METODO DE CONTROL DEL BALANCE DE TENSIONES DE LOS CONDENSADORES DEL BUS DE CONTINUA EN UN CONVERTIDOR DE POTENCIA DE CINCO NIVELES.
Método de control del balance de tensiones de los condensadores del bus de continua de los convertidores de potencia multinivel,
basado en la conmutación por división en el tiempo de la componente gamma de la señal promediada de control de los interruptores del convertidor, y que se caracteriza por la división del periodo de muestreo de las diferencias de tensiones de los condensadores en dos subintervalos en los que la componente gamma se fija a un determinado valor constante en cada uno de los mismos, seleccionando los valores constantes de aplicación de una tabla de pares de valores predeterminados de control, según los signos de las diferencias de tensiones; y donde el criterio de elección de estos valores constantes viene determinado por el efecto que producen en las variaciones netas de las diferencias de tensiones de los condensadores a lo largo de un periodo de muestro, dando lugar a una serie de regiones en el espacio de valores de la señal de control.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201101332.
Solicitante: UNIVERSIDAD DE SEVILLA.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: ARACIL SANTONJA,JAVIER, GORDILLO ALVAREZ,FRANCISCO, UMBRÍA JIMÉNEZ,Francisco, GÓMEZ-ESTERN AGUILAR,Fabio, SALAS GÓMEZ,Francisco.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- H02M7/487 ELECTRICIDAD. › H02 PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA. › H02M APARATOS PARA LA TRANSFORMACION DE CORRIENTE ALTERNA EN CORRIENTE ALTERNA, DE CORRIENTE ALTERNA EN CORRIENTE CONTINUA O DE CORRIENTE CONTINUA EN CORRIENTE CONTINUA Y UTILIZADOS CON LAS REDES DE DISTRIBUCION DE ENERGIA O SISTEMAS DE ALIMENTACION SIMILARES; TRANSFORMACION DE UNA POTENCIA DE ENTRADA EN CORRIENTE CONTINUA O ALTERNA EN UNA POTENCIA DE SALIDA DE CHOQUE; SU CONTROL O REGULACION (transformadores H01F; convertidores dinamoeléctricos H02K 47/00; control de los transformadores, reactancias o bobinas de choque, control o regulación de motores, generadores eléctricos o convertidores dinamoeléctricos H02P). › H02M 7/00 Transformación de una potencia de entrada en corriente alterna en una potencia de salida en corriente continua; Transformación de una potencia de entrada en corriente continua en una potencia de salida en corriente alterna. › Inversores bloqueados en el punto neutro.
Fragmento de la descripción:
MÉTODO DE CONTROL DEL BALANCE DE TENSIONES DE LOS CONDENSADORES DEL BUS DE CONTINUA EN UN CONVERTIDOR DE POTENCIA DE CINCO NIVELES
El objeto de la presente invención es un método de control del balance de tensiones de los condensadores del bus de continua de los convertidores de potencia multinivel DCC (fijación por diodos, "Diode.CJamped Converler", en inglés) basado en la comnutación por división en el tiempo de la componente gamma de la señal promediada de control de los interruptores del convertidor, tomando dicha componente gamma una serie de valores constantes durante cada intervalo de muestreo de las diferencias de tensiones de los condensadores.
Esta invención se engloba dentro del ámbito de la electrónica de potencia Y. de [o Olla mas concreta, hace referencia a los convertidores electrónicos de potencia. Los convertidores de potencia son sistemas electrónicos capaces de alterar las caractensticas de la tensión y de la corriente que reciben, transfonnándolas de manera optimizada para la aplicación específica a la que se vayan a destinar.
ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR
Desde la aparición de la topolugía NPC ("NeutraJ-Point-CJamped", en inglés) en lus convertidores de potencia de tres ni veles ("A New NeutraJ-Point-Clamped PWM Inverter ", autores: A. Nabae, I. Takahashi y H. Akag i, IEEE Transactions on Industr y Applications, volumen: IA-I7, número: 5, páginas: 518-523, septiembre/octubre 198/) , el uso de los convertidores multinivel se ha ido extendiendo progresivamente en aplicaciones con requerimientos de media y alta potencia ("The Age ofMultilevel Converters Arrives", autores: L. G. Franquelo, J. Rodríguez, J. 1. León, S. Kouro, R. Portillo y M. M. Prats, IEEE Industrial Electronics Magazine, volumen: 2, número: 2, páginas: 28-39, junio 2008; "Multilevel Voltage-Source-Converter Topologies for
Industrial Medium-Voltage Drives", autores: J. Rodríguez, S. Bernet, B. Wu, J. o. Pontt y S. Kouro, IEEE Transactions on Industrial Electronics, volumen: 54, número: 6, páginas: 2930-2945, diciembre 2007) . Algunas de las numerosas ventajas que los convertidores multinivel presentan son: elevada tensión de salida, reducción de la distorsión de los annónicos así como de las pérdidas por conmutación de los interruptores y flujo de potencia bidireccional. Sin embargo, el diseño de técnicas de control para estos convertidores no es una tarea sencilla y, asimismo, según aumenta 5 el número de niveles, la complejidad d:e los controladores se ve también incrementada. Además, a este inconveniente se añade el problema del balance de tensiones de los condensadores del bus de continua (también denominando enlace OC) (2) , que es el mayor problema que presentan los convertidores multini vel de potencia. El desbalance de tensiones produce un deterioro en la fonna senoidal de las tensiones y corrientes,
que da lugar a un funcionamiento no deseado del convertidor e, incluso, puede suponer el deterioro también de los condensadores, así como del sistema completo.
Prestando especial atención a los convertidores de potencia trifásicos de cinco niveles DCC (1) , cuyo circuito se muestra en la fi gura 1, se han propuesto diversos enfoques 15 para controlar las tensiones de los condensadores, es decir, el balance de tensiones. Uno de ellos se basa en la inclusión de circuitería adicional para mantener fijas las tensiones de los condensadores. Este hecho supone un importante aumento en el coste, tamaño y peso del sistema ("A General Circuit Topology of Multilevel Inverter", autores: N. S. CllOi, J. G. Cllo y G. H ello, IEEE 22nd Annual Power Electronics 20 Specialisls Conference, PESC9I, páginas: 96-I03, j unio 1991; "Novel Tecllniquefor Mainlaining Balanced Internal DC Link Voltages in Diode Clamped Five-Level Inverters ", autores: C. Newton y M. Sumner, lEE Proceedings -Eleclric Power Applications, volumen: 146, número:.3, páginas: 341-.349, mayo 1999) . Otro entoque consiste en la inclusión de un convertidor auxiliar para inyectar las componentes de 25 corriente necesarias en los puntos inte:nnedios del bus de continua (2) del convertidor y, de este modo, equilibrar las tensiones de los condensadores ("DC Vollage Control Strategy for a Five-Level Converter", autores: T. Ishida, K. Matsuse, K. Sugita, L. Huang y K. Sasagawa, IEEE Transactions on Power Electronics, volumen: 15, número: 3, páginas: 508-515, mayo 2000) . Este método también acarrea un aumento 30 en el coste y, además, es bastante complejo, especialmente cuando se trabaja con elevados niveles de tensión y potencia. El tercer enfoque hace uso de complicadas estrategias de control basadas en modulación que, si bien requieren algoritmos de
control más elaboradas que en los otros métodos, representan una apuesta más
económica que el uso de circuitería adicional ( "New SVPWM Control Scheme For
Three-Phase Diode CJamping MultiJevel Inverter with BaJanced DC Voltages ",
autores: M. Batao, L. Congwei, Z. Yang y L. Fahani, Proceedings oithe 28th Annllal
5 Conlerence 01 the IEEE Industrial EJectronics Society -IECON 2002, volllmen: 2,
páginas: 903-907, noviembre 2002) . Sin embargo, este enfoque presenta un
importante inconveniente: sólo pennite controlar las tensiones de los condensadores
en detenninadas condiciones específicas ("Analysis and Control 01 DC-Capacitor
Voltage-Drifi Phenomenon 01 a Passive Front-End Five-Level COllverter", M.
10 Saeedifard, R. ¡ravani y 1. Pou, IEEE Transactions 01l Industrial EleClrOllics,
volumen: 54, número: 6, páginas: 3255-3266, diciembre 2007) .
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
15 La invención, que en este documento se presenta, consiste en un nuevo método de
control para convertidores de potencia de cinco niveles DCC trifásicos (1) que actúan
en modo rectificador (transfonnaclón ACIDC, de tensión/corriente alterna a
tensión/corriente continua) o en modo inversor (transformación DC/AC) , si bien
también es extensible su uso a otros convertidores de distinta topología e, incluso,
2 O número de niveles en diferentes modos de funcionamiento. Este método permite
controlar las tensiones de los condensadores del bus de continua (2) del convertidor
aplicando una ley de control de fácil implementación que no requiere el elevado coste
computacional (software) que otras estrategias presentan y que, además, no conlleva
la inclusión de circuitería adicional (hardware) , lo que supone una sensible mejora en
25 e! aspecto económico, además de las obvias de simplicidad de! di spositivo. Así pues,
se trata de una estrategia de control que resuelve el problema técnico objetivo de
reducción del coste computacional sin incremento del hardware del disposiHvo.
La solución al problema del desequitibrio de tensiones de los condensadores es un
30 método de control por conmutación por división en el tiempo de la señal promediada
que controla los estados de los interruptores del convertidor (1) . Para ello, el periodo
de muestreo de las diferencias de tensiones de los condensadores del bus de continua
(2) se divide en dos subintetvalos: tYI y ty2• Una vez. elegidos los dos subintetvalos,
durante cada una de ellos, la componcntc gamma, oY' de la scñal promediada de
control de los interruptores se fija a un determinado valor constantc. De esto modo,
durante el intctvalo tYI la componente gamma sc fija al valor constante 0Yt y durante
5 el intetvalo tY2 la componente gamma se fija al valor constante 0Y2 ' El criterio dc
elección dc cste par dc valores vicnc detcnninado por el cfecto quc producen en las
variaciones netas de las diferencias de tensiones a lo largo de un periodo de muestreo.
El método consiste esencialmente en los siguientes pasos:
10 i) Análisis fuera de línea de las ecuaciones del balance de tensiones de los
condensadores, dando lugar a una serie de regiones en el espacio de
valores de la señal de control, y elección de los subintervalos de tiempo,
tYI y ty~, configurado para la ohtención dc la tahla de parcs de valorcs
predetenninados de conmutación (oYt' 0Y2) a aplicar según los signos de
15 las diferencias de tensiones.
ii) Cálculo y evaluación en línea de los signos de las diferencias de tensiones
de los condensadores (7) y selección según la tabla obtenida en el paso (i)
dc un par dc valorcs concreto (OYI' 0Y2) (8) .
¡ji) Mantenimiento de la componente oY de la señal promediada de control en
20 un valor constante 0Yt durante el intervalo de tiempo tri'
iv) Mantenimiento de la componente oY de la señal promediada de control en
UJl valor constante 0Y2 duralllC el intervalo dc tiempo ty2 .
v) Repetición de los pasos (ii) a (iv) indefinidamente.
25 A lo largo...
Reivindicaciones:
1. Un método de control del balance de tensiones de los condensadores del bus de continua de los convertidores de potencia de cinco niveles DCC trifásicos, basado en la conmutación por división en el tiempo de la componente gamma de la señal promediada de control de los interruptores del convertidor, obtenida mediante la transfonnación de Clarke-Concordia, y caracterizado porque el periodo de muestreo de las diferencias de tensiones de los condensadores, cuya duración es la tercera parte de la del periodo correspondiente a la tensión de red, se divide en dos subintervalos de tiempo, tn y tn ; y en cada uno de los dos subintervalos, el valor de la componente Oy de la señal promediada de control se fija a un determinado valor constante, definido por DYl durante el intervalo ty por DyZ
n durante el intervalo ty2 ; y donde el criterio de elección dl~ los valores ón y ón viene determinado por el
efecto que producen en las variaciones netas de las diferencias de tensiones de los condensadores a lo largo de un periodo de muestreo, dando lugar a una serie de regiones en el espacio de valores de control (ón, óYz ) ; dicho método comprendiendo, al menos:
-un análisis fuera de línea de las ecuaciones del balance de tensiones de los condensadores del bus de continua y elección de los sub intervalos de tiempo, Y t> configurado para la obtención de la tabla de pares de valores
tYI yzpredeterminados de conmutación óYl y 0Y2 a aplicar según los signos de las diferencias de tensiones; -una segunda etapa que realiza, en primer lugar, el cálculo y evaluación en linea de los signos de las diferencias de tensiones de los condensadores y, en segundo lugar, la selección según la tabla obtenida en el paso anterior del par concrelo de valores ón y ón situado en aquella región del espacio de valores de control (óy1 , ó) en las que las variaciones netas de las diferencias de n tensiones a lo largo de un periodo de muestreo son de signos opuestos a los signos de las propias diferencias de tensiones respectivas; -una tercera etapa de mantenimiento de la componente Oy de la señal
promediada de control de los interruptores del convertidor en un valor
conStante 8Yt dumnte el interva.lo de tiempo tyI;
-una cuarta etapa de mant<:nimiento de la componente óy de la señal
promediada de control de los interruptores del convertidor en un valor
constante 8Y2 durante el intervalo de tiempo ty2 ; y -la repetición de las etapas segunda, tercera y cuarta indefinidamente.
2. Un método de control del balance de tensiones de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque 10 la componente gamma de la señal promediada de control toma distintas expresiones en cada uno de los dos subintervalos de tiempo.
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