Convertidores DC-DC, Transmisión HVDC vs HVAC y Control de Convertidores VSC: Fundamentos y Fórmulas

Convertidores DC-DC: Funciones de Transferencia y Dimensionamiento

Para un convertidor con Vin·D = Vin·naux·D2, D2 = D/naux y naux = 1, se cumple la relación ((Vin/n) - Vo)·D = Vo·(1 - D), por lo que la tensión de salida resulta Vo = (Vin/n)·D.

Tensiones de bloqueo

• Vbloq D2 = Vin/n
• Vbloq D3 = Vin + (Vin/naux)
• Vbloq D1 = Vin·naux/n
• Vbloq DS = Vin + Vin·naux

Dimensionamiento del modo de conducción continua (MCC)

La inductancia de salida mínima para mantener el MCC es:

Lo ≥ Loc = (1 - Dmin)·Vo / (ΔI·fs), con ΔI ≤ 2·Io min.

La capacidad de salida se obtiene a partir de ΔQ = C·ΔVo, resultando:

C ≥ (1/8)·(ΔI/ΔVo)·(1/fs)

Convertidor Flyback y Forward

Relación de transferencia: Vin·D = Vo·n·(1 - D), de donde Vo = (Vin/n)·D/(1 - D).

Esfuerzos y dimensionamiento

• Corriente de pico en el primario: ILp = <IL>max + (ΔI/2)
• Tensión de bloqueo del interruptor: Vbloqueo DS > Vin max + (n·Vo)
• Tensión inversa del diodo: VRRM > (Vin max/n) + Vo
• Corriente de salida mínima: Io min ≤ <Id> = (1/2)·n·ILp·(1 - D)
• Rizado admisible: ΔI ≤ (2·Io min)/(n·(1 - Dmin))
• Rizado de corriente en el inductor: ILp = ΔI = (Vin/L)·D·T
• Inductancia crítica: Lc = (n·Vo·(1 - Dmin))/(ΔI·fs)

Función de transferencia en modo discontinuo (MCD)

Vo/Vin = D1·√(RT/2L)

Transmisión en Corriente Continua en Alta Tensión (HVDC)

Ventajas

• Potencia suministrada independiente de la distancia.
• Menores pérdidas en líneas aéreas y subterráneas.
• Mayor capacidad de transmisión de potencia por conductor (sin componente reactiva).
• Construcción de líneas más sencilla y económica.
• Posibilidad de retorno por tierra.
• No presenta efecto piel, operando con gradientes de tensión mayores.
• Campos eléctricos y magnéticos mayores y estáticos.
• Pueden invertir el flujo de energía sin invertir la polaridad de la tensión.
• Ocupan 1,5 veces menos territorio que HVAC.

Inconvenientes

• LCC requiere una pequeña cantidad de potencia reactiva.
• Necesidad de instalar equipos de filtrado de armónicos generados por los convertidores.
• Estaciones de conversión costosas.
• Requiere mayor aislamiento para la misma tensión.
• Operación de redes de corriente continua más compleja.

Transmisión en Corriente Alterna en Alta Tensión (HVAC)

• Necesidad de operación en sincronismo (misma frecuencia).
• Necesario control de frecuencia y establecimiento de reglas para la generación de reserva.
• Creación de límites para la variación de frecuencia.
• La capacidad de transmisión disminuye con la longitud de las líneas, debido a efectos inductivos.
• El desfase producido por la inductancia entre extremos de línea conduce a inestabilidad del sistema.

Control de Convertidores VSC en HVDC

Control de potencia activa (Pact)

Se regula el ángulo de fase de la tensión UConv. Si el ángulo de la tensión UConv adelanta al de la red, el VSC inyecta Pact y funciona como inversor. En caso contrario, el VSC absorbe Pact y funciona como rectificador.

Control de potencia reactiva (Qreact)

Se regula la amplitud de la tensión alterna de salida UConv mediante control PWM. Si la amplitud de la tensión de salida del VSC es mayor que la de la red, el VSC absorbe energía reactiva y funciona en modo inductivo. De lo contrario, el VSC inyecta energía reactiva al sistema y funciona en modo capacitivo.

Índices de Modulación en PWM

Índice de modulación de amplitud

V01_rms = (ma/√2)·(Vcc/2)

Índice de modulación de frecuencia

mf = fc/fr = ftri/fsen = Tsen/Ttri