ES2608255B1

ES2608255B1 - DC-DC converter with bipolar output and use of it to connect a distributed generation system to a Bipolar DC network

Info

Publication number: ES2608255B1
Application number: ES201500753A
Authority: ES
Inventors: Eladio DURÁN ARANDA; Salvador PÉREZ LITRÁN; María Bella FERRERA PRIETO
Original assignee: Universidad de Huelva
Current assignee: Universidad de Huelva
Priority date: 2015-10-06
Filing date: 2015-10-06
Publication date: 2017-11-07
Anticipated expiration: 2035-10-06
Also published as: ES2608255A1

Abstract

Convertidor DC-DC con salida bipolar y uso del mismo para la conexión de un sistema de generación distribuida a una red DC bipolar. El convertidor DC-DC (10) dispone de una entrada para la conexión de una fuente DC con salida monopolar (9) y una salida de tensión bipolar, con las mismas tensiones pero con polaridades opuestas. El convertidor DC-DC (10) comprende tres inductores (L{sub,1}, L{sub,2}, L{sub,3}), cuatro condensadores (C{sub,1}, C{sub,2}, C{sub,3}, C{sub,4}), dos diodos (D{sub,1}, D{sub,2}) y un interruptor de potencia (11) como dispositivo de conmutación. La principal ventaja de esta topología es utilizar un único dispositivo de conmutación para obtener una salida bipolar equilibrada. Además, el terminal de control del interruptor de potencia (11) está conectado a tierra, lo cual simplifica el diseño del dispositivo de excitación de puerta del interruptor de potencia (11).DC-DC converter with bipolar output and use of it for the connection of a distributed generation system to a bipolar DC network. The DC-DC converter (10) has an input for the connection of a DC source with monopolar output (9) and a bipolar voltage output, with the same voltages but with opposite polarities. The DC-DC converter (10) comprises three inductors (L {sub, 1}, L {sub, 2}, L {sub, 3}), four capacitors (C {sub, 1}, C {sub, 2} , C {sub, 3}, C {sub, 4}), two diodes (D {sub, 1}, D {sub, 2}) and a power switch (11) as a switching device. The main advantage of this topology is to use a single switching device to obtain a balanced bipolar output. In addition, the power switch control terminal (11) is grounded, which simplifies the design of the power switch gate excitation device (11).

Description

DESCRIPCIÓN DESCRIPTION

Convertidor DC-DC con salida bipolar y uso del mismo para conexión de un sistema de generación distribuida a una red DC bipolar. DC-DC converter with bipolar output and use of it to connect a distributed generation system to a bipolar DC network.

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Sector de la técnica Technical sector

El convertidor DC-DC propuesto es de aplicación en redes bipolares DC ya que permite la conexión de una fuente DC con salida monopolar a este tipo de redes. La presente invención es de especial aplicación en el sector industrial y de las energías renovables. 10 En el primero debido a que este tipo de redes es una alternativa al sistema eléctrico clásico, actualmente de especial interés en la industria. En este sector, el convertidor propuesto permite controlar el nivel de la tensión y posibles desequilibrios de la tensión de la red DC. Por otro lado, en el sector de las energías renovables, el esquema propuesto permite la conexión de sistemas de generación y almacenamiento a una red 15 DC bipolar de manera fiable. La topología propuesta es una solución para estas aplicaciones con las suficientes garantías de fiabilidad, calidad y rendimiento. The proposed DC-DC converter is applicable in bipolar DC networks since it allows the connection of a DC source with monopolar output to this type of networks. The present invention is of special application in the industrial and renewable energy sector. 10 In the first because this type of network is an alternative to the classic electrical system, currently of special interest in the industry. In this sector, the proposed converter allows you to control the voltage level and possible voltage imbalances of the DC network. On the other hand, in the renewable energy sector, the proposed scheme allows the connection of generation and storage systems to a bipolar 15 DC network reliably. The proposed topology is a solution for these applications with sufficient guarantees of reliability, quality and performance.

Por tanto, el convertidor DC propuesto está indicado para su explotación por parte de fabricantes de equipos electrónicos para la interconexión de sistemas de generación 20 distribuida con redes bipolares DC. Therefore, the proposed DC converter is indicated for exploitation by manufacturers of electronic equipment for the interconnection of distributed generation systems 20 with bipolar DC networks.

Antecedentes de la invención Background of the invention

La fuerte penetración de la generación distribuida en el sistema eléctrico ha provocado la 25 búsqueda de nuevas configuraciones capaces de garantizar un funcionamiento más flexible con el objetivo de mejorar su control, eficiencia y fiabilidad. En este nuevo concepto de red, juega un papel fundamental las microrredes. Tanto en su forma DC, AC o combinación de ambas, estas microrredes son una alternativa al sistema tradicional que permite una mejor gestión del sistema cuando se dispone de gran cantidad de generación 30 o almacenamiento de pequeña potencia. The strong penetration of the distributed generation in the electrical system has led to the search for new configurations capable of guaranteeing a more flexible operation in order to improve its control, efficiency and reliability. In this new network concept, micro networks play a fundamental role. Whether in its DC, AC or combination form, these microgrids are an alternative to the traditional system that allows better system management when a large amount of generation 30 or small power storage is available.

El uso de la tecnología DC fue casi descartado en los sistemas de transmisión de energía principalmente por la dificultad de la adaptación de diferentes niveles de tensión. Tradicionalmente, los sistemas de alimentación DC se han utilizado en aplicaciones como 35 aviónica, vehículos eléctricos, instalaciones navales, zonas rurales, infraestructuras de telecomunicaciones, transmisiones de energía eléctrica a grandes distancias o por medio de cables submarinos y para la interconexión de redes de CA de diferentes frecuencias. The use of DC technology was almost ruled out in energy transmission systems mainly because of the difficulty of adapting different voltage levels. Traditionally, DC power systems have been used in applications such as avionics, electric vehicles, naval facilities, rural areas, telecommunications infrastructures, long-distance power transmissions or by means of submarine cables and for the interconnection of AC networks of different frequencies.

Hoy en día, la utilidad de las redes DC está cada vez más justificada ya que muchos de 40 los equipos que se conectan a la red eléctrica necesitan para su funcionamiento una alimentación en forma de DC. Sin embargo, todas estas cargas tipo DC requieren conversión de la alimentación de AC en DC para su funcionamiento. La mayoría de estas etapas de conversión utilizan normalmente rectificadores ineficientes. Por otro lado, la mayoría de unidades de energía renovables generan en forma de DC o tienen salidas 45 tensión/frecuencia variables, por lo que necesitan dispositivos de electrónicos de potencia para adaptar su producción a las condiciones de la red. Estas etapas de conversión de potencia DC-AC y AC-DC dan lugar a pérdidas sustanciales de energía. Esto justifica la utilización de microrredes DC ya que de esta manera se evitaría la doble conversión. La microrred de DC tiene principalmente las siguientes ventajas frente a las de CA: más 50 eficiencia y más transmisión de energía, requiere menos conductores, es más estable, no Today, the utility of DC networks is increasingly justified since many of the 40 devices that connect to the power grid need a DC-shaped power supply for operation. However, all these DC type loads require conversion of the AC power to DC for operation. Most of these conversion stages normally use inefficient rectifiers. On the other hand, most renewable energy units generate in the form of DC or have variable voltage / frequency outputs, so they need power electronic devices to adapt their production to the network conditions. These stages of DC-AC and AC-DC power conversion result in substantial energy losses. This justifies the use of DC micro networks since double conversion would be avoided in this way. The DC micro-network has mainly the following advantages over AC's: more efficiency and more power transmission, requires fewer drivers, is more stable, not

presenta reactancia en la línea, su frecuencia es cero (por lo que hace innecesaria la supervisión de la frecuencia), no existen problemas de estabilidad transitoria, no genera interferencias electromagnéticas y presentan menor resistencia de línea. It presents reactance in the line, its frequency is zero (which makes monitoring of the frequency unnecessary), there are no problems of transient stability, it does not generate electromagnetic interference and they have lower line resistance.

En una microrred DC, la energía se puede transmitir con un solo conductor, dos 5 conductores, o incluso tres conductores, lo que lleva a considerar tres tipos de configuraciones: monopolar, bipolar y homopolar. De todas estas topologías, la DC bipolar es uno de las más utilizadas. Este tipo de microrred tiene un conductor con polaridad positiva, otro con polaridad negativa y un conductor de retorno (o neutro). En funcionamiento normal y de equilibrio de la red, la corriente a través del conductor de 10 retorno es cero. Dispone de dos niveles de tensión, lo que permite en condiciones de falta una operación monopolar. Esta topología tiene una complejidad técnica superior y mayor coste que el enlace monopolar DC, pero tiene a su favor las siguientes ventajas: la corriente a través del conductor de retorno en funcionamiento normal es menor, por lo que las pérdidas de energía se reducen; cuando se produce un fallo en una de las líneas 15 la otra sigue funcionando con normalidad; para la misma potencia de transmisión, en un enlace DC bipolar, la corriente es la mitad; y esta topología permite tener dos niveles de tensión diferentes lo que es útil para algunas cargas que consumen una alta potencia ya que se pueden conectar a la tensión de mayor nivel con lo que la corriente consumida se reduce. 20 In a DC microrred, the energy can be transmitted with a single conductor, two 5 conductors, or even three conductors, which leads to consider three types of configurations: monopolar, bipolar and homopolar. Of all these topologies, bipolar DC is one of the most used. This type of microrred has a conductor with positive polarity, another with negative polarity and a return (or neutral) conductor. In normal and equilibrium operation of the network, the current through the 10-return conductor is zero. It has two voltage levels, which allows a monopolar operation under conditions of failure. This topology has a higher technical complexity and greater cost than the monopolar DC link, but it has the following advantages in its favor: the current through the return conductor in normal operation is lower, so energy losses are reduced; when a fault occurs in one of the lines 15 the other continues to function normally; for the same transmission power, in a bipolar DC link, the current is half; and this topology allows to have two different voltage levels which is useful for some loads that consume high power since they can be connected to the higher level voltage so that the current consumed is reduced. twenty

Para la conexión de las fuentes de generación distribuida a una red DC bipolar, se requieren convertidores DC-DC cuando la fuente tiene su salida tipo DC. Su función es adaptar los niveles de tensión entre la fuente y la red. Para estos convertidores se han propuesto diferentes topologías con un solo inductor, como los convertidores Buck, 25 Boost, ese ("Canonical Switching Cell") y Buck-Boost, y convertidores de dos inductores, como Cuk, SEPIC ("Single Ended Primary lnductance Converter") y Zeta. Por otro lado, cuando se requieren múltiples salidas y diferentes niveles de tensión se han propuesto combinaciones de convertidores básicos, como Boost-Buck-Cascaded, Buck-Boost-Zeta, SEPIC-Boost y Zeta-Fiyback. 30 For the connection of distributed generation sources to a bipolar DC network, DC-DC converters are required when the source has its DC type output. Its function is to adapt the voltage levels between the source and the network. For these converters, different topologies with a single inductor have been proposed, such as the Buck, 25 Boost, ese ("Canonical Switching Cell") and Buck-Boost converters, and two inductor converters, such as Cuk, SEPIC ("Single Ended Primary lnductance Converter ") and Zeta. On the other hand, when multiple outputs and different voltage levels are required, combinations of basic converters have been proposed, such as Boost-Buck-Cascaded, Buck-Boost-Zeta, SEPIC-Boost and Zeta-Fiyback. 30

En el caso de conexión de la generación distribuida a redes bipolares se ha recurrido hasta ahora a convertidores de dos o cuatro interruptores: tipo medio puente o puente completo. In the case of connection of the distributed generation to bipolar networks, so far two or four switch converters have been used: half bridge or full bridge type.

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Descripción de la invención Description of the invention

La presente invención se refiere a un convertidor DC-DC con capacidad de generar tensión bipolar y con una novedosa topología adecuada para la conexión de generación distribuida a una red bipolar DC. A diferencia de los convertidores DC-DC actuales, que 40 emplean dos o cuatro interruptores, la topología propuesta en el convertidor DC-DC de la presente invención emplea únicamente un interruptor de potencia, con lo que se reduce la complejidad del convertidor. The present invention relates to a DC-DC converter capable of generating bipolar voltage and with a novel topology suitable for the distributed generation connection to a bipolar DC network. Unlike the current DC-DC converters, which employ two or four switches, the topology proposed in the DC-DC converter of the present invention employs only one power switch, thereby reducing the complexity of the converter.

El convertidor DC-DC con salida bipolar dispone de una entrada para la conexión con una 45 fuente DC con salida monopolar y una salida de tensión bipolar con un terminal positivo y un terminal negativo. El convertidor DC-DC comprende un interruptor de potencia (e.g. un transistor IGBT, un transistor MOSFET), un primer, segundo, tercer y cuarto inductor, un primer y un segundo condensador, y un primer y un segundo diodo. Estos elementos están interconectados entre sí de forma tal que: 50 The DC-DC converter with bipolar output has an input for connection with a DC source with monopolar output and a bipolar voltage output with a positive terminal and a negative terminal. The DC-DC converter comprises a power switch (e.g. an IGBT transistor, a MOSFET transistor), a first, second, third and fourth inductor, a first and a second capacitor, and a first and a second diode. These elements are interconnected with each other in such a way that: 50

- Cuando el interruptor de potencia está activado, la energía suministrada a la entrada del convertidor DC-DC por la fuente DC con salida monopolar se almacena en el primer inductor, mientras que el segundo y el tercer inductor almacenan energía debido a la descarga del primer y segundo condensador, respectivamente; y donde durante este intervalo de activación del interruptor de potencia el primer y el segundo 5 diodo no conducen y la energía suministrada en el terminal negativo y positivo de salida del convertidor DC-DC es proporcionada por la descarga del tercer y cuarto condensador, respectivamente. - When the power switch is activated, the power supplied to the input of the DC-DC converter by the DC source with monopolar output is stored in the first inductor, while the second and third inductors store energy due to the discharge of the first and second capacitor, respectively; and where during this activation interval of the power switch the first and second 5 diodes do not conduct and the energy supplied in the negative and positive output terminal of the DC-DC converter is provided by the discharge of the third and fourth capacitors, respectively.

- Cuando el interruptor de potencia está desactivado, el primer inductor recarga al 10 primer condensador a través del primer diodo y al segundo condensador a través del segundo diodo, provocando a su vez la recarga respectiva del tercer y cuarto condensador. - When the power switch is deactivated, the first inductor recharges the first capacitor through the first diode and the second capacitor through the second diode, in turn causing the respective recharge of the third and fourth capacitors.

El convertidor DC-DC puede comprender también un snubber para el funcionamiento 15 seguro del interruptor de potencia. The DC-DC converter can also comprise a snubber for safe operation of the power switch.

Otro aspecto de la presente invención se refiere al uso del convertidor DC-DC anteriormente descrito para la conexión de un sistema de generación distribuida a una red DC bipolar. 20 Another aspect of the present invention relates to the use of the DC-DC converter described above for the connection of a distributed generation system to a bipolar DC network. twenty

El convertidor DC-DC de la presente invención dispone de dos salidas con la misma tensión, al tener la misma relación de conversión de tensiones pero con polaridades opuestas. La principal ventaja de esta topología es que sólo utiliza un dispositivo de conmutación o interruptor de potencia para obtener una salida bipolar equilibrada. 25 Además el terminal de control del interruptor de potencia está conectado a tierra (al negativo de la fuente de corriente continua de entrada) lo cual simplifica el diseño del dispositivo de excitación de puerta de dicho interruptor de potencia. The DC-DC converter of the present invention has two outputs with the same voltage, having the same voltage conversion ratio but with opposite polarities. The main advantage of this topology is that it only uses a switching device or power switch to obtain a balanced bipolar output. 25 In addition, the control terminal of the power switch is grounded (to the negative of the input direct current source) which simplifies the design of the door excitation device of said power switch.

Breve descripción de los dibujos 30 Brief description of the drawings 30

Para complementar la descripción realizada y para una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, una relación de figuras, donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: 35 To complement the description made and for a better understanding of the characteristics of the invention, a list of figures is attached as an integral part of said description, where the following has been represented by way of illustration and not limitation: 35

La Figura 1 muestra una topología típica de microrred DC bipolar. Figure 1 shows a typical topology of bipolar DC microrred.

La Figura 2 muestra el circuito del convertidor DC-DC objeto de la presente invención. Figure 2 shows the DC-DC converter circuit object of the present invention.

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La Figura 3 muestra una tabla para determinar los valores de la corriente y tensión de los elementos del convertidor DC-DC. Figure 3 shows a table to determine the values of the current and voltage of the DC-DC converter elements.

Realización preferente de la invención Preferred Embodiment of the Invention

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La Figura 1 representa, a modo de ejemplo, una topología de microrred DC bipolar 1. La microrred se conecta a una red pública AC 2 a través de un convertidor AC-DC 3. En el lado DC se muestran los conductores de polaridad positiva +LVDC, los conductores de polaridad negativa -LVDC y el conductor de retorno R, el cual puede estar o no conectado a tierra. A la red DC se pueden conectar, bien directamente o a través de convertidores 50 DC-DC 4, cargas monopolares 5 o cargas DC bipolares 6 (por ejemplo, una carga Figure 1 represents, by way of example, a bipolar DC micro-network topology 1. The micro-network is connected to an AC 2 public network through an AC-DC 3 converter. On the DC side the positive polarity conductors are shown + LVDC, the negative polarity conductors -LVDC and the return conductor R, which may or may not be grounded. The DC network can be connected, either directly or through converters 50 DC-DC 4, monopolar loads 5 or bipolar DC loads 6 (for example, a load

industrial) entre los conductores +LVDC y -LVDC. Este tipo de cargas DC bipolares 6 al estar conectadas a una mayor tensión, requieren una menor corriente por cada uno de los conductores. Por otro lado, también se pueden conectar cargas de CA 7, trifásicas o monofásicas, a través de un inversor, convertidor DC-AC 8. La microrred 1 dispone de al menos una unidad de generación distribuida 9 o generador distribuido, cada una de las 5 cuales se conecta con la red DC bipolar a través de un convertidor DC-DC 10 como el de la presente invención. industrial) between the + LVDC and -LVDC conductors. This type of bipolar DC loads 6, being connected to a higher voltage, requires a lower current for each of the conductors. On the other hand, AC 7, three-phase or single-phase loads can also be connected, via an inverter, DC-AC converter 8. The micro network 1 has at least one distributed generation unit 9 or distributed generator, each of them. 5 which is connected to the bipolar DC network through a DC-DC converter 10 like that of the present invention.

En la Figura 2 se ilustra en detalle la topología del convertidor DC-DC 10 de la presente invención, con los terminales de entrada y salida y los elementos que integran el circuito. 10 El convertidor DC-DC de potencia 10 está formado por tres inductores (L1, L2, L3), cuatro condensadores (C1, C2, C3, C4), dos diodos (D1, D2) y un interruptor de potencia 11 como dispositivo de conmutación. Aunque en el esquema el interruptor de potencia 11 utilizado es un transistor de tipo IGBT también se puede utilizar cualquier otro tipo de interruptor de estado sólido como puede ser un MOSFET u otro. 15 The topology of the DC-DC converter 10 of the present invention is illustrated in detail in Figure 2, with the input and output terminals and the elements that make up the circuit. 10 The DC-DC power converter 10 consists of three inductors (L1, L2, L3), four capacitors (C1, C2, C3, C4), two diodes (D1, D2) and a power switch 11 as a device commutation. Although in the scheme the power switch 11 used is a transistor of the IGBT type, any other type of solid state switch such as a MOSFET or another can also be used. fifteen

El circuito del convertidor DC-DC 10 funciona según se explica a continuación. Cuando el interruptor de potencia 11 está activado, la energía suministrada por la fuente DC con salida monopolar (en el caso de la Figura 1, la unidad de generación distribuida 9) se almacena en un primer inductor (L1). Por otro lado, un segundo inductor (L2) y un tercer 20 inductor (L3) también almacenan energía debido a la descarga de un primer condensador (C1) y un segundo condensador (C2). Durante este intervalo un primer diodo (D1) y un segundo diodo (D2) de libre circulación no conducen y la energía suministrada a las cargas es proporcionada por la descarga de los condensadores de salida, tercer condensador (C3) y cuarto condensador (C4). Cuando el interruptor de potencia 11 se 25 desactiva, el primer inductor (L1) recarga al primer (C1) y al segundo condensador (C2) a través de los diodos (D1, D2), lo cual provoca también la recarga del tercer (C3) y cuarto condensador (C4). The DC-DC 10 converter circuit operates as explained below. When the power switch 11 is activated, the power supplied by the DC source with monopolar output (in the case of Figure 1, the distributed generation unit 9) is stored in a first inductor (L1). On the other hand, a second inductor (L2) and a third inductor (L3) also store energy due to the discharge of a first capacitor (C1) and a second capacitor (C2). During this interval a first diode (D1) and a second diode (D2) of free circulation do not conduct and the energy supplied to the loads is provided by the discharge of the output capacitors, third capacitor (C3) and fourth capacitor (C4) . When the power switch 11 is deactivated, the first inductor (L1) recharges the first (C1) and the second capacitor (C2) through the diodes (D1, D2), which also causes the third (C3) to recharge ) and fourth condenser (C4).

La elección de los elementos que integran el convertidor DC-DC 10 se hace en función 30 de la potencia de diseño del mismo. Para ello, se tienen en cuenta los valores de la corriente y tensión por cada uno de los elementos del circuito. Estos valores pueden ser determinados a partir de las expresiones que se detallan en la tabla de la Figura 3. The choice of the elements that make up the DC-DC converter 10 is based on the design power of it. For this, the values of the current and voltage for each of the circuit elements are taken into account. These values can be determined from the expressions detailed in the table in Figure 3.

Respecto del control del interruptor de potencia 11, realizado a través de la tensión de 35 control de puerta (Vcontrol), no se propone ninguna estrategia o diseño de control preestablecido, ya que existen múltiples estrategias de control conocidas aplicables a convertidores DC-DC que serían válidas también para esta topología. De la misma forma, no se incluyen sensores de medida para las variables a controlar en una aplicación bipolar DC, como pueden ser las tensiones de salida del convertidor, ya que lo esencial 40 del convertidor DC-DC 10 objeto de la presente invención no es la estrategia de control sino la topología concreta del convertidor y su aplicación para la conexión de sistemas de generación distribuida con redes DC bipolares. Regarding the control of the power switch 11, carried out through the voltage of the door control (Vcontrol), no preset control strategy or design is proposed, since there are multiple known control strategies applicable to DC-DC converters that They would also be valid for this topology. In the same way, measurement sensors are not included for the variables to be controlled in a bipolar DC application, such as the output voltages of the converter, since the essential thing 40 of the DC-DC converter 10 object of the present invention is not the control strategy but the specific topology of the converter and its application for the connection of distributed generation systems with bipolar DC networks.

Claims

1. DC-DC converter with bipolar output, with an input for connection with a DC source with monopolar output (9) and a bipolar voltage output with a positive terminal (Vo +) and a negative terminal (Vo -), characterized by that the DC-DC 5 converter comprises the following elements:

- a power switch (11);

- a first (L1), a second (L2), a third (L3) and a fourth (L4) inductor; 10

- a first (C1) and a second (C2) capacitor;

- a first (D1) and a second (D2) diode;

fifteen

said elements being interconnected with each other in such a way that:

When the power switch (11) is activated, the power supplied to the input of the DC-DC converter (10) by the DC source with monopolar output (9) is stored in the first inductor (L1), while the second ( L2) and the third (L3) inductor store 20 energy due to the discharge of the first (C1) and second (C2) capacitor, respectively; and where during this activation interval of the power switch (11) the first (D1) and the second (D2) diode do not conduct and the power supplied in the negative (Vo-) and positive (Vo +) output terminal of the DC converter -DC (10) is provided by the discharge of the third (C3) and fourth (C4) capacitor, 25 respectively;

when the power switch (11) is deactivated, the first inductor (L1) recharges the first capacitor (C1) through the first diode (D1) and the second capacitor (C2) through the second diode (D2), causing turn the respective recharge of the third (C3) and 30 fourth (C4) capacitor.

2. DC-DC converter according to claim 1, characterized in that the power switch (11) is an IGBT transistor.

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3. DC-DC converter according to claim 1, characterized in that the power switch (11) is a MOSFET transistor.

4. DC-DC converter according to any of the preceding claims, characterized in that it comprises a snubber for the safe operation of the power switch 40 (11).

5. Use of the DC-DC converter with bipolar output according to any of the preceding claims for the connection of a distributed generation system (9) to a bipolar DC network (1). Four. Five