Compensador de equilibrado de las tensiones de los condensadores del bus de continua en un convertidor de potencia de tres niveles.

La presente investigación consiste en un sistema de compensación para el equilibrado de tensiones de los condensadores en el convertidor de tres niveles del tipo de fijación de diodos (NPC: Neutral-Point-Clamped converter). Este sistema de compensación está basado en proporcionar una señal de offset o componente homopolar añadida a las señales moduladoras del sistema trifásico del convertidor. Como consecuencia de la modificación de las moduladoras, cambiarán los estados on/off de los dispositivos de potencia permitiendo, con un control adecuado, equilibrar las tensiones de los condensadores del bus de continua. El compensador se encargara de equilibrar las tensiones del bus de continua de la forma más óptima, independientemente del punto de trabajo del sistema y sin aumentar las pérdidas de conmutación ni distorsionar las tensiones de salida del convertidor

Compensador de equilibrado de las tensiones de los condensadores del bus de continua en un convertidor de potencia de tres niveles.

Ámbito de la invención

La presente invención está relacionada, de forma general, con la electrónica de potencia, y de forma más particular, en compensar las tensiones de los condensadores del bus de continua en los convertidores de tres niveles NPC. Este tipo de convertidores son muy utilizados en aplicaciones de gran potencia, especialmente en accionamientos de motores y más recientemente en generadores eólicos.

Descripción del estado actual del arte

Un compensador o controlador de las tensiones de los condensadores del bus de continua en un convertidor de tres niveles NPC, consiste en un sistema diseñado para equilibrar o igualar las tensiones en el bus de continua. De este modo el compensador debe regular dichas tensiones a un valor igual a la mitad de la tensión total del bus y resolver uno de los principales problemas de esta topología.

La modulación consiste en hacer conmutar adecuadamente los dispositivos de potencia del convertidor. Existen diversas técnicas de modulación aplicables a los convertidores estáticos. En el caso del convertidor de tres niveles NPC, y para las técnicas de modulación habituales, pueden aparecer oscilaciones de baja frecuencia en el punto neutro dependiendo de las condiciones de trabajo del convertidor. En la actualidad hay diversas técnicas de modulación que eliminan totalmente estas oscilaciones [5], [6]. Sin embargo estas técnicas no proveen de equilibrado natural de las tensiones de los condensadores, por lo que resulta necesario diseñar un sistema de compensación.

Existen diferentes técnicas de compensación, pero no todas son válidas para todos los tipos de modulaciones. De este modo el tipo de modulación elegida establecerá la técnica o estrategia de compensación para poder controlar el equilibrado de las tensiones de los condensadores del bus de continua. Toda compensación implica una actuación sobre el sistema modulador.

Referencias

[1] A. Nabae, I. Takahashi, and H. Akagi, "A new neutral-point-clamped PWM inverter", IEEE Trans. Indus. Applicat., vol. IA-17, no. 5, pp. 518-523, Sep./Oct. 1981.

[2] N. Celanovic and D. Boroyevich, "A fast space-vector modulation algorithm for multilevel three-phase converters", IEEE Trans. Indus. Applicat., vol. 37, no. 2, pp. 637-641, March/April 2001.

[3] J. Pou, R. Pindado, D. Boroyevich, and P. Rodríguez, "Evaluation of the low-frequency neutral-point voltage oscillations in the three-level inverter", IEEE Trans. Power Electron., vol. 56, no. 6, pp. 1582-1588, Dec. 2005.

[4] J. Pou, R. Pindado, D. Boroyevich, and P. Rodríguez, "Effects of imbalances and nonlinear loads on the voltage balance of a neutral-point-clamped inverter", IEEE Trans. Power Electron., vol. 20, no. 1, pp. 123-131, Jan. 2005.

[5] S. Busquets-Monge, J. Bordonau, D. Boroyevich, and S. Somavilla, "The nearest three virtual space vector PWM-A modulation for the comprehensive neutral-point balancing in the three-level NPC inverter", IEEE Power Electronics Letters, vol. 2, no. 1, pp. 11-15, March 2004.

[6] J. Pou, P. Rodríguez, J. Zaragoza, S. Ceballos, V. Sala, R. Burgos, and D. Boroyevich, "Fast-processing modulation strategy for the neutral-point-clamped converter with total elimination of the low-frequency voltage oscillations in the neutral point", IEEE Industrial Electronics conference (IECON'05), Nov. 6-10, 2005, Raleigh, NC, USA, pp. 1054-1059.

Sumario de la invención

Para conseguir que la tensión del punto neutro (NP: Neutral Point) en un convertidor NPC se mantenga estable y no evolucione, se debe conseguir un valor medio nulo para la corriente en el NP calculada sobre cada ciclo de muestreo o conmutación [5], [6]. De esta forma se eliminan todas las posibles oscilaciones de tensión de baja frecuencia. A pesar de ello, y dada la inexistencia de equilibrado natural, debe proveerse de algún lazo de realimentación para conseguir la tendencia al equilibrado y evitar derivas indeseadas para estas tensiones. Sería deseable disponer de un sistema de compensación que equilibrase las tensiones lo más rápidamente posible y garantizando su estabilidad.

Atendiendo a la materialización de la invención, el método de compensación consiste en la inyección de una cantidad de corriente determinada en el NP. Esto es factible mediante el cálculo de un nivel/amplitud de tensión de offset, que aplicado a las señales trifásicas del modulador, producirá un aumento/disminución del tiempo de conexión de cada una de las fases en el NP. Esto produce una carga/descarga de las tensiones de los condensadores del bus de continua. Las variables fundamentales del compensador aquí presentado son el error en las tensiones de los condensadores del bus de continua, los valores instantáneos y extrapolados al siguiente ciclo de conmutación (k+1) de las corrientes de la carga, los ciclos de trabajo de las señales moduladoras y la corriente instantánea promediada extrapolada en (k+1) en el NP del bus del convertidor estático.

A continuación se describirán de forma detallada las relaciones de la presente investigación en base a los dibujos adjuntos, en los cuales:

La figura 1 muestra a modo de ejemplo aclaratorio, el esquema de una aplicación particular del compensador de las tensiones del bus de continua en un convertidor estático.

La figura 2 muestra con detalle el convertidor estático del tipo NPC de tres niveles en el que se ha aplicado el compensador.

La figura 3 muestra con detalle los elementos del bus de continua con el punto de inyección de corriente para la compensación.

La figura 4 muestra la forma de onda de la moduladora de una de las fases del sistema modulador que garantiza una corriente media cero calculada en un ciclo de conmutación.

La figura 5 muestra con detalle las entradas del limitador final con un ejemplo gráfico para dos índices de modulación diferentes.

La figura 6 muestra los resultados experimentales de la compensación de varios desequilibrios de las tensiones de los condensadores del bus de continua.

La figura 7 muestra resultados experimentales de la utilización de un bloque limitador en el compensador de esta invención.

Las variables de entrada del primer bloque del compensador (12) del calculador de desequilibrio/signo final de offset (1), corresponden a las tensiones de los condensadores del bus de continua (14). Estas son medidas mediante unos sensores de tensión (7), donde las señales de lectura de estos (8) corresponden a las dos variables de entrada del bloque (1). Mediante la diferencia de las entradas de señal de tensión se calcula el valor de desequilibrio. Otras entradas corresponden a las corrientes de la carga (16) del convertidor estático (15). Estas son medidas mediante unos sensores de corriente (9), donde las señales de lectura de estos (10) corresponden a las otras tres entradas del bloque (1). Mediante un algoritmo se calcula el signo final del offset del compensador. La salida del error de equilibrado corresponde a la entrada del bloque (2) que mediante un algoritmo calcula el valor de la corriente promediada en el NP del bus de continua. Para el cálculo de los ciclos de trabajo actuales en el modulador (13), se utiliza un algoritmo adecuado en el bloque (3). El bloque (4) mediante las entradas de las señales de las corrientes de carga, calcula el valor instantáneo extrapolado en (k+1) de estas. Finalmente, el bloque más importante de este compensador es el calculador de las amplitudes de offset de cada fase del sistema (5), donde mediante un algoritmo se calcula este valor final. Las variables de entrada de éste son las correspondientes salidas de los bloques (2), (3), y (4).

Este compensador incorpora un limitador de offset. Este limitador restringe la señal de offset en función del índice de modulación (amplitud de las moduladoras), garantizando la estabilidad del sistema y con velocidad máxima de equilibrado. En este bloque también se le da el signo adecuado al valor de offset calculado en el bloque (5). Cabe destacar, que la asignación del signo del offset final no tiene por que ser asignado en el bloque limitador, pudiendo...

1. Un compensador para los desequilibrios de las tensiones de los condensadores en el bus de continua de un convertidor multinivel NPC que comprende:

2. Un compensador según reivindicación 1, caracterizado en que el limitador adaptativo donde es limitada tensión/amplitud del offset para el modulador en función del índice de modulación de las señales moduladoras asigna también en su salida el signo de la variable de compensación.

3. Un compensador según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado en que el calculador de nivel de compensación se base o implemente utilizando conjuntamente el valor instantáneo de las corrientes de carga de cada fase, el error de desequilibrio de los condensadores, corriente promediado en el punto neutro y ciclos de trabajo del modulador.

4. Un compensador según reivindicaciones 1, 2 y 3, caracterizado en que el calculador de nivel de compensación se implementa con los valores de las corrientes de carga de cada fase y corriente promediado en el punto neutro con sus valores en (k+1), donde k corresponde al valor de la muestra actual leída por los sensores de corriente correspondientes. Siendo en este caso (k+1) los valores que deberían tomar las corrientes de cada fase y corriente promedio en el siguiente ciclo de trabajo del compensador.

5. Un compensador según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado en que el limitador de offset adaptativo limita los valores de compensación del calculador de nivel de compensación en función del índice de modulación y de las moduladoras de cada fase.

6. Un compensador según reivindicaciones 1, 2 y 5, caracterizado en que el limitador de offset adaptativo limita los valores de compensación o señal de control de un controlador lineal o no lineal en función del índice de modulación y con el propósito de compensar los desequilibrios del bus de continua.

7. Un compensador según reivindicaciones 1, 2, 5 y 6, caracterizado en que el limitador de offset adaptativo, limita los valores de compensación por debajo del índice de modulación en que esté trabajando el convertidor.

8. Un compensador según reivindicaciones 1 a 7, para convertidores de tres niveles del tipo NPC.