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Hoy en día, uno de los objetivos de la sociedad es actualizar los procesos industriales elevando el rendimiento global de los sistemas productivos, gestionando la energía de manera eficiente. Dentro de este aspecto, el concepto de almacenamiento de energía juega un papel fundamental. Asimismo, asociando el almacenamiento de energía al sistema eléctrico, estos dispositivos permiten mejorar su eficiencia, fiabilidad y flexibilidad ante la integración masiva de energías renovables, ya que permiten absorber la energía producida, liberándola en los momentos de mayor demanda o cuando disminuye el recurso renovable. Basado en esto, se están estableciendo nuevas aplicaciones y lanzando nuevos productos comerciales donde los Sistemas de Almacenamiento de Energía (SAEs) están tomando vital importancia. Dentro de los mismos, existen muchas tecnologías de diferente naturaleza y grado de desarrollo. Entre ellos se encuentran los denominados SAEs rápidos, que presentan un ciclo de carga/descarga corto (en el orden de minutos); y dentro de estos se integran los Sistemas de Almacenamiento Cinético de Energía (SACEs) y los Supercondensadores (SCs). Ambos dispositivos disponen de un nivel de madurez tecnológica (TRL) alto, cercano a TRL8. Aunque la tecnología de los SACEs es algo más madura, ya que dispone de más años de desarrollo, los SCs ofrecen, hoy en día, una trayectoria muy prometedora, existiendo productos comerciales de ambos sistemas operando en diferentes aplicaciones industriales. El SACE o volante de inercia es un dispositivo basado en varios subsistemas o componentes principales. Entre ellos, se encuentra la máquina eléctrica. Dentro de las posibles candidatas, se halla la máquina de reluctancia conmutada. En base a esto, se define uno de los objetivos de la tesis doctoral, el diseño optimizado una máquina eléctrica de reluctancia conmutada de alta velocidad para su aplicación a volantes de inercia utilizados como sistemas de almacenamiento de energía. Este estudio detalla el proceso de diseño de la máquina de reluctancia conmutada (MRC), repasando las ventajas e inconvenientes y su idoneidad en un volante de inercia. Asimismo, se recoge su principio de funcionamiento, sus características electromagnéticas, sus regímenes de operación y las cuestiones referentes a su conversión energética para, finalmente, obtener las ecuaciones fundamentales que describen su modelo matemático, definiéndose un modelo dinámico de MRC. Continuando con el objetivo de optimizar las prestaciones de la MRC, se detallan los parámetros necesarios de dicho modelo, definiendo el proceso de optimización bajo la aplicación de un algoritmo evolutivo diferencial multiobjetivo con el cual se optimiza tanto los parámetros de diseño como de control de la MRC. Los resultados de dicho estudio permiten definir el diseño de la MRC y el convertidor electrónico de potencia asociado. Una de las limitaciones de la MRC es el rizado de par, que conlleva un aumento de la carga mecánica sobre el sistema de guiado de la máquina, suponiendo un inconveniente para las situaciones de alta velocidad. En este sentido, esta tesis plantea una modificación del diseño del rotor de la máquina para reducir el rizado de par. Se definen las ecuaciones analíticas y los principales parámetros de diseño. A continuación, se detalla un proceso de optimización de la geometría de la MRC con bajo rizado de par, de nuevo utilizando un algoritmo de optimización evolutivo diferencial multiobjetivo. Los resultados obtenidos se comparan con los presentados por la configuración tradicional de dicha máquina. Continuando con la aplicación de la MRC a un SACE, como uno de los objetivos principales de la tesis doctoral, se establece una metodología de cálculo de los mapas de eficiencia aplicado a un SACE y un sistema de almacenamiento basado en supercondensadores. En el documento se detallan los distintos tipos de pérdidas de los sistemas, así como los modelos y procedimiento de cálculo. Una vez se han definido los mapas para ambos sistemas de almacenamiento de energía, SACE y SCs, se definen las estrategias de control de sistemas de almacenamiento, con el objetivo de la integración de este tipo de dispositivos en plantas de generación renovable. De hecho, otro de los objetivos de la tesis doctoral es la aplicación de sistemas de almacenamiento de energía en plantas de energía renovable. En concordancia con ello, esta tesis doctoral se centra en la definición de una metodología de dimensionado de un sistema de almacenamiento para una planta de generación undimotriz en operación en España, con el objetivo de reducir las oscilaciones de potencia inyectada a red por dicha planta. Esta metodología recoge los resultados de los estudios anteriores, ya que emplea un SACE con máquina de reluctancia optimizada junto con el mapa de eficiencia del sistema detallado anteriormente. El resultado de dicha metodología es el número de módulos de almacenador necesarios para suavizar las oscilaciones de potencia inyectada a red, y con ello los posibles problemas de fluctuaciones de tensión y frecuencia de la red. Todo ello se realiza para dos técnicas de filtrado diferentes, basadas en un filtro de media móvil (MAF), definiendo los parámetros principales. Finalmente, es importante resaltar que las metodologías de diseño definidas durante la tesis se han empleado en varios proyectos de investigación, especialmente el procedimiento relacionado con el diseño y optimización de una máquina de reluctancia conmutada; siendo destinada a diferentes aplicaciones como son volantes de inercia o los generadores de potencia. Asimismo, la metodología de dimensionado de sistemas de almacenamiento, usada para plantas de generación undimotriz, puede emplearse en otras plantas de generación renovable. ----------ABSTRACT---------- Nowadays, one of the main challenges of the society is to update the manufacturing processes by increasing the overall performance of the industrial systems, managing the energy efficiently. On this way, the energy storage plays a fundamental role. Furthermore, the Energy Storage Systems (ESSs) allow improving the efficiency, reliability and flexibility of the electrical grids, especially in those with high renewable energies penetration, since they absorb part of the energy produced, delivering it at times of lowest demand or when the renewable resource decreases. Based on that, new applications have been established and new commercial products are appearing where Energy Storage Systems (ESSs) are becoming vital. Within them, there are many Electrical Energy Storage (EES) technologies with different nature and development level. The fast ESS are part of them, characterized by a short charge/discharge cycle. Two of technologies inside this group are the Flywheel Energy Storage Systems (FESSs) and the Supercapacitors (SCs). Both technologies have a high Technological Readiness Level (TRL), near TRL8. Although FESS has high mature level, due to its years of development, nowadays SCs offer a very promising future. Moreover, both systems have commercial products operating in different industrial applications. A flywheel is a complex device based on several components or subsystems, the electric machine among them. There are several technologies which satisfy the requirements of the FESS, including the switched reluctance machine. Based on this, one of the objectives of the PhD thesis is, the optimized design of a high-speed switched reluctance machine applied to a Flywheel Energy Storage System. The study details the design process of a Switched Reluctance Machine (SRM), reviewing the advantages and disadvantages and its suitability for a FESS. This procedure includes the description of its operating principle, electromagnetic characteristics, operating regimes and the energy conversion on the machine. Then, the mathematical model with its main electromagnetic equations are obtained, as well as a SRM dynamic model. Following with the aim of optimizing the SRM performance, the optimization process uses a multi-objective differential evolutionary optimization algorithm, considering both the design and the control of the MRC, defining the required parameters to carry it out. The study results are the required values for the design of the SRM and its power electronic converter. One of the main SRM drawbacks is its torque ripple, which leads to a mechanical overload on the guiding system, especially on high-speed applications. Related to that, this PhD thesis proposes a new geometrical design of the rotor of the SRM to reduce the torque ripple. The process starts describing the describing the analytical equations and the main design parameters. Then, the optimization process for this new configuration, using the multi-objective differential evolutionary optimization algorithm, is implemented. Finally, the results for both configurations, a conventional SRM and the proposed design with low torque ripple, are compared. Respect to the FESS application, the PhD thesis describes a methodology to obtain the efficiency maps in two ESS technologies, a FESS and a system based on SCs. The procedure defines each of the system losses, as well as the required models and equations to calculate them. Moreover, several control strategies for an energy storage plant are set with the aim of integrating those systems in renewable power plants. Based on that, other objective of the PhD thesis is the application of an energy storage system in renewable power plants. According with it, this thesis focuses on the definition of a methodology for dimensioning an energy storage plant based on FESS for a wave energy plant in operation situated Spain. This energy storage system has the aim of smoothing the power oscillations, setting an almost constant power injected into the grid. This methodology uses the previous results, especially the FESS efficiency map which collects an optimized SRM design for the flywheel. The result of this methodology is the number of flywheel modules required to smooth the power oscillations, mitigating the possible voltage and frequency fluctuation problems. The dimensioning process is applied for two different filtering techniques, based on a Moving Average Filter (MAF), collecting their main parameters. Finally, it is important to highlight that the methodologies described in the PhD thesis have been used in different R&D projects, especially the process related to the design and optimization of a switched reluctance machine. This process has been applied for different applications such as flywheels or linear generators. Moreover, the dimensioning methodology for energy storage plants, applied in a wave energy plant, can be used in other renewable power plants.

El uso del vehículo eléctrico puede mitigar el problema de la contaminación en grandes ciudades, así como ofrecer una alternativa al vehículo tradicional, que consume combustibles fósiles. En consecuencia, existe un interés generalizado en investigar sobre el vehículo de tracción eléctrica, su alternativas en cuanto a control y tipos de motores eléctricos. Este proyecto desarrolla un modelo, mediante la herramienta SIMULINK de MATLAB, del accionamiento de un vehículo eléctrico. En concreto, del Nissan Leaf. El modelo utiliza una máquina síncrona de imanes permanentes como motor, al igual que el vehículo elegido. Una vez se tiene el modelo, se hacen ensayos para aportar claridad al funcionamiento del accionamiento en su conjunto. Se consigue desarrollar una metodología para modelar el accionamiento de un vehículo eléctrico. El modelo consta de tres partes principales. La primera es el motor síncrono de imanes. Se utiliza como ejemplo un motor de imanes superficiales, pero se podría utilizar uno de imanes interiores así como otro tipo de motor. La segunda es la alimentación a dicho motor. Se trata de un conjunto batería-convertidor. El control del convertidor es la tercera. Se utilizan dos reguladores PI, que ajustan el valor de las corrientes reales al de consignas impuestas por el usuario del programa. El disparo o bloqueo de los transistores del convertidor (inversor trifásico de dos niveles) se gobierna mediante la técnica Pulse Width Modulation, que compara tres sen˜ales de control (moduladoras) con una portadora. El criterio de control depende del régimen de trabajo. Para regímenes que impliquen fuerza electromotriz menor que un límite, se utiliza el criterio de máximo par por amperio. En el resto, se utiliza el criterio de reducción de flujo. El usuario indica el par que desea y el control establece la corriente y su desfase respecto a la fuerza electromotriz. El principal problema en el desarrollo del modelo es la escasez de datos de partida. Los fabricantes ven en el vehículo eléctrico un nicho de mercado y por tanto, no publican datos técnicos sobre su tecnología. En referencia a la ingeniería eléctrica, se parte de la tensión de la batería y las curvas de potencia y par. En cuanto a ingeniería mecanica, se tienen datos dimensionales y de peso. Para que el modelo representara el vehículo, era necesario obtener datos de los parámetros internos del motor: inductancia, pares de polos, resistencia de los devanados estatóricos y enlaces de flujo debido a los imanes. En una primera aproximación, se hace una regresión de los valores de la resistencia y la inductancia a partir de un catálogo de motores de imanes del fabricante Bonfigliobi. El valor de la resistencia calculado es el definitivo. No así el de la inductancia. Para el cálculo de la inductancia y los enlaces de flujo, se desarrolla una metodología que partiendo de unas condiciones de funcionamiento determina el valor de dichos parámetros. Se demuestra que hay una relación entre la tensión en el bus de continua y la fuerza electromotriz máxima que se analizará. Además, se impone una condición de corriente máxima. El usuario impone los pares de polos y una limitación de corriente. Trabajando en dos regímenes que implican máxima potencia, se calculan constantes necesarias para el control de flujo en la máquina, aparte de los mencionados parámetros internos, inductancia y enlaces del flujo. También se dimensiona el convertidor electrónico que alimenta el motor. Se utiliza la herramienta SEMISEL de la companía SEMIKRON para buscar un convertidor que se ajuste al vehículo. De este convertidor, se estima el nivel de eficiencia, se explica de qué dependen su pérdidas y se desarrolla un desglose de las mismas. El accionamiento del vehículo queda totalmente definido con el cálculo de la relación de transformación entre el motor y la rueda, el desarrollo de un bloque de pares pasivos, que actúa como par de carga y la estimación de la inercia total referida al eje motor. Primeramente, se estima la relación de transformación existente entre la rueda del coche y el motor, sabiendo que es constante. Además, se desarrolla un bloque de cálculo de los pares pasivos en la máquina función de la velocidad real del vehículo. Los pares pasivos incluyen el rozamiento con el suelo, aerodinámico y una pendiente que puede ser impuesta por el usuario. Conocido el tiempo que tarda el vehículo en alcanzar 100 km/h, se utiliza la ecuación dinámica de la máquina para calcular la inercia del vehículo. Con el accionamiento del vehículo desarrollado en su totalidad, se hacen ensayos para demostrar la bondad del ajuste al vehículo real y para clarificar su funcionamiento. En el primer ensayo, se describen las curvas de potencia en su totalidad y se aprecian los dos criterios de control utilizados. En la segunda simulación, se demuestra que, en la medida de lo posible, el modelo tiene a utilizar el criterio de máximo par por amperio. Los ensayos tercero, cuarto y quinto son estáticos. En otras palabras, la inercia se fija en infinito y por tanto, no existe variación de la velocidad. Se calcula el factor de potencia y se hace una comparación del mismo en función de la velocidad y el criterio de control. En el sexto ensayo, se demuestra la influencia de la tensión de continua en el funcionamiento del modelo, hecho en el que se insiste a lo largo del documento. Por último, se hace un ensayo en el que se demuestra la validez del cálculo de la inercia del vehículo, así como la alta eficiencia de un vehículo eléctrico.

En este Trabajo de Fin de Grado se han realizado tareas que suponen el diseño del convertidor electrónico de potencia que será empleado para estudiar la hibridación de sistemas de almacenamiento basados en baterías y supercondensadores para ser utilizados en sistemas de generación renovable híbridos conectados a redes aisladas o débiles. Un esquema de dichos sistemas de almacenamiento y generación se ha representado en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.. Se enmarca dentro del código UNESCO 3306.02 Aplicaciones Eléctricas. El sistema de almacenamiento híbrido consta de unas baterías y de un conjunto de supercondensadores. La ventaja de este tipo de almacenamiento frente a un almacenamiento convencional basado únicamente en baterías es que los supercondensadores absorben los picos de potencia amortiguando las oscilaciones de potencia generada renovable y alargan la vida de las baterías que no están diseñadas para soportar de manera continuada ciclos de carga y de descarga. Estas oscilaciones de potencia son típicas de las energías renovables, en especial de la energía eólica. El objetivo o tarea principal de este proyecto es estudiar el modo de funcionamiento óptimo de un convertidor DC/DC bidireccional que permita la descarga/carga del sistema de almacenamiento y, a continuación, estudiar las pérdidas en dicho convertidor en base a un dispositivo real. Se ha tomado como punto de partida el estudio del. convertidor DC/DC. En especial, los diferentes tipos de control del mismo y los distintos tipos de modos de funcionamiento: modo continuo, su límite a modo discontinuo, el modo discontinuo y su relación con el valor de la inductancia crítica. Se ha expuesto el funcionamiento del convertidor DC/DC elevador, el reductor, el reductor-elevador y por último el convertidor DC-DC bidireccional. Centrándose en este último se han estudiado y calculado teóricamente los elementos de potencia del convertidor (inductancia y condensador) para reducir el rizado de la corriente que circula por el sistema de almacenamiento, trabajando el convertidor en un modo de funcionamiento u otro: continuo o discontinuo. A continuación, se han estudiado las posibles topologías del convertidor DC/DC bidireccional empleando la herramienta Simulink de MATLAB. Dentro de esta tarea se ha desarrollado un modelo que permite la simulación del comportamiento de un convertidor DC/DC bidireccional con interleaving de tres ramas para reducir el rizado de la corriente que circula por los sistemas de almacenamiento. Asimismo, se analizan los resultados de simulación empleado un postprocesado en MATLAB de la configuración de elementos propuesta analizando la transformada de Fourier y comparándose la amplitud y la cantidad de armónicos de la corriente que circula por los sistemas de almacenamiento. Posteriormente, se ha trabajado en el diseño y cálculo de pérdidas del convertidor. Para ello se ha empleado la herramienta SemiSel del fabricante de elementos de potencia SEMIKRON. Dicha herramienta proporciona una lista de módulos que se adaptan a unos parámetros introducidos por el usuario y posteriormente tanto los elementos de potencia (IGBTs) como los disipadores y elementos de refrigeración necesarios para el convertidor. Se ha seguido el proceso de selección y dimensionado del convertidor empleando SemiSel, definiendo una solución de elementos comerciales, cumpliendo con las especificaciones técnicas (térmicas, geométricas y eléctricas), para la construcción del convertidor. Se han analizado distintas combinaciones de convertidor y disipador de la lista de dispositivos propuestos hasta hallar una configuración válida. Por último, se ha concluido el proyecto calculando las pérdidas del convertidor propuesto empleado la herramienta de cálculo de pérdidas que tiene el programa SemiSel. Asimismo, se ha realizado un análisis de sensibilidad calculando la evolución de las pérdidas del convertidor propuesto en función de los parámetros de funcionamiento del convertidor. En concreto se ha estudiado las pérdidas en los diodos y en los IGBT en función del ratio de tiempo de conducción del diodo de libre circulación, un parámetro que permite regular el modo de conducción. La metodología presentada en este trabajo pretende diseñar un convertidor electrónico, seleccionando los semiconductores más adecuados, el modo de operación más conveniente y el cálculo de las pérdidas, todo ello para una aplicación determinada.

El presente Trabajo Fin de Grado tiene como objetivo el desarrollo de un sistema de control para un dispositivo extractor de energía undimotriz, que es la energía que se obtiene de las olas. El dispositivo se conoce como WEC, que son las iniciales de Wave Energy Converter o convertidor de la energía de las olas. En el presente trabajo, el WEC consiste en un dispositivo conocido como absorbedor puntual de dos cuerpos. El WEC cuenta con un PTO, las siglas de Power Take Off (o dispositivo de extracción de potencia) para la transformación de la energía mecánica que proporciona el movimiento oscilatorio de las olas en energía eléctrica. La importancia del estudio y desarrollo de los sistemas de control de los parámetros del WEC es muy grande para el crecimiento de este tipo de energía renovable, ya que con un control adecuado se puede aumentar la potencia extraída y rentabilizar los altos costes de inversión de esta tecnología. El control de los parámetros del WEC permite no sólo la extracción de más cantidad de potencia media por parte del dispositivo sino controlar los picos de potencia generada que se producen y que hacen que estos dispositivos necesiten una electrónica de potencia muy sobredimensionada para su conexión a red. De esta forma se puede conseguir mayor potencia y de mayor calidad para optimizar el rendimiento y reducir los costes. En primer lugar en el trabajo se realizará un estudio del estado del arte de la energía marina para localizar el tipo de generación, con especial hincapié en la energía undimotriz, y posteriormente un análisis de los distintos tipos de control utilizados hasta el momento. Se va a estudiar el modelo del WEC siguiendo una analogía entre la realidad mecánica del dispositivo y un circuito eléctrico equivalente, que permite hacer un símil fácil de entender. Se llega a la conclusión de que los parámetros que se van a controlar son resistencia (Rm) y reactancia (Xm) para el circuito eléctrico, que tienen su correspondencia con parámetros físicos controlables en el PTO. El trabajo está realizado partiendo de un modelo de WEC implementado en el entorno de simulación Matlab&Simulink por el CIEMAT. Una vez elegido el control que se quiere implementar y los parámetros con los que se va a trabajar empieza la tarea de simular e incluir en el modelo de WEC el control. Los estados de mar se caracterizan por su periodo de pico y su altura significativa. Estos estados son elegidos en función de la probabilidad de que se den en la zona de estudio, para tener una muestra realista. Mediante simulación se llega a los valores óptimos de los parámetros que dan el máximo de potencia extraída para cada estado de mar estudiado. A continuación se amplía el rango de valores de los óptimos a casos de mar menos probables para evitar discontinuidades en las simulaciones posteriores El control que se pretende implementar se basa en la transformada rápida de Fourier. Se realiza el estudio de la transformada y del espectro en el dominio de la frecuencia para su aplicación a la altura de la superficie libre del mar. También se sustituye el periodo de pico por un periodo equivalente basado en momentos a partir del espectro que es más robusto ante el ruido. Se elabora un algoritmo que recibiendo una forma de ola calcule el espectro de frecuencias y a partir de él halle los parámetros característicos de la ola: altura significativa y periodo energético. Se trabaja en aumentar la precisión del algoritmo de identificación de los parámetros del oleaje mediante distintos métodos de filtrado. Con los parámetros del oleaje calculados, el algoritmo obtiene los parámetros óptimos de control. Una vez que se comprueba su buen funcionamiento y su precisión se implementa en el modelo para que sea capaz de obtener alturas y periodos de ola en tiempo real a partir del espectro de frecuencias y con ellos encontrar los parámetros óptimos de control. De esta forma el control permite ajustar online los parámetros óptimos para la máxima extracción de energía según el estado de mar en el que esté funcionando el dispositivo. Sin embargo, para el dispositivo situado en el mar es complicado medir alturas y periodos de ola o formas de onda, por lo que se busca un parámetro que sea más fácil de medir para convertirlo en entrada del control. Se elige la velocidad. Elegida la velocidad como entrada del sistema se busca conseguir magnitudes de velocidad asociadas a periodos equivalentes y alturas significativas a través del espectro de frecuencia y hallar unos nuevos óptimos para velocidad equivalente y velocidad significativa análogas a las de periodo equivalente y altura significativa que contengan los parámetros óptimos para cada estado de mar. Se deja para investigaciones futuras implementar un modelo que realice el control de los parámetros óptimos a partir del espectro de la velocidad en lugar del espectro de la altura de la superficie libre oceánica.

El presente Trabajo Fin de Grado tiene como objetivo compensar los desequilibrios producidos en las líneas eléctricas debido a la conexión de cargas de distinto valor por cada una de sus fases. Este desequilibrio será compensado a través de un convertidor electrónico de potencia conectado en paralelo con la red. En primer lugar, se hará una introducción a los sistemas trifásicos desequilibrados, cómo se puede cuantificar el desequilibrio existente, y las consecuencias negativas que tiene su existencia sobre los distintos elementos de los sistemas eléctricos. Además, se comentarán soluciones ya existentes para corregir dichos desequilibrios. A continuación, se planteará el principio en el que se basará el sistema diseñado para corregir los desequilibrios: el teorema de Fortescue, que afirma que cualquier sistema trifásico desequilibrado puede descomponerse en tres sistemas trifásicos equilibrados, uno de secuencia directa, otro de secuencia inversa, y un tercero de secuencia homopolar, aunque este tercero será nulo al encontrarse el neutro aislado. Con la separación en los dos sistemas trifásicos equilibrados, y gracias a las transformaciones de Clarke y Park, podrán obtenerse cuatro señales, dos de ellas referidas a las componentes de secuencia directa y dos referidas a las componentes de secuencia inversa, que tendrán un valor continuo según una referencia giratoria. A partir de estas transformaciones, se diseñarán dos estrategias de control para el inversor: en la primera de ellas, el objetivo será reducir el consumo de potencia de la red y que sea el inversor quien suministre la corriente necesaria a las cargas desequilibradas. En la segunda, el objetivo será que la red sí suministre potencia, pero solo de forma equilibrada, y que el equilibrado entre las fases sea realizado a través del inversor. Se realizarán simulaciones con la herramienta Simulink de Matlab para cada una de estas dos opciones de control del convertidor. Se analizará la respuesta del sistema ante distintos niveles de carga, y ante la variación de éstas a lo largo de la propia simulación. Por último, se analizarán los resultados obtenidos para las corrientes suministradas tanto por el inversor como por la red.

El presente TFG persigue el objetivo de realizar un estudio de las perturbaciones producidas al alimentar una red eléctrica débil con potencias oscilantes generadas en un parque undimotriz, y consta de varias partes. En primer lugar se presenta una breve descripción de la situación actual de la energía marina, sus tipos, sus potenciales y su importancia y desarrollo en nuestros días. En particular, se centra en la energía undimotriz, cómo se produce este tipo de energía, cómo la podemos aprovechar, qué parámetros definen un oleaje, etc. A continuación, se presenta el modelo físico de los captadores de energía que extraen la energía de las olas y generan potencia eléctrica. Basado en él, se realiza un modelo de Simulink que incluye un modelo generador de oleaje a partir de sus parámetros característicos. Este modelo de Simulink se utiliza para realizar un estudio de los parámetros óptimos de los captadores de energía, para maximizar la potencia eléctrica generada por los mismos. Por otro lado, se presenta un modelo de red débil basada en la red de la Isla de La Palma (Islas Canarias). De la red real se han mantenido sus tensiones, consumos y la disposición geográfica de sus elementos principales, a saber generadores, transformadores y líneas. Sin embargo, la modelización de estos elementos está considerablemente simplificada. Una vez que se consigue que el modelo de red converja, se realiza el flujo de cargas y se procede a simular su funcionamiento. Después, se presenta un modelo de parque undimotriz, el cual, para una disposición de los captadores de energía dada, simula su funcionamiento durante 12.000 segundos y guarda el perfil de potencia activa generada. Esta potencia se inyectará posteriormente en la red débil anterior. Por otro lado, se presenta la importancia de los códigos de red, llamados “Grid Codes”, y se muestran los límites legales en España. Además, con la finalidad de medir la frecuencia de la tensión en un nudo de la red, se diseña un medidor de frecuencia basado en un artículo, el cual funciona dentro de dichos límites legales. Este medidor de frecuencia se utilizará en las simulaciones del modelo integrado para estudiar las oscilaciones de frecuencia. A continuación se inyecta la potencia activa generada en el parque undimotriz en 18 casos distintos: para unos mismos parámetros de oleaje se estudian tres direcciones del mismo diferentes, y para cada una de ellas se estudian seis disposiciones de los captadores diferentes. Por último, se lleva a cabo un estudio de los resultados de las simulaciones realizadas y se sacan conclusiones del mismo.

El presente trabajo fin de grado se ha realizado en colaboración con el CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas). En la actualidad los motores de reluctancia conmutada (SRM) son utilizados en gran multitud de aplicaciones y sectores. En este trabajo se ha realizado el estudio de una máquina de reluctancia conmutada analizando el par y las pérdidas en el hierro con dos herramientas de análisis mediante el método de los elementos finitos. En primer lugar, se describirá de forma general la máquina de reluctancia conmutada. Se aportarán los conocimientos teóricos necesarios para abarcar el objetivo principal, explicando de forma general la constitución física, características y principio de funcionamiento de este tipo de máquinas. Además se analizarán las distintas aplicaciones de la tecnología de reluctancia conmutada como equipo embarcado en aeronaves, destacando las fortalezas y debilidades de cada una de ellas. Se hará referencia al concepto More Electric Aircraft (MEA).Uno de los pilares que impulsan MEA son las tecnologías de velocidad variable y de distribución en corriente continua.Las alternativas ampliamente aceptadas para esta tecnología son: las máquinas síncronas de imanes permanentes (PMSM), las máquinas de reluctancia conmutada (SRM) y las máquinas de inducción (IM). Todas ellas se caracterizan por su robustez (que es esencial para las aplicaciones aeronáuticas) y porque requieren muy poco mantenimiento. Sin embargo, son diferentes en muchos otros aspectos que se explicarán en el capítulo 1. Se llega a la conclusión de que el posible nicho de aplicación de la SRM se encuadraría en una futura aeronave totalmente electrificada, sin arrastre directo de bombas (hidráulica, combustible, lubricación) y por tanto carentes de caja de accesorios. En esta línea, la tecnología SRM podría emplearse como generador embarcado en UAV’s (“Unmanned Aerial Vehicle”) en donde se necesita una masiva generación eléctrica para el suministro no sólo de aviónica y comunicaciones, sino también para equipos de drones militares, equipos de vigilancia y reconocimiento (aplicaciones militares y civiles) y equipos e instrumentos de investigación científica (misiones de investigación y control ambiental). En segundo lugar, se presentarán las herramientas de análisis utilizadas para la simulación de la máquina. Los programas utilizados son Flux® y ANSYS Maxwell. Ambos programas de cálculo de elementos finitos se dividen en tres áreas de funcionamiento: - Pre-procesado. En primer lugar, se dibuja el modelo y se decide el tipo de estudio que se va a realizar. Después, se malla la geometría, se seleccionan los materiales que constituyen máquina y se definen las condiciones de contorno del problema. - Procesado. Se realizan los cálculos y se obtienen las soluciones. - Post-procesado. Se lleva a cabo la representación gráfica de los resultados de las simulaciones y se analizan para sacar las conclusiones finales. En los capítulos 2 y 3 dedicados al programa Flux® y ANSYS Maxwell respectivamente, se explicará la dinámica utilizada para realizar el diseño de la SRM y posterior observación de los parámetros de las simulaciones en dichos programas destacando las diferencias entre ellos y justificando por qué se realiza un estudio con ambos programas. En cuanto al cálculo de las pérdidas en el hierro, es importante destacar que el programa de análisis mediante elementos finitos denominado Flux® proporciona a los usuarios dos métodos de cálculo de dichas pérdidas: el método de Bertotti (disponible también en ANSYS Maxwell) y el modelo de superficie de pérdida o Loss Surface Model (LS). El objetivo final es comprobar que el método tradicional de cálculo basado en la separación de las pérdidas (Bertotti) no es adecuado para máquinas cuya alimentación no es sinusoidal como las SRMs. Finalmente, una vez realizadas las simulaciones, se procederá al análisis y comparación de los diversos resultados obtenidos a lo largo del capítulo 4 y se presentarán unas conclusiones en base a estos resultados.

En esta tesis se analiza el sistema de tracción de un vehículo eléctrico de batería desde el punto de vista de la eficiencia energética y de la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros (radiación electromagnética). Este estudio incluye tanto el sistema de almacenamiento de energía como la máquina eléctrica, junto con la electrónica de potencia y los sistemas de control asociados a ambos. Los análisis y los resultados presentados en este texto están basados en modelos matemáticos, simulaciones por ordenador y ensayos experimentales a escala de laboratorio. La investigación llevada a cabo durante esta tesis tuvo siempre un marcado enfoque industrial, a pesar de estar desarrollada en un entorno de considerable carácter universitario. Las líneas de investigación acometidas tuvieron como destinatario final al diseñador y al fabricante del vehículo, a pesar de lo cual algunos de los resultados obtenidos son preliminares y/o excesivamente académicos para resultar de interés industrial. En el ámbito de la eficiencia energética, esta tesis estudia sistemas híbridos de almacenamiento de energía basados en una combinación de baterías de litio y supercondensadores. Este tipo de sistemas son analizados desde el punto de vista de la eficiencia mediante modelos matemáticos y simulaciones, cuantificando el impacto de ésta en otros parámetros tales como el envejecimiento de las baterías. Respecto a la máquina eléctrica, el estudio se ha centrado en máquinas síncronas de imanes permanentes. El análisis de la eficiencia considera tanto el diseño de la máquina como la estrategia de control, dejando parcialmente de lado el inversor y la técnica de modulación (que son incluidos en el estudio como fuentes adicionales de pérdidas, pero no como potenciales fuentes de optimización de la eficiencia). En este sentido, tanto la topología del inversor (trifásico, basado en IGBTs) como la técnica de modulación (control de corriente en banda de histéresis) se establecen desde el principio. El segundo aspecto estudiado en esta tesis es la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros. Este tema se enfoca desde un punto de vista predictivo, y no desde un punto de vista de diagnóstico, puesto que se ha desarrollado una metodología para estimar el campo magnético generado por los dispositivos de potencia de un vehículo eléctrico. Esta metodología ha sido validada mediante ensayos de laboratorio. Otros aspectos importantes de esta contribución, además de la metodología en sí misma, son las consecuencias que se derivan de ella (por ejemplo, recomendaciones de diseño) y la comprensión del problema proporcionada por esta. Las principales contribuciones de esta tesis se listan a continuación: una recopilación de modelos de pérdidas correspondientes a la mayoría de dispositivos de potencia presentes en un vehículo eléctrico de batería, una metodología para analizar el funcionamiento de un sistema híbrido de almacenamiento de energía para aplicaciones de tracción, una explicación de cómo ponderar energéticamente los puntos de operación par-velocidad de un vehículo eléctrico (de utilidad para evaluar el rendimiento de una máquina eléctrica, por ejemplo), una propuesta de incluir un convertidor DC-DC en el sistema de tracción para minimizar las pérdidas globales del accionamiento (a pesar de las nuevas pérdidas introducidas por el propio DC-DC), una breve comparación entre dos tipos distintos de algoritmos de minimización de pérdidas para máquinas síncronas de imanes permanentes, una metodología predictiva para estimar la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros de un vehículo eléctrico (debida a los equipos de potencia), y finalmente algunas conclusiones y recomendaciones de diseño respecto a dicha exposición a campos magnéticos. ABSTRACT This dissertation analyzes the powertrain of a battery electric vehicle, focusing on energy efficiency and passenger exposure to electromagnetic fields (electromagnetic radiation). This study comprises the energy storage system as well as the electric machine, along with their associated power electronics and control systems. The analysis and conclusions presented in this dissertation are based on mathematical models, computer simulations and laboratory scale tests. The research performed during this thesis was intended to be of industrial nature, despite being developed in a university. In this sense, the work described in this document was carried out thinking of both the designer and the manufacturer of the vehicle. However, some of the results obtained lack industrial readiness, and therefore they remain utterly academic. Regarding energy efficiency, hybrid energy storage systems consisting in lithium batteries, supercapacitors and up to two DC-DC power converters are considered. These kind of systems are analyzed by means of mathematical models and simulations from the energy efficiency point of view, quantifying its impact on other relevant aspects such as battery aging. Concerning the electric machine, permanent magnet synchronous machines are studied in this work. The energy efficiency analysis comprises the machine design and the control strategy, while the inverter and its modulation technique are taken into account but only as sources of further power losses, and not as potential sources for further efficiency optimization. In this sense, both the inverter topology (3-phase IGBT-based inverter) and the switching technique (hysteresis current control) are fixed from the beginning. The second aspect studied in this work is passenger exposure to magnetic fields. This topic is approached from the prediction point of view, rather than from the diagnosis point of view. In other words, a methodology to estimate the magnetic field generated by the power devices of an electric vehicle is proposed and analyzed in this dissertation. This methodology has been validated by laboratory tests. The most important aspects of this contribution, apart from the methodology itself, are the consequences (for instance, design guidelines) and the understanding of the magnetic radiation issue provided by it. The main contributions of this dissertation are listed next: a compilation of loss models for most of the power devices found in a battery electric vehicle powertrain, a simulation-based methodology to analyze hybrid energy storage performance in traction applications, an explanation of how to assign energy-based weights to different operating points in traction drives (useful when assessing electrical machine performance, for instance), a proposal to include one DC-DC converter in electric powertrains to minimize overall power losses in the system (despite the new losses added by the DC-DC), a brief comparison between two kinds of loss-minimization algorithms for permanent magnet synchronous machines in terms of adaptability and energy efficiency, a predictive methodology to estimate passenger magnetic field exposure due to power devices in an electric vehicle, and finally some useful conclusions and design guidelines concerning magnetic field exposure.