High Gain Non-Isolated Switched Inductor SEPIC Converter for Renewable Energy Applications

Resumen Técnico: Convertidor SEPIC de Inductor Conmutado de Alta Ganancia No Aislado para Aplicaciones de Energía Renovable

Planteamiento del Problema
Los sistemas de energía renovable, particularmente la generación fotovoltaica (FV), requieren convertidores CC-CC eficientes para interconectar fuentes de bajo voltaje con cargas de alto voltaje o microredes de CC. Los convertidores de alta ganancia convencionales suelen sufrir de un alto estrés de voltaje en los dispositivos semiconductores, baja eficiencia y arquitecturas de circuito complejas. Además, las topologías estándar como el convertidor Buck carecen de capacidad de elevación de tensión, mientras que los convertidores Buck-Boost y Ćuk producen voltajes de salida invertidos. Aunque la topología SEPIC (Single-Ended Primary-Inductor Converter) estándar ofrece una salida no invertida y transferencia de energía continua, típicamente carece de las relaciones de conversión de voltaje necesarias para muchas aplicaciones renovables sin aumentar el estrés de los componentes. Adicionalmente, el Seguimiento del Punto de Máxima Potencia (MPPT) bajo Condiciones de Sombreo Parcial (PSC) sigue siendo un desafío, ya que los algoritmos tradicionales suelen tener dificultades para distinguir entre los puntos de máxima potencia locales y globales.

Metodología
El artículo propone una solución de dos vertientes: una topología de convertidor de potencia modificada y un algoritmo de control mejorado.

1. Topología del Convertidor (SI-SEPIC):
   El autor introduce un convertidor SEPIC de Inductor Conmutado (SI) de alta ganancia y no aislado. Esta topología reemplaza los inductores de entrada y salida de un SEPIC convencional con una red de inductores conmutados que comprende cuatro inductores ($L_1$ a $L_4$) y múltiples diodos.

• Operación: El convertidor opera en Modo de Conducción Continua (CCM). Durante el estado de encendido (ON) del interruptor, todos los inductores se cargan simultáneamente; durante el estado de apagado (OFF), se descargan simultáneamente.
• Ganancia de Voltaje: Al utilizar la red de inductores conmutados, el convertidor logra una mayor relación de conversión de voltaje en comparación con el SEPIC estándar. La función de transferencia de voltaje de CC derivada es $M_{vdc} = V_o / V_{in} = 2D / (1-D)$, donde $D$ es el ciclo de trabajo.
• Diseño: El artículo detalla la metodología de diseño para un prototipo de 75 W, incluyendo cálculos para la selección de inductores (apuntando a un rizado del 20%), dimensionamiento de capacitores de salida y de acoplamiento, y análisis de estrés de componentes para el MOSFET y los diodos.

2. Algoritmo de Control (APSO):
   Para abordar los desafíos de MPPT bajo PSC, el estudio implementa un algoritmo de Optimización por Enjambre de Partículas Adaptativo (APSO).

• Mejora: A diferencia del PSO convencional, el APSO propuesto ajusta dinámicamente el peso de inercia ($\omega$), el coeficiente cognitivo ($c_1$) y el coeficiente social ($c_2$) a lo largo de las iteraciones.
• Estrategia: El peso de inercia y $c_1$ disminuyen linealmente de un valor alto a uno bajo para la transición de exploración a explotación, mientras que $c_2$ aumenta para acelerar la convergencia hacia el MPP Global (GMPP).
• Reinicialización: Se incluye un mecanismo para reinicializar las partículas si se detecta un cambio significativo en la potencia ($\Delta P$), asegurando que el sistema rastree nuevos MPPs cuando las condiciones ambientales cambian.

Contribuciones Clave

• Innovación en la Topología: El desarrollo de un convertidor SI-SEPIC no aislado que retiene la salida no invertida y el amplio rango de operación del SEPIC estándar, mientras aumenta significativamente la ganancia de voltaje y reduce el estrés de voltaje en los componentes.
• Mejora Algorítmica: La formulación de un controlador MPPT basado en APSO específicamente ajustado para PSC, utilizando coeficientes variables para equilibrar la velocidad de seguimiento y la precisión.
• Validación Experimental: La construcción y prueba de un prototipo de laboratorio de 75 W utilizando un simulador de arreglo solar Chroma 62150H-600S y un controlador OPAL-RT OP5600 para validar tanto el rendimiento en estado estacionario del convertidor como la respuesta dinámica del algoritmo MPPT.

Resultados
Los resultados experimentales, obtenidos del prototipo de 75 W, demuestran lo siguiente:

• Rendimiento del Convertidor: Bajo una entrada de 18 V y un ciclo de trabajo de 0.40, el convertidor produjo exitosamente una salida de 24 V con una potencia de 75 W. El estrés de voltaje a través del interruptor y los diodos se midió en 42 V, confirmando un estrés reducido en comparación con las alternativas de alta ganancia. El rizado de voltaje de salida se midió en 0.6 V (2% de 24 V).
• Eficiencia de MPPT: El algoritmo APSO fue probado bajo varios patrones de sombra y puntos de operación iniciales (tanto a la izquierda como a la derecha del MPP).
  • En el Patrón de Sombra 1, el sistema logró una eficiencia de seguimiento del 99.89% con una potencia de salida promedio de 42.43 W.
  • En el Patrón de Sombra 2, el sistema logró una eficiencia de seguimiento del 99.88% (punto de operación a la derecha) y del 99.80% (punto de operación a la izquierda), con una potencia de salida promedio de 56.64 W.
  • El sistema demostró la capacidad de localizar el GMPP rápidamente, con un tiempo de seguimiento de aproximadamente 2.30 segundos en un caso de prueba.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que el convertidor SI-SEPIC propuesto es una solución adecuada para interconectar fuentes renovables de bajo voltaje (como FV, celdas de combustible y baterías) con microredes de CC de alto voltaje. Los autores aseguran que la topología ofrece una "mejora notable en la capacidad de elevación de voltaje" manteniendo la simplicidad y la salida no invertida del SEPIC estándar. La combinación del convertidor de alta ganancia y el algoritmo de control MPPT-APSO se presenta como un método robusto para lograr una operación estable, alta ganancia de voltaje y una conversión de potencia eficiente bajo diversas condiciones de carga y sombreado. El estudio concluye que el sistema es bien adecuado para aplicaciones que incluyen vehículos eléctricos, iluminación LED y otros sistemas de energía renovable de alta elevación, con la planificación de trabajos futuros para escalar la topología a potencias más altas.