En esta tesis se realiza el estudio de los Convertidores Multinivel de Modo Corriente (MCSI), haciendo hincapié en la topología MCSI Simétrico o Single Rating Inductor MCSI por su especial característica modular que la hace ideal para aplicaciones industriales o de alta potencia. Se analiza en detalle el funcionamiento de la topología, incluyendo sus ventajas y desventajas en comparación con otras topologías de corriente y con los Convertidores Multinivel de Modo Tensión (MVSI). Se presenta el diseño de los circuitos y la estrategia de funcionamiento para conseguir un funcionamiento tolerante a fallas, mediante el agregado de un módulo de respaldo o hotspare. Se propone y analiza una la generación de las señales de disparo mediante una adaptación de la modulación de ancho de pulso por desplazamiento de portadoras (PSC-SPWM) y se demuestra que su uso genera un balance natural en las corrientes internas del convertidor. Se presentan dos técnicas de control para fortalecer el balance de corrientes frente a perturbaciones, que actúan sobre la modulación,con mínimos requerimientos de potencia de cálculo. Dado que los MCSI Simétricos son ideales para su uso en aplicaciones de alta potencia, se diseñan dos técnicas tendientes a minimizar las pérdidas en las llaves, reduciendo la cantidad de conmutaciones por ciclo y produciendo una conmutación suave de la corriente. Se demuestra, mediante simulaciones detalladas, el correcto funcionamiento de la topologí a en dos aplicaciones básica: a) como filtro activo para mejorar la calidad de los sistemas eléctricos, y b) como interfaz con sistemas de almacenamiento en base a hidrógeno. Finalmente se presentan resultados experimentales en un prototipo de laboratorio, utilizando una FPGA de alta velocidad para la generación de las señales de disparo y control.

Ingeniero Civil Eléctrico / En los últimos años, la integración de fuentes de generación distribuida dentro los sistemas eléctricos ha emergido como un tema crítico impulsado principalmente por motivaciones ambientales e incentivos económicos. En este contexto, la utilización de convertidores fuente de voltaje (VSC, Voltage Source Converters) como interfaz generador-red ha cobrado cada vez más importancia, pues permiten operar y controlar los sistemas de generación, desempeñando un rol esencial en redes desbalanceadas. En el contexto de una red desbalanceada, aparecerán oscilaciones de potencia de doble frecuencia en la red, siendo reflejadas como ripple en el DC-link de un VSC. En la red, las oscilaciones de potencia activa pueden causar excesivo ruido y estrés mecánico en generadores sincrónicos, mientras que la potencia reactiva oscilante puede causar pérdidas excesivas sobre el sistema eléctrico. Análogamente las oscilaciones de potencia en el DC-link pueden afectar negativamente al desempeño de sistemas energizados por paneles solares, baterías y celdas de combustibles, reduciendo su eficiencia, vida útil y la confiabilidad en el largo plazo. Además, a causa de estas oscilaciones podría haber un eventual disparo de las protecciones por sobre tensión en el caso del DC-link, o por sobre corrientes en el convertidor lado red. En virtud de lo anterior, se han desarrollado distintas estrategias para controlar los VSC usando principalmente corrientes de secuencia positiva y negativa. Mediante estas corrientes los objetivos de control que se buscan conseguir son: compensación de oscilaciones de potencia activa en la red, potencia reactiva constante, corrientes balanceadas, DC-link sin ripple, entre otros. Dado que los grados de libertad que otorgan estas corrientes no son suficientes para alcanzar todos los objetivos de control que se quisieran, se podrían presentar significativas oscilaciones de potencia activa y/o reactiva de doble frecuencia de red o corrientes desbalanceadas de elevada magnitud. De manera alternativa se han propuesto nuevas estrategias de control usando corriente de secuencia cero y de este modo aumentar los grados de libertad, sin embargo la principal desventaja de estas estrategias es que pueden llegar a necesitar elevadas corrientes de secuencia cero, lo cual no siempre es posible de obtener según los límites nominales del sistema En este trabajo se propone una extensión de la estrategia de control que utiliza secuencia cero, permitiendo trabajar con corrientes de secuencia positiva, negativa y cero dentro de un esquema colaborativo. La estrategia propuesta tiene la capacidad de compensar las oscilaciones de potencia en el DC-link manteniendo las corrientes de fase y del neutro dentro del límite nominal, y mitigar las oscilaciones de potencia activa y reactiva de la red. Para lograr esto, la estrategia es diseñada utilizando MATLAB y simulada en el software PLECS con el fin de estudiar su comportamiento, y luego validada experimentalmente usando la plataforma de control dSPACE DS1103.

Doctor en Ingeniería Eléctrica. Doctor of Philosophy in Electrical and Electronic Engineering / La potencia nominal de los Sistemas de Conversión de Energía Eólica se ha incrementado constantemente alcanzando niveles de potencia cercanos a los 10 MW. Por tanto, convertidores de potencia de media tensión están reemplazando a los convertidores Back-to-Back de baja tensión habitualmente empleados en la etapa de conversión de energía. Convertidores Modulares Multinivel se han posicionado como una solución atractiva para Sistemas de Conversión de Energía Eólica de alta potencia debido a sus buenas prestaciones. Algunas de estas prestaciones son la capacidad de alcanzar altos voltajes, modularidad y confiabilidad. En este contexto, esta tesis discute la aplicación del Convertidor Modular Matricial Multinivel para conectar Sistemas de Conversión de Energía Eólica de alta potencia. Los modelos matemáticos y estrategias de control requeridas para esta aplicación son descritos y discutidos en este documento. Las estrategias de control propuestas habilitan una operación desacoplada del convertidor, proporcionando seguimiento del máximo punto de potencia en el lado del generador eléctrico del sistema eólico, cumplimiento de normas de conexión en el lado de la red eléctrica y regulación de los condensadores flotantes del convertidor. La efectividad de las estrategias de control propuestas es validada a través de simulaciones y experimentos realizados con un prototipo de laboratorio. Las simulaciones se realizan con un Sistemas de Conversión de Energía Eólica de 10 MW operando a 6.6 kV. Dicho sistema se implementa en el software PLECS. Por otro, se ha desarrollado un prototipo de laboratorio de 6kVA durante el desarrollo de este proyecto. El prototipo de laboratorio considera un Convertidor Modular Matricial Multinivel de 27 módulos Puente-H . El sistema es controlado empleando una plataforma de control basada en una Digital Signal Processor conectada a tres tarjetas del tipo Field Programmable Gate Array que proveen de 50 mediciones análogo-digital y 108 señales de disparo. La entrada del convertidor es conectada a una fuente programable marca Ametek que emula el comportamiento de la turbina eólica. A su vez, la salida del convertidor es conectada a otra fuente programable con capacidad de producir fallas en la tensión. Los resultados obtenidos, tanto en el prototipo experimental como en simulación, confirman la operación exitosa del Convertidor Modular Matricial Multinivel en aplicaciones eólicas de alta potencia. En todos los casos, las estrategias de control propuestas aseguran regulación de la tensión en los condensadores flotantes, seguimiento del máximo punto de potencia en el lado del generador eléctrico del sistema eólico y cumplimiento de normas de conexión en el lado de la red eléctrica. / The nominal power of single Wind Energy Conversion Systems has been steadily growing, reaching power ratings close to 10MW. In the power conversion stage, medium-voltage power converters are replacing the conventional low-voltage back-to-back topology. Modular Multilevel Converters have appeared as a promising solution for Multi-MW WECSs due to their characteristics such as modularity, reliability and the capability to reach high nominal voltages. Thereby, this thesis discusses the application of the Modular Multilevel Matrix Converter (\mc) to drive Multi-MW Wind Energy Conversion Systems (WECSs). The modelling and control systems required for this application are extensively analysed and discussed in this document. The proposed control strategies enable decoupled operation of the converter, providing maximum power point tracking capability at the generator-side, grid-code compliance and Low Voltage Ride Through Control at the grid-side and good steady state and dynamic performance for balancing the capacitor voltages of the converter.\\ The effectiveness of the proposed control strategies is validated through simulations and experimental results. Simulation results are obtained with a 10MW, 6.6 kVM3C based WECS model developed in PLECS software. Additionally, a 5 kVA downscale prototype has been designed and constructed during this Ph.D. The downscale prototype is composed of 27 H-Bridges power cells. The system is controlled using a Digital Signal Processor connected to three Field Programmable Gate Array which are equipped with 50 analogue-digital channels and 108 gate drive signals. Two programmable AMETEK power supplies emulate the electrical grid and the generator. The wind turbine dynamics is programmed in the generator-side power supply to emulate a generator operating in variable speed/voltage mode. The output port of the M3C is connected to another power source which can generate programmable grid sag-swell conditions. Simulation and experimental results for variable-speed operation, grid-code compliance, and capacitor voltage regulation have confirmed the successful operation of the \mc{} based WECSs. In all the experiments, the proposed control systems ensure proper capacitor voltage balancing, keeping the flying capacitor voltages bounded and with low ripple. Additionally, the performance of the generator-side and grid-side control system have been validated for Maximum Power Point Tracking and Low-Voltage Ride Through, respectively.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica / Las micro redes (MR o μG) se constituyen como una solución para la electrificación mediante el aprovechamiento de los recursos energéticos renovables locales, tanto en zonas remotas como en sistemas interconectados. Sin embargo, en zonas aisladas el uso de combustibles fósil para el transporte local prevalece como un desafío a su suministro energético. Ante esta problemática, los vehículos eléctricos (VE) se perfilan como una solución en la medida que tengan la capacidad de operar coordinadamente con una MR existente en la localidad. En esta tesis se diseña, construye y valida en laboratorio un conversor de potencia que permite el intercambio de energía entre una fuente DC y una máquina de inducción trifásica o una MR aislada, con el objetivo de materializar el concepto de V2μG (del inglés Vehicle to Micro-Grid). Se propone la utilización de un inversor trifásico, tetrapolar y multifuncional, cuyo sistema eléctrico permite dos modos de operación: el modo VE, diseñado para manipular el torque del motor de inducción trifásico del vehículo, basado en la estrategia IFOC (del inglés Indirect Field Oriented Control); y el modo V2μG, que mediante estrategias de control basadas en Acondicionadores de Potencia tipo Filtro Activo permite su integración con la MR a través de los sub-modos IDLE, COMPENSACIÓN DE COMPONENTES DE SECUENCIA CERO (CCS0), COMPENSACIÓN DE COMPONENTES DE SECUENCIA NEGATIVA (CCS-), SUAVIZADOR P-Q (SPQ) y CONTROL DE TENSIÓN BUS DC (CTBDC). Los resultados experimentales de la operación en modo VE muestran que la estrategia IFOC implementada en el conversor funciona correctamente siempre que la medición de velocidad del rotor de la máquina sea suficientemente precisa. En este caso, se observa que la respuesta del sistema ante cambios en la referencia de tipo escalón es menor a 27[ms]. Por otro lado, en el modo V2μG, se comprueba que en el sub-modo IDLE el conversor no inyecta ni absorbe potencia de la red. Se verifica que los otros sub-modos operan correctamente y de forma independiente. Sin embargo, se obtienen mejores resultados al combinar los sub-modos CCS0, CCS- Y CTBDC, logrando reducir el THD y desbalance de corriente aguas arriba al punto de conexión desde 12,5[%] a 4[%] y de 100[%] a menos del 2[%] respectivamente. Al combinar los sub-modos CCS0, CCS-, CTBDC y SPQ se logra suavizar los escalones de potencia activa y reactiva producto de la dinámica del sistema aguas arriba del punto de conexión. Para futuros trabajos se propone implementar una estrategia de carga de baterías, mejorar los controladores de corriente para el modo V2μG, integrar la operación en isla para cargas monofásicas y trifásicas e integrar funciones de control remoto para su operación en redes inteligentes. Finalmente, se plantea agregar la funcionalidad de dar soporte ante fallas en la red.

Ingeniero Civil Electricista / El presente trabajo aborda los conceptos básicos, sobre electrónica, semiconductores de potencia, controladores digitales de señales y software de simulación en electrónica de potencia, para lograr diseñar y construir un inversor MPPT fotovoltaico de 2kW de potencia nominal que sirva como base para desarrollos en esta área. Se presenta una introducción al tema, los objetivos de la memoria y una breve descripción del estado del arte, conocimientos necesarios para desarrollar un equipo de estas características. En función de estos antecedentes se presenta el diseño y simulación de la primera etapa de conversión, correspondiente al módulo Boost, utilizado para realizar un seguimiento de máxima potencia al sistema fotovoltaico. A continuación, se muestra la segunda etapa de conversión, de corriente continua a alterna, mediante un puente inversor completo. Se diseñan los sensores a utilizar, que son de voltaje DC, voltaje AC, corriente y temperatura. Se presenta el diseño de las etapas necesarias de control realimentado, que se programan en un microcontrolador. Esta etapa incluye la determinación de la tensión de máxima transferencia, se sincroniza el inversor con la red y se limita el trabajo del equipo dentro de rangos seguros de operación. Con el software PSim, se simula cada etapa de conversión de potencia, lo que permite realizar un diseño rápido y seguro. Se logra probar los ciclos de control diseñados para el sistema y ver el tipo de comportamiento ante perturbaciones. Se presenta en detalle la fase de construcción de cada uno de los módulos diseñados, reportando los planos, dispositivos y elementos de integración. Se realizan pruebas de potencia para el módulo Boost y el Inversor, ajustando los sensores. Por último se realizan pruebas de control realimentado como seguidor de tensión y seguidor de fase. Se finaliza con los resultados de las características relevantes del equipo, como lo son la eficiencia (80%) y costo de construcción estimado ($1466 US), para luego realizar un análisis de recuperación del capital en base a la energía generada. Como trabajo futuro se requiere de las pruebas de inyección de potencia a la red y de transferencia de máxima potencia conectando un panel fotovoltaico como fuente primaria de energía.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Eléctrico / Debido al contexto geopolítico y medioambiental, tanto nacional como internacional, ha surgido un nuevo impulso en minimizar el uso de hidrocarburos como fuente de generación eléctrica y de transporte. Esta preocupación ha incentivado el uso de las energías renovables no convencionales (ERNC) que utilizan como fuente los llamados 'recursos limpios' como el sol, el viento y los ríos, entre otros. Este tipo de tecnologías se utilizan en grandes proyectos eléctricos a nivel industrial, en redes de distribución como 'generación distribuida' o en sistemas inteligentes como las 'micro redes'. El uso de ERNC introduce problemas que no presentan las redes eléctricas con infraestructura convencional, esto se debe a la intermitencia y disponibilidad esporádica de las energías renovables no convencionales. Esto puede generar problemas en la estabilidad del sistema, su confiabilidad y la calidad de suministro de la electricidad. Estos problemas pueden ser solucionados introduciendo sistemas de almacenamiento de energía que respaldan la potencia entregada por la generación intermitente, lo que les da la capacidad mejorar la estabilidad del sistema y la calidad de la potencia que se entrega al consumidor final. En este contexto, el presente trabajo tiene como objetivo diseñar e implementar un sistema de control para los sistemas de almacenamiento con baterías mediante el uso de un conversor de potencia trifásico de tres piernas diseñado para operar en redes de baja tensión. El sistema de control debe permitir al conversor trabajar en modo de operación aislado o conectado a la red. La fuente de alimentación de energía o sistema de almacenamiento corresponderá a un banco de baterías el cual cuenta con las opciones de almacenar o generar electricidad. El objetivo del prototipo final estará orientado al uso en los laboratorios eléctricos de la Universidad. Este trabajo incluye una revisión bibliográfica de las micro redes, electrónica de potencia de conversores y baterías, sistemas de almacenamiento existentes, filtros pasivos como técnicas de reducción de armónicos y sistemas de control de conversores. Además se realizan dos tareas importantes, la primera es el diseño y simulación de una estrategia de control para convertidores formadores de red con control Droop y la segunda, es la implementación del esquema de control diseñado en una aplicación real de una micro red en el laboratorio de redes inteligentes de la Universidad de Chile.

La retina es un tejido del ojo que se encarga de convertir la luz incidente en pulsos eléctricos para luego ser enviados al cerebro. Las células encargadas de dicha conversión son las células fotorreceptoras, estas hacen posible la visión. La prótesis de retina se encarga de reemplazar la función que realizaban las células fotorreceptoras al recrear la sensación de visión por medio de la estimulación de las células neuronales sanas restantes en la retina por medio del envío de pulsos bifásicos a través de un arreglo de electrodos. No obstante, una de las grandes preocupaciones en cuanto a la estimulación de la prótesis de retina, es que cualquier exceso de acumulación de carga que supere los límites de seguridad tolerables puede causar daño a la retina. A raíz de lo anterior mencionado, se procedió al estudio de un circuito cuyo objetivo es balancear la carga residual existente de forma controlada. Asimismo, se realizó un análisis de cada etapa del circuito: comparadores dinámicos, latch SR, parte de lógica y la etapa de compensación y se definió la estructura del circuito de seguridad. Por último, gracias a la herramienta Analog Design Environment de CADENCE se realizó simulaciones comprobando la funcionalidad de la solución planteada al dimensionar correctamente los transistores y definir una correcta corriente de compensación. Así pues, se obtuvo un circuito capaz de monitorear y corregir la carga del electrodo cuando ésta sale de los límites de seguridad y que presenta una baja disipación de potencia.

La presente investigación se trata de un proyecto de inversión privada para la central de energía solar fotovoltaica y su distribución en la ciudad de Chiclayo y distritos, ubicado en la región Lambayeque. El proyecto está realizado para cumplir con la demanda eléctrica insatisfecha por un deficiente abastecimiento de energía eléctrica en el departamento de Lambayeque. En el análisis y evaluación del proyecto, la inversión total determina es de S/61,432,500.00, de la cual S/56,432,500.00 será un aporte de capital propio lo que representa el 92% y lo restante, representando el 8% será financiado por una entidad financiera, equivalente a S/5,000,000.00. Por último, mediante los indicadores financieros del VAN, TIR, entre otros, los resultados obtenidos para poder realizar el proyecto indican que es viable, obteniendo un VAN económico de S/86,407,524.01 y un VAN financiero de S/80,530,294.72 siendo el resultado final superior a cero, lo que indica que el proyecto es totalmente viable.

El trabajo realizado en el transcurso de esta tesis, se centra en el control de convertidores de potencia con filtro LCL, utilizados en sistemas de generación distribuida. Este trabajo, concluye con el desarrollo de una técnica de control para la inyección de potencia a una red que puede presentar fallas o anomalías, utilizando una cantidad mínima de sensores. A lo largo de la tesis, se proponen varias estrategias de control, con la particularidad de que todas son aptas para sistemas conformados por filtros LCL de baja frecuencia de resonancia, y requieren la medición de un único estado del filtro LCL. La primera estrategia propone una modificación de un controlador PI clásico, que permite controlar un convertidor CC-CC de tipo Boost con filtro LCL, posicionando todos los polos del sistema en lazo cerrado. Siguiendo la misma línea de investigacióon, aplicada al terreno de los inversores CC-CA trifásicos, se propone un controlador de corriente basado en la modificación de un regulador PR, que permite controlar un VSI con filtro LCL posicionando todos los polos del sistema en lazo cerrado. Luego, dicho controlador evoluciona hacia una estrategia diferente, la cual permite regular la inyección de corriente a la red, utilizando un diseño óptimo de un regulador PR clásico. Finalmente, se propone el uso de un observador que, utilizando sólo la medición de la corriente inyectada a la red, permite implementar tanto un control óptimo de esta corriente, como la sincronización del sistema con la tensión de la red sin medir dicha tensión. La validez y efectividad de las estratégias propuestas es demostrada mediante simulación, y en la mayoría de los casos, mediante resultados experimentales. / The work done during the course of this thesis focuses on the control of power converters with LCL filter, used in distributed generation systems. This work, concludes with the development of a control technique for power injection to a grid that can present faults or anomalies, using a minimum number of sensors. Throughout this thesis, several control strategies are proposed, with the particularity that all are suitable for systems composed by LCL filters with a low resonance frequency, and require the measurement of a single LCL filter state. The first strategy proposes a modification of a classic PI controller, which allows controlling a boost type DC-DC converter with LCL filter, by assigning all the system closed loop poles. Following the same line of research, applied to the field of three-phase DC-AC inverters, it is proposed a current controller based on the modification of a PR regulator, which allows controlling a VSI with LCL filter by assigning all the system closed loop poles. Then, such controller evolves towards a different strategy, that allows controlling the current that the system injects to the grid, using an optimum design of a classic PR regulator. Finally, it is proposed the use of an observer which, using only the measurement of the current injected to the grid, allows to implement both an optimal control of this current and the grid voltage sensorless synchronization of the system. The validity and effectiveness of the proposed strategies are demonstrated by simulation, and in most cases by experimental results.

Las enfermedades de degeneración macular y retinosis pigmentaria afectan directamente a la retina, provocando la pérdida de células fotoreceptoras, denominadas bastones y conos, encargadas de la transformación de señales luminosas provenientes del entorno en señales eléctricas que son interpretadas en el cerebro como imágenes. Estas enfermedades son de interés porque provocan la pérdida de células cuyo funcionamiento se puede reemplazar por dispositivos electrónicos, ya que utilizan cargas eléctricas como portadoras de información. El presente trabajo de tesis se centra en el diseño de un controlador de corriente como circuito integrado en un neuroestimulador que forma parte de un sistema de mayor complejidad, denominado prótesis epiretinal. Las entradas del circuito a diseñar son señales digitales, que determinarán la forma de onda de corriente a generar, y corrientes de referencia para establecer la resolución del controlador de corriente. El diseño se basa en una topología de espejos de corriente SCCT (Self Cascode Composite Transistor ) como estructura base de Conversores Digital-Analógico colocados directamente a la salida del controlador de corriente, distribuidos en ramas LSB, 2LSB, 4LSB y 8 LSB, con la posibilidad de compartir un circuito de polarización entre los canales locales. Se ha utilizado transistores de 5 V de la tecnología AMS (Austria Micro Systems) 0.35 µm. La carga utilizada para simular el circuito es un modelo de electrodo de impedancia de 30 kΩ en serie con 100 nF. El circuito fue probado utilizando el simulador SPECTRE en el software de diseño de circuitos integrados CADENCE. El presente trabajo permitió generar una forma de onda bifásica de corriente máxima de 55 µA, con un rango de voltaje a la salida de 2.2 V. La disipación de potencia del circuito se encuentra entre 10.2 µW y 72.2 µW, dependiendo de la etapa de forma de onda en que se encuentre. El área ocupada por la disposición física del circuito es de 0.006408 mm2.