Método y sistema de control para controlar la conversión de potencia en un convertidor de potencia.

Método para controlar la conversión de una potencia de entrada en una potencia de salida por medio de al menos un módulo

(27) convertidor que comprende al menos un terminal de potencia de entrada, al menos un terminal de potencia de salida, para cada terminal de potencia de salida al menos un dispositivo (35) de conmutación activo conectado entre un terminal de potencia de entrada y el terminal de potencia de salida respectivo, controlándose la conversión controlando el sincronismo de conmutación del al menos un dispositivo (35) de conmutación activo en cada módulo (27) convertidor, en el que la conmutación se controla enviando señales de control de conmutación desde un controlador (33) maestro a cada módulo (27) convertidor, conteniendo cada señal de control de conmutación un mensaje de control que define un estado de conmutación para el al menos un dispositivo (35) de conmutación activo y el tiempo, en relación con una referencia de tiempo derivada del controlador maestro, en el que el estado de conmutación definido para el al menos un dispositivo (35) de conmutación activo debe aplicarse en el módulo (27) convertidor respectivo,

caracterizado porque

las señales de control de conmutación se envían con un tiempo de ciclo igual a o menor que la constante de tiempo más corta de los módulos (27) convertidores y los elementos de circuito de potencia inmediatos en relación con el módulo (27) convertidor respectivo usado y la duración de un mensaje de control es igual a, o menor que, el tiempo de ciclo.

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E10000316.

Solicitante: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: WITTELSBACHERPLATZ 2 80333 MUNCHEN ALEMANIA.

Inventor/es: JONES,RODNEY, FULCHER,ROBERT VERNON, WAITE,PHILIP PERRY.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > TECNICA DE LAS COMUNICACIONES ELECTRICAS > TRANSMISION DE INFORMACION DIGITAL, p. ej. COMUNICACION... > H04L1/00 (Disposiciones para detectar o evitar errores en la información recibida)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA... > APARATOS PARA LA TRANSFORMACION DE CORRIENTE ALTERNA... > Transformación de una potencia de entrada en corriente... > H02M7/5387 (en una configuración en puente)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA... > CIRCUITOS O SISTEMAS PARA LA ALIMENTACION O DISTRIBUCION... > Circuitos para redes principales o de distribución,... > H02J3/38 (Disposiciones para la alimentación en paralelo de una sola red por dos o más generadores, convertidores o transformadores)

PDF original: ES-2519165_T3.pdf

 

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Ilustración 1 de Método y sistema de control para controlar la conversión de potencia en un convertidor de potencia.
Ilustración 2 de Método y sistema de control para controlar la conversión de potencia en un convertidor de potencia.
Ilustración 3 de Método y sistema de control para controlar la conversión de potencia en un convertidor de potencia.
Ilustración 4 de Método y sistema de control para controlar la conversión de potencia en un convertidor de potencia.
Método y sistema de control para controlar la conversión de potencia en un convertidor de potencia.

Fragmento de la descripción:

La presente invención se refiere al control de conversión de potencia en al menos un módulo convertidor mediante el uso de señales de control de conmutación enviadas desde un controlador maestro a un módulo convertidor. Además, la Invención se refiere a un sistema de control para controlar la conversión de potencia mediante el uso de un controlador maestro. Además, la invención se refiere a un convertidor de potencia.

Se usan convertidores de potencia, por ejemplo en turbinas eólicas, para convertir una potencia de CA de frecuencia variable proporcionada por el generador de la turbina eólica en una potencia de CA de frecuencia fija nominal que va a alimentarse a una red de distribución. Tales convertidores de potencia comprenden normalmente un rectificador o rectificador activo para convertir la potencia de CA de frecuencia variable en una potencia de CC y un inversor para convertir la potencia de CC en la potencia de CA de frecuencia fija. Tanto el rectificador como el inversor comprenden normalmente dos terminales de tensión de CC y tres terminales de tensión de CA. En el caso del rectificador, los terminales de tensión de CA están conectados a los terminales de salida del generador que proporcionan, por ejemplo, una potencia de CA trifásica y los terminales de CC están conectados a un enlace de CC entre el rectificador y el inversor. El Inversor también comprende dos terminales de CC conectados al enlace de CC. Además, comprende tres terminales de CA conectados a una red de distribución a través de circuitos de filtrado apropiados según pueda ser necesario. El rectificador activo y el inversor pueden formarse a partir de los mismos componentes de circuito pero con flujo de potencia diferente (de CA a CC en el caso del rectificador activo, de CC a CA en el caso del inversor).

Otras aplicaciones de convertidores de potencia comprenden, a saber, la conversión de una potencia de CA de frecuencia fija a una potencia de CA de frecuencia variable, por ejemplo para controlar la velocidad rotacional y/o par motor de un motor eléctrico.

Configuraciones típicas de un rectificador y un inversor, ambos denominados comúnmente convertidores de potencia a continuación, comprenden una serie de al menos dos dispositivos de conmutación activos conectados entre el nivel de tensión superior del enlace de CC y el nivel de tensión inferior del enlace de CC y un nodo entre ambos dispositivos de conmutación activos que está conectado a uno de los terminales de CA. Un diseño de este tipo se conoce como semipuente, o fase. La misma estructura está presente para todos los demás terminales de tensión de CA del convertidor de potencia de modo que un convertidor de potencia para una potencia de CA trifásica tiene tres semipuentes comprendiendo cada uno al menos dos dispositivos de conmutación activos. La estructura con dos dispositivos de conmutación activos en un semipuente dado se conoce como convertidor de dos niveles porque mediante un control apropiado la tensión de salida observada en el terminal de fase central puede ser o bien el nivel de tensión superior del enlace de CC o bien el nivel de tensión inferior del enlace de CC.

Una conversión de potencia mediante el uso de los dispositivos de conmutación activos se realiza normalmente de la siguiente manera:

En el caso de convertir potencia de CC en potencia de CA, cada terminal de tensión de CA está conectado a través de los dispositivos de conmutación activos al nivel de CC alto y al nivel de CC bajo de una manera alternante. Introduciendo un desplazamiento de fase entre las señales de control que definen la salida de cada terminal de CA puede establecerse una potencia de CA polifásica, por ejemplo una potencia de CA trifásica. La potencia de CA puede estar diseñada para que sea una potencia de CA equilibrada, por ejemplo una potencia de CA trifásica en la que las corrientes trifásicas siempre suman cero.

En el caso de convertir potencia de CA en potencia de CC, los dispositivos de conmutación activos se conmutan para cada terminal de entrada de CA de manera que el terminal está conectado al terminal de tensión de CC superior o al terminal de tensión de CC inferior.

Para ambos modos de conversión de potencia, la conmutación de los dispositivos de conmutación activos se realiza normalmente basándose en un esquema de modulación de ancho de impulso en el que el tiempo y la duración de un dispositivo de conmutación activo que está ENCENDIDO, es decir conductor, o APAGADO, es decir no conductor, se define por impulsos de conmutación de nivel alto o nivel bajo, respectivamente. Otros esquemas para determinar la conmutación de los dispositivos activos son igualmente válidos, incluyendo control de potencia directo, control de corriente directo, un control de par motor directo o equivalente.

A veces se conectan dos o más semipuentes en paralelo o en serie a un terminal de CA, en particular en convertidores de potencia que tienen potencia nominal alta. En caso de que, por ejemplo, se conecten tres semipuentes, comprendiendo cada uno dos dispositivos de conmutación, en paralelo en un convertidor trifásico, el convertidor de potencia completo comprendería 12 dispositivos de conmutación activos (tres por dos por dos). Normalmente, un convertidor de potencia que comprende semipuentes paralelos o en serie está organizado en forma de módulos convertidores comprendiendo cada uno un semipuente para cada uno de los terminales de CA.

Estos módulos de potencia se conectan en paralelo o en serie para formar el convertidor de potencia. En particular, para convertidores de potencia de potencia nominal alta para aparatos industriales y aplicaciones de energías renovables, es una técnica convencional construir estos convertidores a partir de múltiples módulos convertidores que funcionan en paralelo o en serie para conseguir la tensión, corriente y potencia nominal necesarias.

Es deseable usar un controlador central para todos los módulos convertidores en un convertidor de potencia. De ese modo una dificultad es construir un sistema de comunicación entre el controlador central, que también podría considerarse como sistema de control principal u ordenador en tiempo real, que ejecute los algoritmos de control y los módulos convertidores distribuidos del convertidor de potencia. Los requisitos principales de un sistema de comunicación de este tipo son transmitir las señales de control de conmutación a los módulos convertidores con un alto grado de precisión de sincronismo, un alto grado de resolución de borde de los estados de conmutación en un esquema de modulación de ancho de impulso dado, una respuesta de latencia baja a condiciones de errores y tolerancia a errores de un bit. Además, debe comprender medios físicos viables y asequibles para interconexiones entre el controlador central y los módulos convertidores. Además, el sistema de comunicación debe poder transmitir preferiblemente corriente, tensión y otras señales de realimentación analógicas y señales de estado lógico, es decir señales digitales, desde los módulos convertidores al controlador central.

El documento JP 2005 333 246 A da a conocer un método para controlar varios módulos convertidores, en el que todas las señales de control están sincronizadas según el tiempo de llegada más aguas abajo y su convertidor.

El documento WO 2009/087063 A1 da a conocer un convertidor de potencia con un control de células distribuido en el que una unidad de control central transmite una tensión de CA de referencia y una señal portadora de conmutación a subunidades del controlador de las que cada subunidad controla la conmutación de conmutadores electrónicos de potencia según un patrón de modulación de ancho de impulso de modo que cada vez que la señal portadora de conmutación... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

Método para controlar la conversión de una potencia de entrada en una potencia de salida por medio de al menos un módulo (27) convertidor que comprende al menos un terminal de potencia de entrada, al menos un terminal de potencia de salida, para cada terminal de potencia de salida al menos un dispositivo (35) de conmutación activo conectado entre un terminal de potencia de entrada y el terminal de potencia de salida respectivo, controlándose la conversión controlando el sincronismo de conmutación del al menos un dispositivo (35) de conmutación activo en cada módulo (27) convertidor, en el que la conmutación se controla enviando señales de control de conmutación desde un controlador (33) maestro a cada módulo (27) convertidor, conteniendo cada señal de control de conmutación un mensaje de control que define un estado de conmutación para el al menos un dispositivo (35) de conmutación activo y el tiempo, en relación con una referencia de tiempo derivada del controlador maestro, en el que el estado de conmutación definido para el al menos un dispositivo (35) de conmutación activo debe aplicarse en el módulo (27) convertidor respectivo,

caracterizado porque

las señales de control de conmutación se envían con un tiempo de ciclo igual a o menor que la constante de tiempo más corta de los módulos (27) convertidores y los elementos de circuito de potencia inmediatos en relación con el módulo (27) convertidor respectivo usado y la duración de un mensaje de control es igual a, o menor que, el tiempo de ciclo.

Método según la reivindicación 1,

caracterizado porque

las señales de control de conmutación se envían con un tiempo de ciclo que es igual a o menor que el tiempo muerto del al menos un dispositivo (35) de conmutación activo.

Método según la reivindicación 1 o la reivindicación 2,

caracterizado porque

el mensaje de control contiene información de sincronismo que define los tiempos dentro de un tiempo de ciclo en los que el estado de conmutación contenido en el mensaje de control debe aplicarse al al menos un dispositivo (35) de conmutación activo en el módulo convertidor respectivo, en el que la información de sincronismo tiene una resolución de tiempo que es mayor que el tiempo de ciclo.

Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3,

caracterizado porque

el estado de conmutación que va a aplicarse al al menos un dispositivo (35) de conmutación activo de un módulo (27) convertidor está contenido al menos por triplicado en un mensaje de control, y se aplica un algoritmo de votación por mayoría al estado de conmutación triplicado para determinar el estado de conmutación real que va a aplicarse al al menos un dispositivo (35) de conmutación activo.

Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4,

caracterizado porque

- cada mensaje de control también contiene un código CRC;

- se realiza una comprobación CRC en cada mensaje de control; y

- el estado de conmutación contenido en el mensaje de control no se aplica al al menos un dispositivo (35) de conmutación activo del módulo (27) convertidor respectivo si falla la comprobación CRC.

Método según la reivindicación 4 o la reivindicación 5,

caracterizado porque

el estado de conmutación contenido en un mensaje de control que sigue a un número máximo predeterminado de mensajes de control para los que ha fallado la comprobación CRC o votación por mayoría, respectivamente, se aplica al al menos un dispositivo (35) de conmutación activo si la comprobación CRC o votación por mayoría, respectivamente, para dicho siguiente mensaje de control es

8.

9.

11.

12.

satisfactoria.

Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque

se usa transmisión de datos de dúplex completo para transmitir la señal de control de conmutación al al menos un módulo (27) convertidor.

Sistema de control para controlar la conversión de una potencia de entrada en una potencia de salida para al menos un módulo (27) convertidor que comprende al menos un terminal de potencia de entrada, al menos un terminal de potencia de salida, y para cada terminal de potencia de salida al menos un dispositivo (35) de conmutación activo conectado entre un terminal de potencia de entrada y el terminal de potencia de salida respectivo, controlando el sincronismo de la conmutación del al menos un dispositivo (35) de conmutación activo, comprendiendo el sistema de control un controlador (33) maestro y, para cada módulo convertidor controlado por el controlador (33) maestro, un enlace (40) de comunicación que interconecta el controlador (33) maestro y el módulo (27) convertidor respectivo;

caracterizado por

- un generador (45) de sincronismo que genera una señal de sincronismo que tiene un tiempo de ciclo igual a o menor que la constante de tiempo más corta de los módulos (27) convertidores y los elementos de circuito de potencia inmediatos en relación con el módulo (27) convertidor respectivo usado, estando el generador (45) de sincronismo integrado en o interconectado con el controlador (33) maestro;

- un generador (46) de señales, integrado en o interconectado con el controlador (33) maestro, que genera señales de control de conmutación, conteniendo cada señal de control de conmutación un mensaje de control que define un estado de conmutación para el al menos un dispositivo (35) de conmutación activo en un módulo (27) convertidor interconectado con el controlador (33) maestro, siendo la duración de cada mensaje de control igual a o menor que el tiempo de ciclo;

y porque

- los enlaces (40) de comunicación son enlaces de comunicación en serie.

Sistema de control según la reivindicación 8,

caracterizado porque

los enlaces (40) de comunicación son enlaces de dúplex completo.

Sistema de control según la reivindicación 8 o la reivindicación 9, caracterizado porque

están presentes al menos dos módulos (21_1, 27_2, 27_3) convertidores que están conectados en paralelo o en serle, en el que cada módulo (27_1, 27_2, 27_3) convertidor comprende al menos un terminal de potencia de entrada, al menos un terminal de potencia de salida, para cada terminal de potencia de salida al menos un dispositivo (35) de conmutación activo conectado entre un terminal de potencia de entrada y el terminal de potencia de salida respectivo.

Sistema de control según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque

cada módulo (27) convertidor comprende un terminal de CC de alta tensión y un terminal de CC de baja tensión como terminales de potencia de entrada o terminales de potencia de salida, al menos dos terminales de CA como terminales de potencia de salida o terminales de potencia de entrada, respectivamente, y, para cada terminal de CA, al menos un dispositivo (35_U) de conmutación activo superior conectado entre el terminal de alta tensión de CC y el terminal de tensión de CA respectivo, y al menos un dispositivo (35_L) de conmutación activo inferior conectado entre el terminal de baja tensión de CC y dicho terminal de tensión de CA respectivo.

Sistema de control según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11,

caracterizado porque

- el generador (46) de señales genera el mensaje de control por triplicado; y

- un módulo (49) de votación que ejecuta un algoritmo de votación por mayoría sobre un mensaje de control recibido está presente en cada módulo (27) convertidor interconectado con el controlador (33) maestro.

Sistema de control según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, caracterizado porque

- el generador (46) de señales comprende un generador de códigos CRC para generar, para cada mensaje de control, un código CRC y para añadir el código CRC generado al mensaje de control respectivo; y

- un módulo (51) de comprobación CRC que realiza una comprobación CRC en cada mensaje de control recibido está presente en cada módulo (27) convertidor interconectado con el controlador (33) maestro, bloqueando dicho módulo (51) de comprobación CRC la aplicación del estado de conmutación contenido en el mensaje de control al al menos un dispositivo (35) de conmutación activo del módulo (27) convertidor respectivo en caso de que falle la comprobación CRC recibida.

Sistema de control según la reivindicación 12 o la reivindicación 13,

caracterizado porque

el estado de conmutación contenido en un mensaje de control que sigue a un número máximo predeterminado de mensajes de control para los que ha fallado la comprobación CRC o votación por mayoría, respectivamente, se aplica al al menos un dispositivo (35) de conmutación activo si la comprobación CRC o votación por mayoría, respectivamente, para dicho siguiente mensaje de control es satisfactoria, o de lo contrario el módulo (27) convertidor respectivo se establece en un estado de fallo.

Convertidor de potencia, que comprende

- al menos un terminal de potencia de entrada,

- al menos un terminal de potencia de salida,

- para cada terminal de potencia de salida, al menos un módulo (27) convertidor que comprende al menos un dispositivo (35) de conmutación activo conectado entre un terminal de potencia de entrada y el terminal de potencia de salida respectivo, y

- un sistema de control para controlar la conversión de potencia; caracterizado porque

el sistema de control es un sistema de control según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 14.