Simulación detallada de un transformador electrónico

Abstract

En este Trabajo Fin de Máster se ha estudiado el modelado y control de los distintos submódulos, por separado, que componen un transformador electrónico. También se ha simulado el comportamiento del transformador electrónico en su conjunto con diversos ensayos que muestran las características principales del dispositivo como pueden ser el control de la tensión del secundario, desacoplo de la potencia reactiva, conexión de sistemas asíncronos, conexión de sistemas de CC, flujo bidireccional de potencia activa en el dispositivo, desacoplo entre la entrada y la salida, y saturación de las corrientes que atraviesan los filtros para proteger el dispositivo frente a faltas o límites de operación de los submódulos. El transformador electrónico simulado se compone de convertidores autoconmutados fuentes de tensión (VSC, del inglés Voltage Source Converter) de dos niveles por lo que sólo se pueden utilizar para aplicaciones de baja tensión (máximo algunos kV). Las características mostradas en el trasformador electrónico hacen que sea muy interesante como transformador reductor en la red de distribución eléctrica del futuro. Los convertidores modulares multi-nivel (MMC, del inglés Modular Multilevel Converter) pueden operar en el rango de tensiones de los sistemas de distribución. Por este motivo, se ha estudiado también el modelado y control de convertidores modulares multi-nivel (MMC) para la sustitución de los VSC de los submódulos del primario del transformador electrónico.

This Master’s Thesis studies the modelling and simulation of the different submodules that compose a solid-state transformer. The whole device was also simulated with several tests that illustrated its main features, namely: output-voltage control, reactive-power decoupling, connection of asynchronous systems, DC system connection, bidirectional flow of active power in the device, input-output decoupling, and filter current saturation to protect the device from external faults or operation limits of the submodules. The simulated solid-state transformer is based on two-level voltage source converters (VSC) that can operate at low voltage (a maximum of a few kV DC voltage). The solid-state transformer characteristics make it suitable, and very interesting, as a step-down transformer for the distribution grid of the future. Since the so-called modular multilevel converter (MMC) can easily operate with the voltage levels of the distribution grid; this Master’s Thesis also investigated several aspects of the modelling and control of MMCs. This converter topology can be proposed instead of a two-level VSC for the high-voltage end of a solid-state transformer.