DISPOSICION DE CONVERTIDORES O INVERSORES MULTINIVEL DE POTENCIA QUE UTILIZA PUENTES H.

Disposición de tensión de múltiples niveles que tiene un transformador y un convertidor o inversor de energía que comprende uno o más enlaces de CC comunes que se pueden conectar a una fuente de energía,

comprendiendo dicha disposición una primera serie de puentes H que están conectados a dicho enlace de CC común, en la que cada uno de dichos puentes H comprende al menos dos nodos conectados a los extremos de cableados en el lado primario de un transformador, en la que unos medios de control están configurados para controlar los puentes H para conseguir una señal de tensión de múltiples niveles entre el primer nodo y el segundo nodo de dichos puentes H.

DISPOSICION DE CONVERTIDORES O INVERSORES MULTINIVEL DE POTENCIA QUE UTILIZA PUENTES H

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a una topología

de convertidores multinivel de potencia y a una

disposición para generadores, preferiblemente para

aplicaciones en turbinas eólicas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Se conocen varios convertidores de fuente de tensión para la utilización de topologías de puentes H. Los puentes H se utilizan para obtener formas de ondas de múltiples niveles. Los puentes H se activan mediante una pluralidad de diferentes células de conmutación. Los estados abierto y cerrado de dichos conmutadores determinan la tensión de salida para un bobinado de carga conectada a los mismos. Sin embargo, su utilización está limitada a aplicaciones en sistemas de conversión CC/CC o aplicaciones de CA de fase única.

Se conocen aplicaciones de tres fases que tienen topologías de puentes H y arquitecturas que utilizan transformadores de aislamiento de lado CA para aplicaciones relacionadas con filtros activos en serie, restauradores de tensión dinámicos y compensadores sincrónicos estáticos (statcom) .

Estas aplicaciones se han descrito en varias divulgaciones. Filtros activos en serie se encuentran en la publicación de F. Z . Peng, H. Agaki, A. Nabase, "A new approach to harmonic compensation in power systems a combined system of shunt passive and series active filters", IEEE Trans. on Ind. Applications, Vol. 26, No. 6 páginas 983-990, Noviembre/Diciembre 1990.

Restauradores de tensión dinámicos se describen en otra publicación de H. Kim, S. K. Sul "Compensation voltage control in dynamic restorers by use of feed forward and state feedback scheme", IEEE Trans. on power electronics, vol. 20 No.5, páginas 1169-1177, Septiembre 2005.

Ejemplos de la técnica anterior muestran topologías de conversión de tensión de múltiples niveles que requieren un gran número de componentes y son difíciles de implementar y controlar. Además, dichas

disposiciones requieren la interacción de enlaces de CC

comunes con valores de CC de alta tensión.

Dos topologías de nivel de tensión utilizadas en

la técnica anterior muestran un exceso de comportamiento

de harmónicos. La distorsión de harmónicos total (THD) es entonces menos que óptima para estos sistemas. Es un objeto de la presente invención proponer una topología de conversión de energía y una disposición para generadores, preferiblemente para aplicaciones de turbinas eólicas que muestre una reducción óptima de harmónicos y también que tenga una construcción y una disposición de la topología simples.

Es otro obj eto de la presente invención proponer un convertidor de múltiples niveles y una topología de inversión que pueda utilizar algoritmos, procedimientos y hardware de control independientemente del número de niveles de tensión elegidos. Así, es una ventaja adicional que los sistemas de control ya existentes se puedan reutilizar para esta nueva topología.

Es todavía otro obj eto de la presente invención presentar una disposición de múltiples niveles que requiera un número reducido de buses de CC. Idealmente, es suficiente un único bus de CC, dispuesto como un enlace de CC común.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención está relacionada con una disposición de tensión de múltiples niveles que tiene un transformador y un convertidor o inversor de energía que comprende uno o más enlaces de CC comunes que se pueden conectar a una fuente de energía, en la que dicha disposición comprende por lo menos una primera serie de puentes H que están conectados a dicho enlace de CC común. Cada uno de dichos puentes H comprende por lo menos un primer nodo y un segundo nodo, y por lo menos un transformador comprende un lado primario que tiene por lo menos un bobinado con un primer extremo y un segundo extremo en una configuración de extremo abierto accesible desde el exterior del transformador. La disposición también tiene el primer extremo de dicho bobinado conectado al primer nodo de dicho puente H, y que tiene el segundo extremo de dicho bobinado conectado a dicho segundo nodo de salida. También están presentes unos medios de control y están configurados para controlar los puentes H para conseguir una señal de tensión de múltiples niveles entre el primer nodo y el segundo nodo de dichos puentes H.

El término convertidor de energía debe entenderse normalmente que abarca inversores de energía. En general, cualquier conversión entre sistemas de CC y CA está

incluida en los términos de esta definición

independien temen te de la frecuencia y la forma de onda

relativa a las entradas de energía o a las salidas de

energía.

La disposición de energía también puede incluir medios de control configurados para conseguir una salida de tensión de tres niveles entre el primer nodo y el segundo nodo de dichos puentes H. Además, la disposición de energía del sistema puede construirse como un único bus de CC. Además, el enlace de CC común puede tener entradas configuradas para conectarse a una fuente de energía de CC, preferiblemente construida como una o más células solares.

Se pueden instalar filtros inductivos entre el primer y segundo nodos de dicha primera serie de puentes H y el primer y segundo extremos de dichos cableados del transformador. Dichos filtros reducen los transitorios, los picos y el comportamiento harmónico no deseado o THD.

Las topologías montadas en oposición son particularmente ventaj osas. Tienen una segunda serie de puentes H con los primeros nodos y los segundos nodos que se pueden conectar al primer y segundo extremos de los cableados correspondientes a un generador, en el que dicha segunda serie de puentes H está conectada a dicho enlace de CC común para conseguir una configuración de montaje en oposición con dicha primera serie de puentes H.

El transformador generalmente tiene un lado secundario, que comprende preferiblemente cableado en una configuración de delta o estrella, que se puede conectar directamente a una línea o red de distribución de energía.

La presente topología es también útil para aplicaciones statcom. En estas aplicaciones el lado secundario del transformador está conectado a dicha red y está configurado para recibir energía desde el mismo, en el que los medios de control están configurados para almacenar energía en condensadores o acumuladores comprendidos en dicho enlace de CC común y dichos medios de control están configurados para suministrar dicha energía almacenada de vuelta sobre la red. Así, dicho convertidor puede funcionar como una fuente de energía reactiva o como un depósito de energía reactiva.

Son igualmente posibles sistemas de control en la presente invención. Una disposición de control para un generador de energía o inversor comprende una disposición de energía tal como se ha explicado previamente, medios para medir el nivel de tensión en el enlace de ce común, medios para medir niveles de corriente y tensión en las salidas desde una primera serie de puentes H, en la que dichos medios de control para controlar la operación de conmutación de dicha primera serie de puentes H están

configurados para basarse en niveles de tensión medidos en

el enlace de ce común, y en niveles de corriente y tensión

medidos en las salidas desde dicha primera serie de

puentes H.

FIGURAS

La figura 1 muestra m fases dispuestas en paralelo de un convertidor de energía completo montado en oposición de tres niveles de tensión conectado a un generador.

La figura 2 muestra un convertidor de energía completo montado en oposición de tres niveles de tensión. La figura 3 muestra un convertidor de energía de tres niveles de tensión para un sistema fotovoltaico. La figura 4 muestra un sistema inversor de energía de tres niveles de tensión para aplicaciones statcom.

La figura 5 muestra una arquitectura de control para un convertidor de energía montado en oposición de tres niveles.

DESCRIPCIÓN DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS

La figura 1 muestra una disposición con m fases en paralelo, siendo m un número natural, configurada para la generación y la conversión de energía. Muchas aplicaciones requieren la manipulación de grandes cantidades de energía generada. Ejemplos no limitativos incluyen aplicaciones de accionamiento directo, en las que un árbol de una turbina eólica transmite energía directamente a un convertidor de energía eléctrica desde el rotor. Para hacer frente a los grandes valores de energía, varios convertidores...

1. Disposición de elementos de tensión de

móltiples niveles que tiene un transformador (T) y un

convertidor o inversor de energía, que comprende:

por lo menos un enlace de CC comón (enlace CC) que

se puede conectar directa o indirectamente a una fuente de energía (PS, gen, red) ,

una primera serie (H1) de puentes H que comprende por lo menos un puente H que está conectado a dicho enlace de CC común, en la que cada uno de dichos puentes H comprende por lo menos un primer nodo (H1a) y un segundo nodo (H1b) ,

caracterizada por el hecho de que por lo menos un transformador (T) que comprende un lado primario que tiene por lo menos un bobinado con un primer extremo y un segundo extremo en una configuración accesible desde el exterior del transformador (T) , que tiene el primer extremo de dicho bobinado conectado al primer nodo de dicho puente H, y que tiene el segundo extremo de dicho bobinado conectado a dicho segundo nodo de salida, y que tiene medios de control configurados para controlar dichos puentes H para conseguir una señal de tensión de múltiples niveles entre el primer nodo (H1a) y el segundo nodo (H1b) de dichos puentes H.

2. Disposición de elementos de tensión según la reivindicación 1, en la que dichos medios de control están configurados para conseguir una salida de tensión de tres niveles (+Udc,

-Udc, O) entre el primer nodo (H1a) y segundo nodo (H1b) de dicho puente H.

3. Disposición de elementos de tensión según las reivindicaciones 1 ó 2, en la que el enlace de CC comón está construido como un ónico bus de CC.

4. Disposición de elementos de tensión segón las reivindicaciones 1 ó 2, en la que dicho enlace de CC comón tiene entradas configuradas para conectarse a una fuente de energía de CC.

5. Disposición de elementos de tensión segón la reivindicación 4, en la que dicha fuente de energía de CC comprende una o más células solares.

6. Disposición de elementos de tensión segón las reivindicaciones 1 ó 2, que también tiene filtros inductivos (L) conectados entre el primer (H1a) y el segundo (H1b) nodos de dicha primera serie (H1) de puentes H y el primer y segundo extremos de dichos cableados del transformador.

7. Disposición de elementos de tensión segón las reivindicaciones 1 ó 2, que tiene una segunda serie (H2) de puentes H con primeros nodos (H2a) y segundos nodos

(H2b) que se pueden conectar al primer y segundo extremos de los cableados correspondientes a un generador,

estando dicha segunda serie (H2) de puentes H conectada a dicho enlace de CC comón para conseguir una configuración de conexión en oposición con dicha primera serie (H1) de puentes H.

8. Disposición de elementos de tensión segón la reivindicación 1 ó 2, en la que dicho transformador comprende un lado secundario, que comprende preferiblemente cableado en una configuración de delta o estrella, que se puede conectar directamente a una línea o red de distribución de energía.

9. Disposición de elementos de tensión segón la reivindicación 8, en la que dicho lado secundario de dicho transformador (T)

está conectado a dicha red y está configurado para recibir energía del mismo, y dichos medios de control están configurados para almacenar dicha energía en condensadores o acumuladores 5 comprendidos en dicho enlace de ce común, y dichos medios de control están configurados para

suministrar dicha energía almacenada de vuelta a dicha

red.

10. Medios de control para un convertidor o

10 inversor de energía, que comprende:

una disposición de elementos de tensión según

cualquiera de las reivindicaciones anteriores, y medios para medir el nivel de tensión en el enlace de ce común, y

medios para medir niveles de corrientes y tensiones en las salidas de una primera serie (H1) de puentes H, en la que dichos medios de control para controlar el funcionamiento de los conmutadores de dicha primera serie de puentes H (H1) están configurados para basarse en dicho nivel de tensión medido en el enlace de ce común, y en niveles de corriente y tensión medidos en las salidas de dicha primera serie (H1) de puentes H.