Contributions to Multifrequency Power Distribution Systems

Abstract

Aquesta tesi doctoral presenta un enfocament innovador basat en l’electrònica de potència per a la distribució multifreqüència d’energia en microxarxes, permetent una transferència d’energia descentralitzada punt a punt mentre es confina la distorsió multifreqüència a una secció específica de la microrred. El sistema proposat aborda reptes clau en la distribució moderna d’energia, en particular la flexibilitat d’integració, les limitacions de gestió centralitzada de l’energia i els alts requisits de filtratge en sistemes multifreqüència. La tesi introdueix una estructura de doble inversor formada per dos inversors en pont complet que regulen de manera independent els components de tensió i corrent a una freqüència addicional, específicament al tercer harmònic de la xarxa (150 Hz). Mitjançant la implementació de dos sistemes de doble inversor en una línia de distribució designada, actuant com a emissor i receptor, el sistema permet una transferència d’energia punt a punt a 150 Hz, com la que es produeix entre una font d’energia renovable i un sistema d’emmagatzematge d’energia. La dissertació explora l’arquitectura i les estratègies de control necessàries per al doble inversor, proporciona simulacions per validar el sistema de transferència multifreqüència proposat i presenta un prototip de prova de concepte. Els resultats experimentals confirmen una alta eficiència en la transferència d’energia, amb una fuita mínima de distorsió harmònica més enllà de la secció multifreqüència, reduint significativament els requisits de filtratge per a la resta d'usuaris de la microxarxa.

Esta tesis doctoral presenta un enfoque innovador basado en la electrónica de potencia para la distribución multifrecuencia de energía en microrredes, permitiendo una transferencia de energía descentralizada punto a punto mientras confina la distorsión multifrecuencia a una sección específica de la microrred. El sistema propuesto aborda desafíos clave en la distribución moderna de energía, en particular la flexibilidad de integración, las limitaciones de gestión centralizada de la energía y los altos requisitos de filtrado en sistemas multifrecuencia. La tesis introduce una estructura de doble inversor compuesta por dos inversores en puente completo que regulan de manera independiente los componentes de voltaje y corriente a una frecuencia adicional, específicamente al tercer armónico de la red (150 Hz). Mediante la implementación de dos sistemas de doble inversor en una línea de distribución designada, actuando como emisor y receptor, el sistema permite una transferencia de energía punto a punto a 150 Hz, como la que se da entre una fuente de energía renovable y un sistema de almacenamiento de energía. La disertación explora la arquitectura de hardware y las estrategias de control necesarias para el doble inversor, proporciona simulaciones para validar el sistema de transferencia multifrecuencia propuesto y presenta un prototipo de prueba de concepto. Los resultados experimentales confirman una alta eficiencia en la transferencia de energía, con una fuga mínima de distorsión armónica más allá de la sección multifrecuencia, reduciendo significativamente los requisitos de filtrado para el resto de usuarios de la microred.

This doctoral thesis presents a novel power electronics-based approach for multifrequency power distribution in microgrids, enabling decentralized point-to-point energy transfer while confining multifrequency distortion to a specific microgrid section. The proposed system addresses key challenges in modern power distribution, particularly integration flexibility, centralized power management constraints, and high filtering requirements in multifrequency systems. The thesis introduces a dual-inverter structure comprising two full-bridge inverters that independently regulate voltage and current components at an additional frequency, specifically the grid’s third harmonic (150 Hz). By deploying two dual-inverter systems within a designated power distribution line as emitter and receiver, the system enables a pointto- point power transfer at 150 Hz, such as between a renewable energy source and an energy storage system. The dissertation explores the hardware architecture and control strategies required for the dual inverter, provide simulations to validate the proposed multifrequency transfer system and presents a proof-of-concept prototype. Experimental results confirm high power transfer efficiency, with minimal harmonic distortion leakage beyond the multifrequency section, significantly reducing filtering requirements for non-participating microgrid users.