Lazo de control para corregir el desequilibrio de las tensiones elementales de convertidores estáticos multinivel de más de tres niveles.

Se presenta una estrategia de control en lazo cerrado para corregir el desequilibrio de las tensiones elementales de convertidores estáticos multinivel de cuatro o más niveles, y una o más fases.

A partir de los valores sensados de las tensiones de los condensadores que permiten el acceso a los distintos niveles de tensión (y, en determinados casos, de las corrientes de fase), el control determina una acción de perturbado de las relaciones de servicio de fase que permite recuperar el equilibrio.

El control propuesto es aplicable a cualquier sistema que incorpore un convertidor estático de más de tres 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

Lazo de control para corregir el desequilibrio de las tensiones elementales de convertidores estáticos multinivel de más de tres niveles.

Sector de la técnica

Hardware electrónico para sistemas eléctricos y electrónicos de potencia.

Estado de la técnica

Las técnicas de conversión multinivel han abierto una puerta a avances en la tecnología de conversión de energía eléctrica. Para una tecnología concreta de semiconductores, estas técnicas permiten una mayor capacidad de potencia por convertidor, una mayor eficiencia y menor distorsión armónica. Entre las diferentes topologías multinivel propuestas, aquellas en las que se generan los múltiples niveles de tensión pasivamente a través de un conjunto de condensadores (por ejemplo, las topologías "diode-clamped") son especialmente interesantes debido a su simplicidad. Pero estas topologías (en especial para el caso trifásico) presentan el problema de garantizar el equilibrado de las tensiones de los condensadores para que los dispositivos soporten la misma tensión y se obtengan buenas características de funcionamiento del sistema.

Varios estudios se han centrado en resolver el problema del equilibrado de las tensiones de los condensadores de estos convertidores multinivel definiendo estrategias de modulación y lazos de control adecuados. Pero las soluciones propuestas son incapaces de controlar el equilibrado (corregir desequilibrios y mantener equilibrio) de las tensiones de los condensadores para ciertas condiciones de operación del convertidor, sobre todo a medida que el número de niveles aumenta. Para garantizar el equilibrado en un mayor rango de condiciones de operación, en la literatura se propone añadir circuitos adicionales específicamente diseñados con este propósito, añadir una rama adicional al convertidor, o bien conectar dos convertidores multinivel en configuración "back-to-back".

Descripción

Se define un sistema de control para convertidores estáticos multinivel de una o más fases. La invención se describe en el caso particular de un sistema trifásico, por ser éste especialmente relevante. La extensión de la misma a otro número de fases es inmediata.

Principio de equilibrado

La Figura 1 presenta un esquema funcional de un convertidor de n niveles trifásico. Se presenta un bus de corriente continua (cc) de tensión V_cc al que se conecta una asociación serie de n-1 elementos capacitivos o condensadores. En cada instante de tiempo, cada una de las tres fases (a, b y c) se conecta a uno de los puntos de conexión del bus de cc (1, 2,..., n) mediante el control de los interruptores de n posiciones S_a, S_b, y S_c. Clasificamos los puntos de conexión del bus de cc en dos grupos: externos (1 y n) e internos (2, 3,..., n-1).

La diferencia de tensión entre dos puntos consecutivos del bus de cc se designa como tensión elemental. Estas tensiones elementales son, en la Figura 1, las tensiones de los condensadores del bus de cc: v_C1, v_C2, ..., v_Cn-1. La condición de equilibrio de estas tensiones se puede formular:

También se podría considerar como condición de equilibrio cualquier otra relación entre estas tensiones. Es decir:

Pero por ser el caso más típico, consideraremos en la descripción la relación descrita en la ecuación (1).

Las corrientes i_j, (j = 2, 3,..., n-1) que circulan desde los puntos internos del bus de cc afectan al equilibrio de las tensiones de los condensadores. Parte de la corriente i_j circula a través de los n-j condensadores superiores y la otra parte a través de los j-1 condensadores inferiores, tal como se muestra en la Figura 2. Esto provoca la variación de las tensiones parciales del bus de cc v_nj y v_j1:

Gracias a esta propiedad, podemos extraer/inyectar una corriente i_j para forzar que las tensiones parciales asociadas alcancen su correspondiente condición de equilibrio:

Cumplir la condición (4) para j = 2, 3,..., n-1 es equivalente a cumplir la condición (1). Por lo tanto, cumplir la condición (4) para todos los puntos internos del bus de cc garantiza el equilibrado de todas las tensiones de los condensadores del bus de cc.

Control de equilibrado

En el control de un convertidor estático como el de la Figura 1, el tiempo se considera dividido en porciones consecutivas de duración T_s segundos, siendo T_s típicamente un valor constante. Cada una de estas porciones de tiempo se denomina ciclo de conmutación. En cada ciclo de conmutación, cada una de las fases se conecta sucesivamente a los distintos puntos del bus de cc, de acuerdo con una secuencia predeterminada y con una duración definida por los valores de las relaciones de servicio ("duty ratio") calculadas para ese ciclo de conmutación. La relación de servicio de la fase x (x in {a, b, c}) respecto al punto del bus de cc y (y in {1, 2,..., n}) se define como:

donde T_xy, es el tiempo que la fase x se conecta al punto y en el ciclo de conmutación considerado.

La Figura 3 muestra la estructura del control de equilibrado propuesto, consistente en n-2 lazos de control. Las n-1 tensiones sensadas de los condensadores del bus de cc se utilizan para calcular los n-2 valores de desequilibrio correspondientes a cada punto interno. Los valores de desequilibrio son entonces procesados por un compensador y un limitador. Las variables p_j resultantes indican el esfuerzo de control necesario, extrayendo/inyectando corriente desde/en el punto j del bus de cc, para recuperar el equilibrio. Esta información se envía al modulador junto con el índice de modulación (m in [0, 1]) y el ángulo del ciclo de línea ? (caso de salida en corriente alterna) para generar las relaciones de servicio de la conexión de cada fase a cada uno de los puntos del bus de cc, en cada ciclo de conmutación.

El valor de estas relaciones de servicio de fase se puede obtener con cualquier modulación base en función de m y ?. Para extraer/inyectar corriente desde/en el punto del bus de cc j podemos entonces perturbar d_xj:

Como resultado, una corriente promedio adicional de valor ?d_xj•i_x será extraída/inyectada desde/en el punto j en el ciclo de conmutación correspondiente.

Pero tenemos que modificar como mínimo una relación de servicio adicional de la fase x para verificar la condición necesaria:

Para evitar afectar la acción de equilibrado de otros lazos de control, sólo podemos perturbar las relaciones de servicio de fase externas d_x1 y/o d_xn. Por otra parte, para no afectar las tensiones línea a línea resultantes al introducir la perturbación, la variación del promedio en cada ciclo de conmutación de las tensiones de fase con respecto a la tensión del punto del bus de cc 1 tiene que ser igual. Esta condición se puede expresar matemáticamente como:

donde v_x1 es el valor promedio en cada ciclo de conmutación de la diferencia de tensión entre la fase...

1. Una estrategia de control en lazo cerrado para corregir el desequilibrio de las tensiones elementales (tensiones de los condensadores del bus de corriente continua) de convertidores estáticos multinivel de cuatro o más niveles y con una o más fases de salida, caracterizada por contener n-2 lazos de control (n: número de niveles) en los se genera una acción de control en función del desequilibrio existente entre las dos tensiones parciales asociadas a cada punto interno del bus de corriente continua. Cada una de las n-2 acciones de control asociadas a cada punto interno del bus de corriente continua se realiza perturbando la relación de servicio interna correspondiente a cada lazo de control y una o dos de las dos relaciones de servicio externas por fase.

2. Una estrategia de control en lazo cerrado para corregir el desequilibrio de las tensiones elementales de convertidores estáticos multinivel de cuatro o más niveles según reivindicación 1, caracterizada porque se perturban las tres relaciones de fase posibles para cada lazo de control y fase, la perturbación de las relaciones de servicio se efectúa sin generar variación de las tensiones promedio en cada ciclo de conmutación de cada fase respecto al punto de menor tensión del bus de corriente continua y de forma independiente para cada fase.

3. Una estrategia de control en lazo cerrado para corregir el desequilibrio de las tensiones elementales de convertidores estáticos multinivel de cuatro o más niveles según reivindicación 1, caracterizada porque para cada lazo de control, en la fase por la que circula la mayor corriente en valor absoluto se perturba la relación de servicio interna correspondiente y la externa del punto del bus de corriente continua más cercano. En las otras dos fases se perturba la relación de servicio interna correspondiente y la relación de servicio externa del punto del bus de corriente continua más alejado.

4. Una estrategia de control en lazo cerrado para corregir el desequilibrio de las tensiones elementales de convertidores estáticos multinivel de cuatro o más niveles según reivindicación 1, caracterizada porque la acción de control se interpreta como una variación de las tensiones promedio en cada ciclo de conmutación de cada fase respecto al punto de menor tensión del bus de corriente continua, que se realiza perturbando, en cada lazo de control y para cada fase, la relación de servicio interna correspondiente y una o dos de las externas.