Estrategia equilibrada de control de los interruptores de convertidores estáticos trifásicos de más de cinco niveles.

Se presenta una estrategia de control de los interruptores de un convertidor estático de potencia de n niveles, donde n > 5, definida a partir de unos vectores de modulación virtuales, con corriente asociada promedio igual a cero por los puntos intermedios del bus de corriente continua (cc).

Con capacidades muy reducidas de los condensadores que permiten el acceso a los distintos puntos intermedios del bus de cc, esta estrategia de control permite mantener equilibradas las tensiones de estos condensadores, de manera que se equilibran los voltajes que tienen que bloquear los interruptores.

La estrategia es aplicable a cualquier sistema que incorpore un convertidor estático de más de cinco niveles, como, por ejemplo, accionamientos de motores eléctricos de corriente alterna (ca), sistemas de aprovechamiento de energías renovables, equipos de tracción eléctrica, sistemas de alimentación, etc

Estrategia equilibrada de control de los interruptores de convertidores estáticos trifásicos de más de cinco niveles.

Sector de la técnica

Hardware electrónico para sistemas eléctricos y electrónicos de potencia.

Estado de la técnica

Los trabajos publicados sobre los convertidores estáticos de más de cinco niveles son relativamente pocos en cantidad, debido a que el interés en estos convertidores es reciente por el descenso en el coste de los interruptores de potencia.

En este entorno, la mayoría de los estudios se centran en analizar la aplicabilidad de los convertidores estáticos de más de cinco niveles a diferentes aplicaciones, explorando sus ventajas e inconvenientes. Concretamente, se han publicado estudios de aplicabilidad a:

Pocos trabajos se han dedicado a proponer una metodología de equilibrado de los voltajes del bus de cc, utilizando una estrategia de modulación de los interruptores.

Esencialmente, las aportaciones realizadas en cuanto a estrategias de modulación de los interruptores del convertidor estático son estrategias que resuelven el problema del equilibrado de los voltajes del bus de cc en condiciones muy particulares de funcionamiento, asumiendo que hay puntos de trabajo en los que no es posible el equilibrado.

No se considera la problemática de definir una estrategia de modulación que garantice el equilibrado de los voltajes de los condensadores del bus de cc en cualquier punto de operación y de forma independiente a la aplicación.

Descripción

Se define un método de control de los interruptores de un convertidor estático trifásico de n niveles como el de la Figura 1. El convertidor genera la tensión trifásica de salida conectando cada una de las tres fases (a, b y c) a cualquiera de los n puntos de conexión del bus de corriente continua (cc) (designados: 1, 2,..., n). El punto al que se conecta cada fase puede variar con el tiempo. Así, el convertidor presenta n³ estados de conmutación posibles designados por una secuencia de tres números enteros, donde el primer número corresponde al punto del bus de cc al que conectamos la fase a, el segundo número corresponde al punto del bus de cc al que conectamos la fase b, y el tercer número corresponde al punto del bus de cc al que conectamos la fase c. Estos n³ estados de conmutación se representan en el diagrama de la Figura 2. Proyectando ortogonalmente el vector correspondiente a cada estado de conmutación sobre los ejes ?_ab, ?_bc y ?_ca, obtenemos el correspondiente valor de tensión compuesta asociado a este estado de conmutación. El vector de referencia V_ref representa la terna de tensiones deseada a la salida del convertidor. Este vector de referencia se aproxima por una secuencia de estados de conmutación. En el diagrama de la Figura 2, se especifica entre corchetes la corriente en los puntos intermedios 2, 3,..., n-1 [i₂, i₃, ..., i_n-1] asociada a cada estado de conmutación del primer sextante.

A continuación se define la estrategia propuesta de control de los interruptores. Se describe para el caso en el que el vector de referencia esté en el primer sextante del diagrama de la Figura 2. Por simetría, la estrategia en el resto de sextantes será análoga. Asumiendo que la suma de corrientes de fase es igual a cero, podemos definir un conjunto de vectores como combinación lineal de ciertos estados de conmutación (siendo los coeficientes de la combinación lineal todos iguales y el resultado de su suma, la unidad), de forma que la corriente promedio en los puntos intermedios 2, 3, ..., n-1 (i₂, i₃, ... i_n-1) de cada uno de estos vectores sea igual a cero. En el diagrama de la Figura 3 (caso n par) y en el de la Figura 4 (caso n impar) se muestra la ubicación de los (n²-n+6)/2 vectores resultantes:

Todo estado de conmutación disponible, excepto el 111 y el nnn, está contenido en la definición de como mínimo uno de estos vectores. Los vectores V_z, V_{a 1}, V_{d 1}, V_{a (n-1)}, V_d(n-1), V_{? (n-3),0}, por ejemplo, están definidos por las siguientes combinaciones lineales:

El resto de vectores presentan redundancia, en general, ya que se pueden obtener a partir de más de una combinación de estados de conmutación. En general, para el vector V se puede escribir:

donde k_V es el coeficiente de la combinación lineal de estados de conmutación xyz que define V.

Los (n-2-i) vectores V_{? i} se hallan ubicados en la recta t_i, siendo la distancia mínima de esta recta a V_z de V_cc•[2/(i+3)]. La localización de estos vectores queda definida por algunas intersecciones de la recta t_i con las rectas l_j y u_j, 1 =q j =q n-2, donde l_j es la recta que une V_{a 1} con V_{d (j+1)} y u_j es la recta que une V_{d 1} con V_{a (j+1)}.

La estrategia de control consistirá en aproximar el vector de referencia como una combinación lineal de estos vectores:

donde d_V es la relación de servicio del vector V. La relación de servicio del estado de conmutación xyz se calcula:

donde V es un vector definido a partir del estado de conmutación xyz. Por ejemplo, en el caso de los estados de conmutación 222, 333,..., (n-1)(n-1)(n-1), n11, nn1:

Si la suma de corrientes de fase es igual a cero, los vectores definidos (V_z, V_c, V_{a i}, V_{d i} y V_{? i}) poseen la propiedad de que introducen una corriente promedio en los puntos intermedios 2, 3, ..., n-1 (i₂, i₃, ..., i_n-1) igual a cero. En el caso en que el bus de cc esté configurado por un conjunto de n-1 condensadores conectados en serie, esto permite reducir significativamente la capacidad de los n-1 condensadores del bus de cc (manteniendo equilibradas las tensiones de estos n-1 condensadores), tanto más cuanto menor sea el periodo del ciclo de conmutación entre los distintos estados del convertidor.

La estrategia de control propuesta se puede aplicar directamente también al caso de un convertidor bifásico de n niveles ya que el caso bifásico es equivalente a uno trifásico en el que la corriente por la primera y segunda fases son iguales en valor absoluto y de signo opuesto, y la corriente por la tercera fase es igual a cero.

Modos de realización de la invención

La presente invención se ilustra adicionalmente mediante el siguiente ejemplo, el cual no pretende ser limitativo de su alcance.

Ejemplo 1

Consideramos el caso particular de un convertidor estático trifásico de n = 6 niveles como el de la Figura 5. Los estados de conmutación correspondientes al primer sextante del diagrama de la Figura 2 se representan en el diagrama de la Figura...

1. Una estrategia de control de los interruptores de un convertidor estático trifásico de n niveles (n > 5) caracterizada por tener una corriente asociada promedio igual a cero (en cada periodo o ciclo de conmutación) por los puntos intermedios del bus de corriente continua cuando la suma de corrientes de fase es igual a cero.

2. Una estrategia de control de los interruptores de un convertidor estático bifásico de n niveles (n > 5) caracterizada por tener una corriente asociada promedio igual a cero (en cada periodo o ciclo de conmutación) por los puntos intermedios del bus de corriente continua cuando la suma de corrientes de fase es igual a cero.

3. Una estrategia de control de los interruptores de un convertidor estático trifásico o bifásico de n niveles (n > 5) según reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque se emplean en cada periodo de conmutación los tres vectores (con corriente promedio asociada cero en los puntos intermedios del bus de corriente continua) más cercanos al vector de referencia para aproximarlo.

4. Una estrategia de control de los interruptores de un convertidor estático trifásico o bifásico de n niveles (n > 5) según reivindicaciones 1 y 3 ó reivindicaciones 2 y 3, caracterizada porque se ordena de forma simétrica la secuencia de aplicación de los estados de conmutación, primero en orden decreciente y luego creciente (o viceversa) del número de tres dígitos correspondiente a cada estado de conmutación.

5. Una estrategia de control de los interruptores de un convertidor estático según reivindicación 1, caracterizada porque n = 6.

6. Una estrategia de control de los interruptores de un convertidor estático según reivindicación 2, caracterizada porque n = 6.

7. Una estrategia de control de los interruptores de un convertidor estático según reivindicación 3, caracterizada porque n = 6.

8. Una estrategia de control de los interruptores de un convertidor estático según reivindicación 4, caracterizada porque n = 6.