En la última década, el sector involucrado tanto en la industrialización como en la investigación de la energía proveniente del mar está recibiendo un gran apoyo por parte de la industria, entidades públicas y entidades privadas debido al prometedor crecimiento que se prevé del mismo. Dicho apoyo se encuentra dirigido, en su mayor parte, a dos tipos de explotación energética: la energía extraída de las olas y la energía extraída a partir de las corrientes marinas.

Dichas técnicas aún se encuentran en sus primeras etapas de madurez tecnológica y no han alcanzado la comercialización. Algunas de las barreras que deben superar para conseguir la industrialización son:

En lo referente a términos económicos, una de las principales barreras es aquella asociada a los costes de mantenimiento y reparación de los dispositivos captadores de energía. Este problema surge, en gran parte, debido a las dificultades de acceso al medio (alta mar) y a la climatología adversa que se da en dicha ubicación.

En cuanto a la energía extraída, la densidad de la energía capturada a partir de las olas y de las corrientes marinas es muy superior a la del sol o el viento, lo que implica procesar unos niveles de energía proporcionalmente superiores. Este hecho implica tener que rediseñar la arquitectura del tren de potencia del captador marino. Por otro lado, debido a la naturaleza fluctuante tanto del oleaje como de las corrientes marinas, la energía producida por los dispositivos captadores será igualmente irregular. Por ello, es necesario mitigar dichas fluctuaciones en la potencia generada con el fin de posibilitar la inyección de la potencia generada a la red eléctrica.

Estos inconvenientes obligan a invertir grandes esfuerzos en la etapa de diseño y control del sistema de extracción de potencia (Power Take-off system, PTO) del dispositivo captador. El sistema PTO de un captador de energía (tanto de las olas como de las corrientes marinas) está compuesto, en términos generales, por un generador eléctrico, un convertidor de potencia y un sistema de almacenamiento de energía.

En lo referente al procesado de mayores niveles de energía y a las labores de reparación y mantenimiento, teniendo en cuenta las anteriores barreras tecnológicas, incluir un generador multifase en el sistema PTO en lugar del clásico generador de tres fases se presenta como una buena alternativa. Esto último se fundamenta en que un sistema multifase puede continuar en funcionamiento siempre que tenga al menos tres fases operativas. En consecuencia, el empleo de convertidores multinivel y multifase (en lugar de disponer de varios convertidores trifásicos en paralelo) puede ser una buena solución, tanto en términos de procesamiento de energía como en términos de calidad de potencia generada. Sin embargo, en la literatura técnica existen relativamente pocos trabajos entorno a la tecnología multinivel y multifase. La complejidad de los algoritmos de modulación y control de este tipo de convertidores se incrementa exponencialmente con el aumento del número de fases, por lo que su uso es, a priori, complejo.

Esta tesis tiene como uno de sus objetivos dar respuesta a esta carencia. En este sentido, se han propuesto tres estrategias de modulación para convertidores NPC (Neutral-Point-Camped converter) de tres niveles y multifase. Con la primeras dos estrategias los resultados obtenidos son similares a los logrados con las modulaciones SPWM (Sinusoidal Pulse-Width-Modulation) y NTV (Nearest Three Vector) en convertidores trifásicos. Sin embargo, se distinguen de estas últimas por su simplicidad y fácil extensión a convertidores de m fases, así como por su bajo cálculo computacional. La tercera estrategia de modulación presenta una mayor complejidad que las anteriores, si bien sigue siendo intuitiva y fácilmente extensible a m fases. De igual manera, es capaz de eliminar las perjudiciales oscilaciones de tensión de baja frecuencia que aparecen en el punto neutro y mantener en equilibrio, bajo cualquier condición de operación, la distribución de las tensiones de los condensadores que forman el bus de continua. Además, la calidad de la señal generada presenta un bajo WTHD (Weighted Total Harmonic Distortion). Todas las estrategias de modulación propuestas han sido validadas en simulación en la plataforma Matlab/Simulink y de forma experimental en un prototipo desarrollado por la división de Energía y Medio Ambiente de Tecnalia Research & Innovation.

Por otro lado, para dar solución a las irregularidades que presenta la potencia extraída con los dispositivos captadores de olas y corrientes marinas, es habitual, tal y como se ha indicado, que el sistema PTO incluya un sistema de almacenamiento de energía, de modo que se eliminen o reduzcan las fluctuaciones en la señal generada propiciando la máxima extracción de potencia. Dicho almacenamiento puede ser hidráulico, mecánico o eléctrico. Atendiendo al tipo de almacenaje, las características de su control son diferentes. En este contexto, esta tesis presenta como segunda aportación varias alternativas al control de un dispositivo captador de la energía de las olas tipo OWC (Oscillating Water Column) flotante. Se ha escogido, como punto de partida, el captador tipo OWC por ser uno de los de mayor madurez tecnológica entre los diferentes tipos de captadores de olas. Las alternativas al control que se proponen en esta tesis se centran en lograr la máxima eficiencia de la turbina de aire (turbina Wells) que el dispositivo OWC incorpora. Dichas alternativas se fundamentan en el seguimiento de la velocidad óptima de la turbina para la extracción de la máxima potencia. Asimismo, se proponen otras opciones que hacen uso de dispositivos de almacenamiento de energía, como son los supercondensadores y el volante de inercia. Gracias a la combinación de varias de las estrategias de control que se proponen en esta tesis se consigue una mejora de la eficiencia de este tipo de sistemas a la vez que se reducen considerablemente las fluctuaciones de la potencia generada para su inyección a red eléctrica. Al igual que con las estrategias de modulación multinivel y multifase, estas alternativas al control de un OWC son validadas mediante simulación y mediante pruebas experimentales con un prototipo a escala sumergido en un banco de olas. Dicho prototipo ha sido desarrollado por el HMRC (Hydraulics and Maritime Research Centre) de la Universidad de Cork, Irlanda.