Análisis y comparación de topologías conmutadas de convertidor para la energización de electrolizadores.

Abstract

Este trabajo de memoria de título se enmarca en la necesidad existente de encontrar alternativas que disminuyan las emisiones de componentes contaminantes al medio ambiente, que en el área energética se traduce a obtención de energía a partir de fuentes más limpias. Uno de los métodos para obtener energía limpia es a través de electrolizadores, que requieren convertidores para realizar la interface desde las diferentes fuentes de alimentación. La presente memoria se centra en el análisis y comparación de topologías conmutadas de convertidores para la energización de electrolizadores, con el objetivo de identificar aquellas con mejores prestaciones en términos de calidad de corriente de entrada y salida y de eficiencia en la conversión de energía. Es así que en este trabajo se estudian las topologías convertidor reductor clásico, convertidor reductor intercalado y convertidor de modo de conmutación LLC en el caso de los convertidores de tipo CC a CC, donde tras una comparación en cuanto a calidad de las formas de onda de corriente, eficiencia y complejidad, entre otros aspectos, se determinó que la topología del convertidor reductor intercalado presenta mejores características. Por otro lado, en la búsqueda de topologías de convertidores de tipo CA a CC se decide estudiar el puente de tiristores de 6 pulsos, rectificador de 12 pulsos, rectificador reductor intercalado de 3 fases y rectificador modular multicelda (MMR). Tras la comparación de las topologías se obtuvo que el MMR posee las mejores características, ya que a plena carga presenta factor de potencia de 0,99, distorsión armónica total de 2,55%, alta eficiencia además de una disminución de costos al usar un transformador de alta frecuencia, también se tienen los beneficios de disponer de una gran cantidad de módulos en paralelo, lo que aporta en la distribución y disminución de pérdidas de potencia entre los módulos de las celdas. Como resultado de lo anterior, y a partir del análisis y simulaciones de la topología MMR alimentando un electrolizador, se obtiene un factor de potencia prácticamente unitario, distorsión armónica total de 2,54% y una eficiencia de 85,68% en condiciones de carga nominal, confirmando con los resultados arrojados que es una buena opción para la alimentación de plantas electrolizadoras.

This thesis is situated within the current need to find alternatives to reduce emissions of environmental pollutants, which in the energy sector translates to obtaining energy from cleaner sources. One of the methods to obtain clean energy is through electrolyzers, which require converters to interface with different power sources. The present study focuses on the analysis and comparison of switched converter topologies for powering electrolyzers, with the aim of identifying those with better performance in terms of input and output current quality and energy conversion efficiency. In this work, the classic buck converter, interleaved buck converter, and LLC resonant converter topologies are studied in the case of DC to DC converters. After comparing aspects such as current waveform quality, efficiency, and complexity, among others, it was determined that the interleaved buck converter topology exhibits superior characteristics. On the other hand, in the exploration of AC to DC converter topologies, the study includes the 6-pulse thyristor bridge, 12-pulse rectifier, interleaved three-phase rectifier, and the modular multicell rectifier (MMR). Comparing these topologies revealed that the MMR has the best attributes. At full load, it exhibits a power factor of 0.99, total harmonic distortion of 2.55%, high efficiency, along with cost savings by using a high frequency transformer. Additionally, the MMR allows for a large number of parallel modules, contributing to power distribution and reducing losses among the cell modules. As a result of these findings, coupled with the analysis and simulations of the MMR topology supplying electrolyzing plants, we achieved a power factor of 0.9999, a total harmonic distortion of 2.54%, and an efficiency of 85.68% under nominal load conditions. These outcomes affirm the viability of the MMR topology as a compelling choice for supplying electrolyzing plants.