Hybrid energy storage systems via power electronic converters

Resumo

En los últimos años, numerosas líneas de investigación han centrado sus esfuerzos en mejorar la eficiencia energética junto con el desarrollo de fuentes de generación renovables. En este contexto, el uso de sistemas de almacenamiento de energía está al alza, ya que estos pueden contribuir a la integración de las renovables en la red eléctrica convencional. Sin embargo, la necesidad de elegir entre dispositivos de alta energía o alta potencia, obliga a los investigadores a buscar otras alternativas. La hibridación de diferentes sistemas de almacenamiento se presenta como una solución apropiada para este problema, ya que combina alta energía y alta potencia dentro de un mismo sistema. El objetivo principal de esta tesis es el diseño e implementación de un sistema híbrido de almacenamiento de energía (sigla HESS, del inglés Hybrid Energy Storage System), capaz de mejorar las prestaciones que proporcionaría el uso de una única tecnología. Como primer paso en esta dirección, en este documento resume y clasifica las topologías de hibridación más relevantes encontradas en la literatura. Esto permite una mejor comprensión de los beneficios e inconvenientes de cada configuración. Para garantizar el uso óptimo de dicho HESS, es esencial diseñar una estrategia adecuada de gestión de energía junto con un control óptimo del convertidor electrónico de potencia. Para lograr este fin, la estructura de control ha sido analizada desde diferentes enfoques. Por un lado se encontraría la estructura de control multinivel clásica, la cual generalmente consta de tres niveles. En el nivel más alto se encontrarían las restricciones operativas y de seguridad, en el intermedio se encontraría la división de potencia, y por último el control de nivel bajo del convertidor. Por otro lado, se encontraría la estructura de control de un único nivel, en la que tanto las restricciones, el reparto de potencia y el control del convertidor se integran dentro del mismo nivel mediante algoritmos de control predictivo (MPC). Finalmente, se presentan tres casos de estudio para mostrar la aplicación práctica de las estrategias de control desarrolladas junto con las principales conclusiones de la tesis.