Modulador adaptativo híbrido para convertidores de tres niveles.

El modulador adaptativo híbrido (6) se aplica a un convertidor (15) NPC que tiene un bus de continua (14) con un punto neutro (NP), comprendiendo:

- un generador base (1) de modulación DSPWM configurado para generar al menos dos señales moduladoras iniciales (2),

- un generador híbrido (3) de modulación híbrida conectado al generador base (1) y configurado para generar las señales moduladoras finales (5) modificando la amplitud máxima de las oscilaciones del voltaje (V{sub,bus}) en el punto neutro (NP),

- un limitador de amplitud (4) de las señales moduladoras finales (5), que puede conectarse al convertidor (15) mediante un generador de señales digitales (11).

El generador híbrido (3) adapta la modulación híbrida con un simple cambio de un parámetro de control (D) que puede seleccionarse (10) de forma manual (10A) o automática (10B), calculado en este último caso por un controlador (8) empleando técnicas lineales ono lineales

Modulador adaptativo híbrido para convertidores de tres niveles.

Campo técnico de la invención

La invención que se describe está relacionada, de forma general, con la electrónica de potencia, y de forma más particular, se refiere a un modulador PWM aplicable a convertidores multinivel NPC ("Neutral Point Clampled", en inglés), referentemente a convertidores NPC, que tienen su ámbito de aplicación en los sistemas de gran potencia, en especial para accionamientos de motores, sistemas de mejora de la calidad de potencia y más recientemente en sistemas de energía eólica.

Antecedentes de la invención

Los convertidores multinivel se han consolidado como una opción competitiva para la conversión de energía en el rango de media-alta potencia, tanto desde el punto de vista técnico como económico. En los últimos años se ha experimentado un incremento significativo del número de aplicaciones donde la conversión de energía se realiza con convertidores multinivel. Actualmente, la energía eólica se viene conectando a la red eléctrica mediante tecnología basada en convertidores DC/AC, en algunos casos mediante estructuras multinivel, de los que se distinguen tres topologías básicas: Convertidor con Fijación por Diodos ("Diode-Clamped Converter", en inglés), Convertidor con Capacidades Flotantes ("Flying-Capacitor Converter", en inglés) y Convertidor multinivel con inversores de puente en H de dos niveles conectados en cascada ("Cascaded Full-Bridge Converter", en inglés).

De estas tres topologías de convertidores multinivel la más ampliamente estudiada y aplicada es la fijación por diodos, y dentro de ésta, considerando que la complejidad del convertidor aumenta con el número de niveles y llegando a un compromiso óptimo con la tecnología actual, el NPC de tres niveles resulta la opción habitual. La Figura 1 muestra un circuito convertidor NPC de tres niveles; en este circuito, se define un punto medio (NP) que es el Punto Neutro del bus de continua ("Neutral Point", en inglés). La tensión del bus de continua V_bus puede dividirse mediante dos capacidades (C1, C2). La tensión de salida del circuito para cada fase (v_a, v_b, v_c), que se mide con respecto al Punto Neutro (NP) puede adoptar tres niveles de tensión diferentes: V_bus/2, 0 y - V_bus/2.

Conectado al convertidor, se utiliza un dispositivo modulador encargado de suministrar las señales moduladoras adecuadas para cada fase del sistema trifásico del convertidor NPC. El resultado de comparar las señales moduladoras con unas señales triangulares o portadoras determina el estado apagado/encendido "on/off" de los elementos de potencia del convertidor. El modulador está diseñado para calcular los tiempos de estado "on/off" de cada elemento de potencia, de modo que, el modulador debe conseguir que en la salida del convertidor estático aparezca un conjunto de tensiones trifásicas cuyas componentes fundamentales sean las definidas por el control. Asimismo se persigue conseguir características tales como baja distorsión armónica en las salidas, mínimas pérdidas de conmutación y la eliminación total o parcial de las oscilaciones de tensión en el Punta Neutro (NP) del bus de continua.

Hoy en día, existen diferentes técnicas de modulación que permiten conmutar los elementos de potencia con el fin de obtener un correcto funcionamiento de los convertidores estáticos. En particular, según la estrategia de conmutación elegida, es posible conseguir que las oscilaciones de baja frecuencia en el punto NP de los convertidores NPC de tres niveles tengan mayor o menor amplitud y que las pérdidas de conmutación sean mayores o menores. Se han clasificado las estrategias de modulación en dos grandes bloques en función de la frecuencia de conmutación de los interruptores: de baja frecuencia y de alta frecuencia.

Con carácter general, las estrategias de conmutación de alta frecuencia son las más empleadas. A su vez, éstas se pueden clasificar en modulaciones basadas en portadora y en modulaciones vectoriales. Referente a las basadas en portadora o modulación SPWM ("Sinusoidal Pulse-Width Modulation", en inglés), se caracterizan por su simplicidad y buenos resultados. Su principio de funcionamiento se basa en la comparación entre señales de referencia sinusoidal (con o sin superposición de una componente homopolar) y una señal portadora triangular de mayor frecuencia. En el caso particular de convertidores multinivel, normalmente existe un número de portadoras triangulares igual al número de niveles del convertidor menos uno. Por tanto, en el caso del convertidor NPC de tres niveles se utilizan dos señales portadoras.

Una técnica concreta de modulación de alta frecuencia basada en portadoras es la que utiliza dos señales moduladoras por cada fase, conocida como modulación DSPWM "Double-Signal Pulse-Width Modulation", en inglés) [ver "Fast-processing modulation strategy for the neutral-point-clamped converter with total elimination of the low-frequency voltage oscillations in the neutral point," de J. Pou et al., IEEE Industrial Electronics conference (IECON'05), pp. 1054-1059 Raleigh, NC, USA, Nov. 6-10, 2005.]. Esta modulación, tiene la capacidad de eliminar completamente las oscilaciones de tensión de baja frecuencia del punto NP. El algoritmo esta basado en dos portadoras, no siendo necesario realizar cálculos de ángulos y razones trigonométricas complejas. Esta estrategia consigue eliminar intrínsecamente las oscilaciones de baja frecuencia en el NP imponiendo cero al valor medio de la corriente en el NP calculado sobre cada ciclo de trabajo. Además hace un tratamiento muy simple de las señales moduladoras, espectacularmente fácil de implementar. Sin embargo, el gran inconveniente de esta técnica es el hecho de que aumenta la frecuencia de conmutación media de los transistores del convertidor en un 33% respecto a la modulación SPWM.

Descripción de la invención

La presente invención viene a resolver la problemática anteriormente expuesta, constituyendo un modulador adaptativo híbrido para convertidores multinivel del tipo NPC, de construcción sencilla y compacta, que es versátil porque ofrece la posibilidad de cambiar en línea ("on-line") y de una forma simple la técnica de modulación que es apropiada aplicar a este convertidor multinivel.

Es pues un objeto de la invención permitir variar, de forma automática o manualmente, las señales moduladoras a aplicar a un convertidor multinivel, proporcionando en un mismo modulador diversas técnicas de modulación.

Asimismo, es objeto de la invención priorizar al menos uno de los criterios de calidad de la señal de salida que se seleccionan entre la reducción de pérdidas de conmutación del convertidor multinivel, minimización de las oscilaciones de tensión en el Punto Neutro (NP) del bus de continua o un balance entre ambos criterios.

También otro objeto de la invención es controlar la amplitud máxima de las oscilaciones del voltaje en el NP o tensión del bus de continua (V_bus), para poder dimensionar en la fase de diseño del convertidor multinivel los componentes (transistores, diodos y condensadores) que garanticen que dicho convertidor es capaz de soportar la tensión máxima establecida por el diseñador.

La modulación que toma como base de partida el modulador que aquí se propone es la DSPWM. Teniendo en cuenta que la modulación DSPWM se caracteriza por la eliminación total de las oscilaciones en el NP del bus de continua, como se ha comentado anteriormente, se concibe aquí una modulación híbrida que permite modificar las señales moduladoras generadas por la técnica DSPWM de forma que, a costa de permitir oscilaciones en el NP, disminuye las pérdidas de conmutación.

Para cualquier condición de trabajo del convertidor, este modulador es capaz de limitar a un valor determinado la amplitud de las oscilaciones de tensión en el NP del bus de continua, de una manera fácil: a partir de una variable de control continua, que de aquí en adelante se designa con la letra D.

Así, aparte de la ya conocida modulación DSPWM, el modulador de la invención proporciona esta modulación híbrida que genera una mezcla o combinación de técnicas de modulación que hace posible encontrar un compromiso óptimo entre reducir las pérdidas de conmutación del convertidor y minimizar las oscilaciones en el NP. El modulador comprende, entre otros, los siguientes elementos:

- Un generador base de modulación DSPWM configurado para generar al menos dos señales moduladoras iniciales.

 

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Reivindicaciones:

1. Modulador adaptativo híbrido (6) para convertidores (15) de tres niveles NPC que presentan un bus de continua (14) en una entrada con un punto neutro (NP) de voltaje total de bus de continua (V_bus) y que presentan al menos un punto de salida (a, b, c) por cada fase eléctrica de voltaje de salida (v_a, v_b, v_c), caracterizado porque comprende:

- un generador base (1) de modulación DSPWM configurado para generar en una salida dos señales moduladoras iniciales (2) por cada fase;

- un generador híbrido (3) de modulación híbrida conectado a dicha salida del generador base (1) y configurado para generar en una salida las señales moduladoras finales (5) a partir de las al menos dos señales moduladoras iniciales (2), modificando la amplitud máxima de las oscilaciones del voltaje (V_bus) en el punto neutro (NP) a partir de un parámetro de control (D), con el que calcula para cada fase eléctrica unas amplitudes de tensión (Av_in, Av_ip) a la entrada del convertidor (15) para limitar las oscilaciones del voltaje (V_bus) en el punto neutro (NP) de acuerdo a la siguiente expresión:

siendo m un índice de modulación aplicado por el generador base (1), correspondiendo D = 0 a modulación DSPWM y D= 1 a modulación SPWM e indicando con un subíndice i cada fase eléctrica, y

v_in y v_ip son respectivas señales moduladoras para cada fase que, junto con las amplitudes de tensión (Av_in, Av_ip) calculadas, el generador híbrido (3) aplica para generar a la salida unas nuevas moduladoras v_{in_final} y v_{ip_final} para cada fase eléctrica dadas por la expresión: 104

- un limitador de amplitud (4) de las señales moduladoras finales (5) conectado a dicha salida del generador híbrido (3).

2. Modulador según reivindicación 1, caracterizado porque adicionalmente comprende un dispositivo de selección (10) conectado a una entrada del generador híbrido (3) a través de la que se entrega un valor del parámetro de control (D) determinado por un medio manual (10A) o automático (10B) elegido mediante el dispositivo de selección (10).

3. Modulador según reivindicación 2, caracterizado porque adicionalmente comprende un calculador de amplitud (7) de las oscilaciones del voltaje (V_bus) en el punto neutro (NP) y un controlador (8) cuya salida está conectada al medio automático (10B) del dispositivo de selección (10), dotado dicho controlador (8) de dos entradas, que son una primera entrada para una tensión de referencia (V_ref) y una segunda entrada conectada al calculador de amplitud (7) configurado para generar una salida de tensión (Ao), estando el controlador (8) configurado para comparar dicha salida de tensión (Ao) con la tensión de referencia (V_ref) y determinar el valor del parámetro de control (D) en función de dicha comparación.

4. Modulador según reivindicación 3, caracterizado porque el controlador (8) determina el valor del parámetro de control (D) mediante una técnica de control lineal o no lineal.

5. Modulador según cualquiera de las reivindicaciones 3 y 4, caracterizado porque adicionalmente comprende un bloque sensor (12) conectado a una entrada del calculador de amplitud (7) configurado para medir la amplitud de las oscilaciones del voltaje (V_bus) en el punto neutro (NP).

6. Modulador según reivindicación 5, caracterizado porque el bloque sensor (12) comprende al menos un sensor de tensión (S4, S5) adaptado para entregar en una salida (13) al menos una señal de tensión (v_c1, v_c2) que corresponde a un voltaje de al menos un condensador (C1, C2) del bus de continua (14) del convertidor (15).

7. Modulador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque adicionalmente comprende un generador de señales digitales (11) conectado por una entrada al limitador de amplitud (4) y en una salida al convertidor multinivel (15), para conmutar según las señales moduladoras finales (5) unos elementos de potencia que componen dicho convertidor (15).

 

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