adicionalmente, el sistema permite utilizar uno de los puertos de CC con un capacitor que absorba el rizado de potencia cuando el puerto de CA es monofásico, liberando de estrés al otro puerto de CC. Además, producto de su multifuncionalidad, el conversor de potencia de la invención también tiene aplicación en vehículos eléctricos que incorporan celdas de combustible de hidrógeno, por ejemplo.
[0010] Dicho lo anterior, a continuación se describe la invención en relación a sus características esenciales, modalidades preferentes y problemas técnicos que se buscan resolver en comparación con soluciones similares.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
[0011] La invención se refiere a un conversor de potencia multi-puerto, que comprende un arreglo de transistores de potencia y tres puertos bidireccionales, para conectar al menos dos elementos en corriente continua (CC), como un sistema fotovoltaico y un arreglo de baterías, con al menos un elemento en corriente alterna (CA), como la red eléctrica, haciendo uso de una única etapa de conversión de potencia simultánea. Además, la invención se refiere a un sistema de conversión de potencia que implementa dicho conversor de potencia, junto con dos elementos en CC y un elemento en CA que en conjunto forman diferentes tipos de sistemas eléctricos.
[0012] Mediante la invención, con la capacidad de hacer uso de una única etapa de conversión de potencia simultánea, es decir, en donde la conversión de potencia entre los puertos bidireccionales del conversor ocurre al mismo tiempo o de manera simultánea, se reduce la complejidad de la topología del conversor de potencia y se mejora la densidad de potencia en comparación con aquellas soluciones que implementan múltiples etapas de conversión. Además, como cada uno de los puertos es bidireccional, permite la conexión de fuentes y cargas de potencia según los requerimientos de cada aplicación. [0013] El conversor de potencia de la invención deriva de una topología tradicional denominada Full-Bridge, con la inclusión de un arreglo de inductores para generar un segundo puerto de CC. De acuerdo con una modalidad, dicho segundo puerto de CC permite la conexión de un elemento de baja tensión (p. ej. sistemas fotovoltaicos, baterías o celdas de combustible) con la red eléctrica en CA sin la necesidad de incluir una etapa elevadora de tensión adicional. En consecuencia, la presente invención permite realizar conversión de potencia entre tres puertos minimizando los dispositivos totales requeridos, lo que aumenta la densidad de potencia del conversor.
[0014] La operación del conversor de potencia de la invención está asociada a un subsistema de control multivariable, que regula de manera acoplada los estados de los dispositivos activos presentes en la topología. El subsistema de control entrega señales de voltaje a generar con cada rama del conversor y, con ello, genera las señales de encendido y apagado de los transistores de potencia. El subsistema de control multivariable genera las señales de voltaje en función de los requerimientos de potencia instantánea en cada uno de los puertos del conversor. De esta manera, el sistema de conversión puede ser utilizado en distintos escenarios de conversión eléctrica donde se requiera la interacción de al menos dos elementos en CC con un puerto de CA. Ejemplos de este tipo de sistemas son: sistemas de generación fotovoltaica fuera de la red (off-grid) y dentro de la red (on-grid) con al acenamiento de energía, sistemas fotovoltaicos con dos arreglos de módulos fotovoltaicos, sistemas de generación fotovoltaica o de baterías con elevación de voltaje integrado y sistemas de movilidad o tracción eléctrica con fuentes híbridas de energía, entre otros.
[0015] En consecuencia, el conjunto de la topología del conversor de potencia de la invención con el control propuesto permite generar un sistema de conversión de potencia de bes puertos multifuncional con múltiples ventajas, entre ellas: alta densidad de potencia al minimizar la cantidad de transistores de potencia y elementos pasivos asociados; capacidad bidireccional en los flujos de potencia de todos los puertos y; elevación de voltaje integrada para uno de los puertos de CC.
[0016] En particular, la invención propone un sistema de conversión de potencia que comprende un conversor de potencia multi-puerto, que comprende un arreglo de transistores de potencia y tres puertos bidireccionales, para conectar al menos dos elementos en corriente continua (CC) con al menos un elemento en corriente alterna (CA). Los tres puertos bidireccionales son un primer puerto de CC, configurado para conectarse a un primer elemento en CC, un segundo puerto de CC, configurado para conectarse a un segundo elemento en CC, y un puerto de CA, configurado para conectarse a al menos un elemento en CA. El primer puerto de CC está conectado al puerto de CA mediante una topología Full-Bridge y el segundo puerto de CC está conectado al puerto de CC mediante una topología Half- Bridge intercalada (del tipo Buck-Boost). Además, el conversor de potencia de la invención comprende un subsistema de control multivariable capaz de controlar la corriente en los tres puertos bidireccionales, mediante señales de voltaje a generar con cada rama del conversor de potencia y mediante señales de encendido y apagado de cada uno de los transistores de potencia del arreglo de transistores de potencia, en donde las señales de voltaje son generadas en función de requerimientos de potencia instantánea en cada uno de los tres puertos bidireccionales. Finalmente, el conversor de potencia de la invención comprende al menos un arreglo de inductores, en donde cada inductor está conectado entre el puerto de CA y el segundo puerto de CC, en donde cada inductor es sometido a un voltaje sinusoidal de magnitud y frecuencia predeterminados por el puerto de CA y el segundo puerto de CC.
[0017] De esta manera, el conversor de potencia de la invención está configurado para conectar el al menos un elemento en CA con los al menos dos elementos en CC en una única etapa de conversión de potencia simultánea.
[0018] Por otra parte, la invención también comprende un sistema de conversión de potencia multi- puerto, caracterizado porque comprende al conversor de potencia multi-puerto definido anteriormente, un elemento en CA conectado al puerto de CA del conversor de potencia y dos elementos en CC, en donde un primer elemento en CC está conectado al primer puerto de CC del conversor de potencia y un segundo elemento en CC está conectado al segundo puerto de CC del conversor de potencia. De acuerdo con la invención, el primer puerto de CC del conversor está conectado el puerto de CA del conversor mediante una topología Full-Bridge, y el segundo puerto de CC del conversor está conectado al primer puerto de CC del conversor mediante una topología Flalf-Bridge intercalada (Buck-Boost). Las corrientes en los tres puertos bidireccionales, y aplicadas a los elementos en CC y CA, son controladas por el subsistema de control multivariable del conversor de potencia, tal como indicado anteriormente. Luego, de acuerdo con el sistema de la invención, cada inductor del arreglo de inductores está conectado entre el puerto de CA y el segundo puerto de CC de manera que cada inductor es sometido a un voltaje sinusoidal de magnitud y frecuencia predeterminados por el puerto de CA y el segundo puerto de CC y, en consecuencia, el conversor de potencia conecta el elemento en CA con los dos elementos en CC en una única etapa de conversión de potencia simultánea.
[0019] De acuerdo con una primera modalidad preferente de la invención, cada inductor del al menos un arreglo de inductores es un inductor acoplado. En este contexto, el al menos un arreglo de inductores acoplados, al estar sometido al voltaje sinusoidal, introduce acoplamiento inverso entre flujos magnéticos que se generan entre el puerto de CA y el segundo puerto de CC, aumentando la impedancia asociada al al menos un elemento en CA y reduciendo una corriente eléctrica circulante generada durante la operación del conversor de potencia. La presente primera modalidad preferente no solo permite agregar un puerto de CC adicional en un conversor CC-CA estándar sin aumentar el número de transistores de potencia requeridos, sin que, mediante la inclusión de un arreglo de inductores acoplados conectados en paralelo con la salida CA del conversor, también permite que exista un acoplamiento magnético de los inductores que reduce la magnitud de las corrientes asociadas al segundo puerto de CC, a un nivel aceptable para los componentes activos y pasivos del conversor.
[0020] En particular, la incorporación de inductores acoplados de acuerdo con la primera modalidad preferente permite reducir la magnitud de las corrientes circulantes del conversor que no aportan a la transferencia de potencia, y solo aumentan las pérdidas de conducción y conmutación. En escala de operación real (residencial o industrial) dichas corrientes circulantes son elevadas, por lo que al reducir las mismas el conversor de la presente invención tenga eficiencias competitivas con soluciones comerciales actuales.
[0021] El fundamento de la primera modalidad preferente, asociada a los inductores acoplados, es aprovechar los flujos magnéticos generados por los voltajes de cada rama del conversor, para influir en la corriente circulante generada por estos mismos voltajes. Lo anterior se debe a que cada rama del conversor está sometida a un voltaje sinusoidal de magnitud y frecuencia determinada por el puerto de CA y el puerto de CC conectado al puerto de CA mediante los inductores, los cuales tienen un desfase de 180° entre sí en la aplicación monofásica (120° en la aplicación trifásica y 3607N en aplicaciones polifásicas de N-fases). De esta forma, los flujos generados poseen el mismo desfase y, al incluir el acoplamiento inverso entre ellos, se logra aumentar la impedancia asociada al elemento en CA y reducir la magnitud de dicha corriente. Esto se traduce en una mejora de un aproximadamente un 2% en la eficiencia del conversor en todo el rango de operación.
[0022] Por otra parte, de acuerdo con una segunda modalidad preferente de la invención, el subsistema de control multivariable comprende al menos una etapa de modulación, por ejemplo, mediante un modulador. Dicha etapa de modulación permite fijar un espectro armónico de un voltaje de salida del conversor de potencia en valores predeterminados, de manera que la al menos una etapa de modulación recibe las señales de voltaje a generar con cada rama del conversor de potencia y, mediante la modulación, genera las señales de encendido y apagado de los transistores de potencia.
[0023] La ventaja de implementar una etapa de modulación en el subsistema de control es reducir la amplitud del espectro de frecuencia de salida del conversor, evitando el uso de filtros complejos, costosos y voluminosos en aplicaciones prácticas. En efecto, la etapa de modulación permite fijar el espectro armónico del voltaje de salida en valores deseados, definidos como predeterminados. Lo anterior significa una reducción del contenido armónico de baja frecuencia y una locación específica para los armónicos relevantes, de manera que pueden ser fácilmente filtrados para cumplir con las normas de conexión de este tipo de conversores.
[0024] Además, el subsistema de control multivariable permite realizar la regulación de los flujos de potencia entre los tres puertos del conversor, al generar acopladamente las señales de voltaje para cada rama del conversor. La principal novedad de este enfoque es la utilización en conjunto de los componentes de modo diferencial y común para controlar las corrientes de cada puerto. Lo anterior permite utilizar todos los grados de libertad disponibles del sistema de conversión, lo que implica que el conversor de potencia de la invención es capaz de utilizar la cantidad mínima de componentes activos para la conexión de los al menos tres elementos.
[0025] En este punto es importante destacar que las modalidades preferentes primera y segunda pueden implementarse en conjunto, complementando las ventajas asociadas a cada una de ellas.
[0026] Por otra parte, de acuerdo con modalidades alternativas de la invención, el conversor de potencia puede implementarse en un sistema de conversión monofásico, comprendiendo el conversor de potencia cuatro transistores y dos inductores, o en un sistema de conversión trifásico, comprendiendo el conversor de potencia seis transistores y tres inductores, o en un sistema polifásico en general, comprendiendo el conversor de potencia 2 multiplicado por N transistores y N inductores.
[0027] Además, de acuerdo con modalidades asociadas a la aplicación de la invención, el al menos un elemento en CA puede ser uno o una combinación de: la red eléctrica, un motor de CA, un generador de CA, una carga de CA, o una fuente de CA; mientras que el primer elemento en CC y/o el segundo elemento en CC pueden ser uno o una combinación de: sistemas foto voltaicos, baterías, capacitores, ultracapacitores, celdas de combustible, micro-redes de CC, cargas de CC, o fuentes de CC. Es importante destacar que, en el contexto de la invención, un sistema fotovoltaico puede comprender una celda fotovoltaica, un módulo o panel fotovoltaico, un string fotovoltaico (módulos conectados en serie) o un arreglo fotovoltaico, según cada aplicación.
[0028] Otra modalidad preferente de la invención implica que el segundo puerto de CC está desacoplado del puerto de CA y, por lo tanto, permite la conexión de un elemento en CC de bajo voltaje en comparación con el primer puerto de CC. Tal como destacado anteriormente, todas las modalidades de la invención pueden complementarse entre sí, siendo excluyentes solamente si se indica de manera explícita.
[0029] Finalmente, la invención también se refiere al uso del sistema de conversión de potencia, en donde dicho sistema sirve para configurar, entre otros: un sistema de generación fotovoltaico con almacenamiento de energía, donde el elemento en CA es una carga o fuente de CA, el primer elemento en CC es una o más baterías y el segundo elemento en CC es uno o más sistemas foto voltaicos; un sistema de generación fotovoltaica con dos sistemas foto voltaicos, donde el elemento en CA es una carga o fuente de CA, el primer elemento en CC es un primer sistema fotovoltaico y el segundo elemento en CC es un segundo sistema fotovoltaico; un sistema de generación fotovoltaico o de baterías con elevación de voltaje integrado, donde el elemento en CA es una carga o fuente de CA, el primer elemento en CC es uno o más sistemas fotovoltaicos o una o más baterías y el segundo elemento en CC es uno o un arreglo de capacitores que permite completar la elevación de voltaje, un sistema de generación eléctrica para celdas de combustible con soporte de batería integrado, donde el elemento en CA es una fuente o carga de CA, el primer elemento en CC es una o más baterías y el segundo elemento en CC es una o más celdas de combustible; y un vehículo eléctrico con celdas de combustible de hidrógeno, donde el elemento en CA es una máquina, fuente o carga de CA, el primer elemento en CC es una o más baterías, o ultracapacitores del vehículo y el segundo elemento en CC es una o más celdas de combustible de hidrógeno del vehículo.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
[0030] Como parte de la presente invención se presentan las siguientes figuras representativas de la misma, las que enseñan modalidades preferentes de la invención y, por lo tanto, no deben considerarse como limitantes a la definición de la materia reivindicada.
La Fig. la muestra un esquema de la topología del conversor de potencia de acuerdo con una modalidad de la invención en un sistema de conversión monofásico.
La Fig. Ib muestra un esquema de la topología del conversor de potencia de acuerdo con una modalidad de la invención en un sistema de conversión trifásico.
La Fig. le muestra un esquema de la topología del conversor de potencia de acuerdo con una modalidad de la invención en un sistema de conversión polifásico.
La Fig. 2a muestra un esquema de la topología del conversor de potencia de acuerdo con una modalidad preferente de la invención en un sistema de conversión monofásico.
La Fig. 2b muestra un esquema de la topología del conversor de potencia de acuerdo con una modalidad preferente de la invención en un sistema de conversión trifásico.
La Fig. 2c muestra un esquema de la topología del conversor de potencia de acuerdo con una modalidad preferente de la invención en un sistema de conversión polifásico.
Las Figs. 3a-e muestran resultados experimentales de la operación del conversor de potencia de acuerdo con una modalidad de la invención. Las Figs. 4a-c muestran resultados experimentales de la operación del con ver sor de potencia de acuerdo con una modalidad preferente de la invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE UNA MODALIDAD PREFERENTE
[0031] En las Fig. la, Ib y le se muestran esquemas de la topología del conversor de potencia de acuerdo con una modalidad de la invención, que incorpora arreglos de inductores sin acoplamiento, implementada en sistemas monofásico, trifásico y polifásico, respectivamente. En particular, en la Fig. le puede apreciase la aplicación del conversor de potencia en un sistema polifásico de N fases, donde N puede ser un entero mayor o igual que 2. Como es posible apreciar, cuando N = 3 el sistema es uno trifásico, como el de la Fig. Ib. Los sistemas monofásico y trifásico se ilustran de manera independiente en las Fig. la y Ib considerando que son los más utilizados en la industria.
[0032] Al respecto, con referencia a la Fig. la, se muestra un conversor de potencia en una aplicación monofásica. Dicho conversor de potencia comprende un arreglo de transistores formado por cuatro transistores, un arreglo de inductores formado por dos inductores (Li, L2) sin acoplamiento, un puerto de corriente alterna (CA) y un primer puerto de corriente continua (CCi) y un segundo puerto de corriente continua (CC2). Con referencia a la Fig. Ib, se muestra un conversor de potencia en una aplicación trifásica. Dicho conversor de potencia comprende un arreglo de transistores formado por seis transistores, un arreglo de inductores formado por tres inductores (Li, L2, L3) sin acoplamiento, un puerto de corriente alterna (CA) y un primer puerto de corriente continua (CCi) y un segundo puerto de corriente continua (CC2). Finalmente, con referencia a la Fig. le, un conversor de potencia en una aplicación polifásica de N fases. Dicho conversor de potencia comprende un arreglo de transistores formado por 2*N transistores, un arreglo de inductores formado por N inductores (Li,..., LN) sin acoplamiento, un puerto de corriente alterna (CA) y un primer puerto de corriente continua (CCi) y un segundo puerto de corriente continua (CC2).
[0033] En las Fig.la, Ib y le los puertos de CC (CCi, CC2) pueden estar representados por elementos de corriente continua, como sistemas foto voltaicos, baterías, capacitores, ultracapacitores, celdas de combustible y micro-redes de CC. Es decir, pueden representar cargas de CC, o fuentes de CC, conectadas al conversor de potencia mediante puertos bidireccionales. Por otra parte, el puerto de CA puede estar representado por elementos de corriente alterna, como la red eléctrica, un motor de CA y/o un generador de CA. Es decir, puede representar una carga de CA o una fuente de CA, conectada al conversor de potencia mediante un puerto bidireccional.
[0034] De manera similar, las Fig. 2a, 2b y 2c muestran esquemas de la topología del conversor de potencia de acuerdo con una modalidad preferente de la invención, que incorpora arreglos de inductores con acoplamiento, implementada en sistemas monofásico, trifásico y polifásico, respectivamente. Como se puede apreciar, la principal diferencia con las Fig. la-c, es que los conversores de potencia en las Fig. 2a-c incorporan un arreglo de inductores (Le), que no aportan a la transferencia de potencia y sólo aumentan las pérdidas de conducción y conmutación del conversor como se ha especificado anteriormente.
[0035] En base a las topologías de conversores de potencia de la invención de acuerdo con las modalidades mostradas en las Fig. la-c y 2a-c, a continuación se presentan los resultados de dos ejemplos de aplicación asociados al uso de dicha modalidades.
Ejemplo 1
[0036] En un primer ejemplo de aplicación, se implemento una primera modalidad del conversor de potencia de la invención en un sistema monofásico, con un arreglo de inductores sin acoplamiento. Dicho conversor de potencia se dispone en un sistema formado por baterías, capacitores y una fuente AC. Particularmente, las mediciones representan la operación del conversor de potencia conectando una fuente CC de bajo voltaje, equivalente a una batería, con la red CA. Los parámetros de operación del sistema son mostrados en la Tabla I.
Figure imgf000011_0001
[0037] Las Fig. 3a-c muestran cómo responde el conversor propuesto ante una inversión en el flujo de potencia entre los puertos. En este caso, se ve como el puerto de corriente continua correspondiente a la fuente de CC o batería (CCi) pasa de absorber potencia desde la red (carga) a entregar potencia (descarga) a la misma (ver Fig. 3a), mientras el voltaje del puerto de CC restante (CC2) se mantiene constante (ver Fig. 3b). La Fig. 3c muestra la corriente y la potencia en el puerto de CA, evidenciándose los efectos de la inversión en el flujo de potencia. Este escenario es relevante por tres puntos principales:
Muestra la capacidad bidireccional en términos de potencia de los puertos del conversor.
Muestra la capacidad del conversor de inyectar potencia a la red desde un elemento de menor voltaje como la batería.
Muestra como el puerto CC2 se mantiene en torno a su referencia, por lo que la fuente o carga que esté conectada en dicho puerto no se ve afectada por el intercambio de potencia. [0038] En consecuencia, las Fig. 3a-c demuestran la correcta operación del conversor ante cambios repentinos en la generación y el consumo asociados al lugar de operación.
[0039] Las Fig. 3d y3e muestran el voltaje generado por el conversor de potencia en el puerto de conexión con la red (ver Fig. 3d, Voltaje de Salida del Conversor) y su respectivo contenido armónico (ver Fig. 3e, Espectro Armónico del Voltaje). Los gráficos de la Fig. 3d-e, en conjunto con las Fig. 3a- c, prueba que el conversor de potencia de la invención puede generar una corriente sinusoidal para intercambiar potencia con los dos puertos de CC (CCi, CC2).
[0040] Por otro lado, la Fig. 3e permite apreciar el alto contenido armónico en bajas frecuencias generado en el puerto de CA, lo que en aplicaciones comerciales puede generar problemas al momento de cumplir con las normativas vigentes para conversores conectados a la red eléctrica. En efecto, se obtiene una Distorsión Armónica Total (THD) del 88,23% y una Distorsión Armónica Total Ponderada (WTHD) del 1,51%
Ejemplo 2
[0041] Considerando lo anterior, en un segundo ejemplo de aplicación se implementa una modalidad preferente del conversor de potencia de la invención, que opera principalmente con dos diferencias respecto del primer ejemplo de aplicación.
[0042] En primer lugar, de acuerdo con la presente modalidad preferente, los inductores del arreglo de inductores son inductores acoplados y, dado esto, las corrientes a soportar por el conversor en escala real se reducen, evitando las eficiencias que dificultan la implementación comercial del primer ejemplo de aplicación. En segundo lugar, el controlador utilizado en la presente modalidad incluye una etapa de modulación, lo que conlleva un espectro armónico reducido que puede cumplir sin problemas con los requisitos de operación de las redes de CA actuales. Luego, los resultados de operación simulados del conversor de potencia de acuerdo con la modalidad preferente, con inductores acoplados y etapa de modulación se muestran en las Fig. 4a-c
[0043] En este contexto, las Fig. 4a y 4b muestran el voltaje generado por el conversor (ver Fig. 4a, Voltaje de Salida del Conversor) considerando el método de control más la etapa de modulación de la modalidad preferente de la invención. Además, en la Fig. 4b se observa que el contenido armónico de baja frecuencia es reducido y que los armónicos relevantes se encuentran solamente en los múltiplos de la frecuencia de conmutación. En efecto, el TDH es del 19,76% y el WDH es del 1,08%. Dado esto, el contenido armónico se puede filtrar fácilmente y en consecuencia cumplir con las normativas de conexión para este tipo de conversores de potencia.
[0044] Por otro lado, la Fig. 4c muestra el aumento en la eficiencia total del conversor para todo el rango de operación, comparando la modalidad que implementa inductores con acoplamiento y la modalidad que implementa inductores sin acoplamiento. Dicho aumento en la eficiencia se debe a que al utilizar inductores acoplados se logra disminuir considerablemente la corriente circulante por el conversor, lo que conlleva menores pérdidas tanto de conducción como de conmutación. Dicha modificación sobre la modalidad del primer ejemplo de aplicación además permite reducir el tamaño de los inductores, lo que produce una mejora en la densidad de potencia total de la solución.
[0045] En conclusión, los resultados expuestos muestran como la invención propuesta permite implementar un sistema de conversión de potencia de tres puertos apto para el uso en sistemas de generación fotovoltaica y almacenamiento de energía conectados a la red. En particular, la modalidad preferente de la solución, con inductores acoplados y etapa de modulación, cumple ampliamente con las normas de conexión a la red y permite obtener una curva de eficiencia competitiva con las soluciones de mercado actuales.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un conversor de potencia multi-puerto, que comprende un arreglo de transistores de potencia y tres puertos bidireccionales, para conectar al menos dos elementos en corriente continua (CC) con al menos un elemento en corriente alterna (CA) monofásico o polifásico; en donde los al menos tres puertos bidireccionales son: un primer puerto de CC, configurado para conectarse a un primer elemento en CC; un segundo puerto de CC, configurado para conectarse a un segundo elemento en CC; y un puerto de CA, configurado para conectarse a el al menos un elemento en CA; caracterizado porque: el primer puerto de CC está conectado al puerto de CA mediante una topología Full- Bridge; y el segundo puerto de CC está conectado al primer puerto de CC mediante una topología Half-Bridge intercalado (Buck-Boost); en donde el conversor de potencia además comprende: un subsistema de control multivariable capaz de controlar la corriente en los al menos tres puertos bidireccionales, mediante señales de voltaje a generar con cada rama del conversor de potencia y mediante señales de encendido y apagado de cada uno de los transistores de potencia del arreglo de transistores de potencia, en donde las señales de voltaje son generadas en función de requerimientos de potencia instantánea en cada uno de los tres puertos bidireccionales; y al menos un arreglo de inductores, en donde cada inductor está conectado entre una de las fases del primer puerto de CA y el segundo puerto de CC, en donde cada inductor es sometido a un voltaje sinusoidal de magnitud y frecuencia predeterminados por el primer puerto de CA y el segundo puerto de CC, en función del al menos un elemento en CA a conectar en el puerto de CA y del voltaje a definir en el segundo puerto de CC; en donde el conversor de potencia está configurado para conectar el al menos un elemento en CA con los al menos dos elementos en CC en una única etapa de conversión de potencia simultánea.
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2. El conversor de potencia de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque cada inductor es un inductor acoplado, en donde el al menos un arreglo de inductores acoplados, al estar sometido al voltaje sinusoidal, introduce acoplamiento inverso entre flujos magnéticos que se generan entre el puerto de CA y el segundo puerto de CC, aumentando la impedancia asociada al al menos un elemento en CA y reduciendo una corriente eléctrica circulante generada durante la operación del conversor de potencia.
3. El conversor de potencia de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizado porque el subsistema de control multivariable comprende al menos una etapa de modulación, para fijar un espectro armónico de un voltaje de salida del conversor de potencia en valores predeterminados, en donde la al menos una etapa de modulación recibe las señales de voltaje a generar con cada rama del conversor de potencia y genera las señales de encendido y apagado de los transistores de potencia.
4. El conversor de potencia de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque: se implementa en un sistema monofásico, comprendiendo el conversor de potencia cuatro transistores y dos inductores; se implementa en un sistema trifásico, comprendiendo el conversor de potencia seis transistores y tres inductores; o se implementa en un sistema polifásico de N-fases, comprendido el conversor de potencia 2 multiplicado por N transistores y N inductores.
5. El conversor de potencia de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque el al menos un elemento en CA es uno o una combinación de: la red eléctrica, un motor de CA, un generador de CA, una carga de CA, o una fuente de CA.
6. El conversor de potencia de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque el primer elemento en CC y/o el segundo elemento en CC son uno o una combinación de: sistemas foto voltaicos, baterías, capacitores, ultr acapacitores, celdas de combustible, micro-redes de CC, cargas de CC, o fuentes de CC.
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7. El conversor de potencia de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado porque el segundo puerto de CC está desacoplado del puerto de CA y, por lo tanto, permite la conexión de un elemento en CC de bajo voltaje en comparación con el primer puerto de CC.
8. Un sistema de conversión de potencia multi-puerto, caracterizado porque comprende: un conversor de potencia multi-puerto de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende un arreglo de transistores de potencia, tres puertos bidireccionales y un arreglo de inductores; un elemento en corriente alterna (CA) conectado al puerto de CA del conversor de potencia; y dos elementos en corriente continua (CC), en donde un primer elemento en CC está conectado al primer puerto de CC del conversor de potencia y en donde un segundo elemento en CC está conectado al segundo puerto de CC del conversor de potencia; en donde el primer puerto de CC está conectado al puerto de CA del conversor de potencia mediante una topología Full-Bridge, y en donde el segundo puerto de CC del conversor de potencia está conectado al primer puerto de CC del conversor de potencia mediante una topología Half-Bridge intercalado (Buck-Boost); en donde las corrientes en los tres puertos bidireccionales son controladas por el subsistema de control multivariable del conversor de potencia, mediante señales de voltaje a generar con cada rama del conversor de potencia y mediante señales de encendido y apagado de cada uno de los transistores de potencia del arreglo de transistores de potencia, en donde las señales de voltaje son generadas en función de requerimientos de potencia instantánea en cada uno de los al menos tres puertos bidireccionales; en donde cada inductor del arreglo de inductores está conectado entre el puerto de CA y el segundo puerto de CC; en donde cada inductor es sometido a un voltaje sinusoidal de magnitud y frecuencia predeterminados por el puerto de CA y el segundo puerto de CC, y en donde el conversor de potencia conecta el elemento en CA con los dos elementos en CC en una única etapa de conversión de potencia simultánea.
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9. El sistema de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque cada inductor es un inductor acoplado, en donde el arreglo de inductores acoplados, al estar sometido al voltaje sinusoidal, introduce acoplamiento inverso entre flujos magnéticos que se generan entre el puerto de CA y el segundo puerto de CC, aumentando la impedancia asociada al elemento en CA y reduciendo una corriente eléctrica circulante que se genera en el conversor de potencia, durante su operación.
10. El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8-9, caracterizado porque el subsistema de control multivariable comprende una etapa de modulación, para fijar un espectro armónico de un voltaje de salida del conversor de potencia en valores predeterminados, en donde la etapa de modulación recibe las señales de voltaje a generar con cada rama del conversor de potencia y genera las señales de encendido y apagado de los transistores de potencia.
11. El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8-10, caracterizado porque: corresponde a un sistema monofásico, comprendiendo el conversor de potencia cuatro transistores y dos inductores; corresponde a un sistema trifásico, comprendiendo el conversor de potencia seis transistores y tres inductores; o corresponde a un sistema polifásico de N-fases, comprendido el conversor de potencia 2 multiplicado por N transistores y N inductores.
12. El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8-11, caracterizado porque el elemento en CA se selecciona de uno de: la red eléctrica, un motor de CA, un generador de CA, una carga de CA, o una fuente de CA.
13. El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8-12, caracterizado porque el primer elemento en CC y/o el segundo elemento en CC son uno o una combinación de: sistemas foto voltaicos, baterías, capacitores, ultracapacitores, celdas de combustible, micro-redes CC, cargas CC, o fuentes CC.
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14. El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8-13, caracterizado porque el segundo puerto de CC está desacoplado del puerto de CA y, por lo tanto, permite la conexión de un elemento en CC de bajo voltaje en comparación con el primer puerto de CC.
15. Uso del sistema de conversión de potencia acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8-14, caracterizado porque sirve para configurar: un sistema de generación fotovoltaico con almacenamiento de energía, donde el elemento en CA es una carga o fuente de CA, el primer elemento en CC es una o más baterías y el segundo elemento en CC es uno o más sistemas foto voltaicos; un sistema de generación foto voltaica con dos sistemas foto voltaicos, donde el elemento en CA es una carga o fuente de CA, el primer elemento en CC es un primer sistema fotovoltaico y el segundo elemento en CC es un segundo sistema fotovoltaico; un sistema de generación fotovoltaico o de baterías con elevación de voltaje integrado, donde el elemento en CA es una carga o fuente de CA, el primer elemento en CC es uno o más sistemas fotovoltaicos o una o más baterías y el segundo elemento en CC es uno o un arreglo de capacitores o ultracapacitores que permite completar la elevación de voltaje; un sistema de generación eléctrica para celas de combustible con soporte de batería integrado, donde el elemento en CA es una fuente o carga de CA, el primer elemento en CC es una o más baterías y el segundo elemento en CC es una o más celdas de combustible; y un vehículo eléctrico con celdas de combustible de hidrógeno, donde el elemento en CA es una máquina, fuente o carga de CA, el primer elemento en CC es una o más baterías o ultracapacitores del vehículo y el segundo elemento en CC es una o más celdas de combustible de hidrógeno del vehículo.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9071141B2 (en) * 2011-04-08 2015-06-30 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Two-stage single phase bi-directional PWM power converter with DC link capacitor reduction
US9859814B2 (en) * 2013-10-03 2018-01-02 Enphase Energy, Inc. Method and apparatus for independent control of multiple power converter sources
US10263456B1 (en) * 2015-03-13 2019-04-16 The Florida State University Research Foundation, Inc. Integrated three-port bidirectional DC-DC converter for renewable energy sources

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9071141B2 (en) * 2011-04-08 2015-06-30 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Two-stage single phase bi-directional PWM power converter with DC link capacitor reduction
US9859814B2 (en) * 2013-10-03 2018-01-02 Enphase Energy, Inc. Method and apparatus for independent control of multiple power converter sources
US10263456B1 (en) * 2015-03-13 2019-04-16 The Florida State University Research Foundation, Inc. Integrated three-port bidirectional DC-DC converter for renewable energy sources

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
NEIRA, S. ET AL.: "A Novel Three-Port NPC Converter for Grid-Tied Photovoltaic Systems with Integrated Battery Energy Storage", 2020 IEEE 1 1TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON POWER ELECTRONICS FOR DISTRIBUTED GENERATION SYSTEMS (PEDG, 2020, pages 104 - 109, XP033854256, DOI: 10.1109/PEDG48541.2020.9244383 *
NEIRA, S. ET AL.: "Three-Port Full-Bridge Bidirectional Converter for Hybrid DC/DC/AC Systems", IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, vol. 35, no. 12, December 2020 (2020-12-01), pages 13077 - 13084, XP011802912, DOI: 10.1109/TPEL.2020.2990667 *
ZHANG, N. ET AL.: "A review of topologies of three-port DC-DC converters for the integration of renewable energy and energy storage system", RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS, vol. 56, April 2016 (2016-04-01), pages 388 - 401, XP029387107, Retrieved from the Internet <URL:https://ro.uow.edu.au/eispapers/5149> [retrieved on 20211012], DOI: 10.1016/j.rser.2015.11.079 *

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