Sistema y método para compensar el desequilibrio de tensión de entrada en inversores multinivel o similares.

Un sistema (O) para compensar los desequilibrios de los voltajes de entrada en inversores multinivel o similares,

que comprende al menos una unidad de control (U) asociada funcionalmente con al menos un inversor multinivel (I) para la conversión de corriente continua en corriente alterna, siendo adecuada dicha 5 unidad de control (U) para el control del inversor multinivel (I) para generar por lo menos una corriente de salida (Iout) dependiendo de por lo menos una corriente de referencia (Iref) y al menos una unidad de ecualización (E) para ecualizar las tensiones de entrada (Vbus+,Vbus-) de dicho inversor multinivel (I) incluyendo:

- medios de primera generación (G1) de por lo menos un componente armónico (Iehj) de orden igual a dicha corriente de referencia (Iref), fuera de fase con respecto al componente fundamental (Ifund) de dicha corriente de referencia (Iref);

- medios de detección (D) del desequilibrio de las tensiones de entrada (Vbus+,Vbus-) a dicho inversor multinivel (I);

- medios de regulación (R) de la amplitud (|Iehj|) de dicho componente armónico (Iehj) dependiendo del desequilibrio detectado, para compensar dicho desequilibrio;

Caracterizado porque dicha unidad de ecualización (E) se compone de por lo menos un dispositivo sumador (A) asociado con medios de dicha primera generación (G1) y conveniente para agregar dicho componente armónico (Iehj) a dicho componente fundamental (Ifund) para obtener dicha corriente de referencia (Iref).

Sistema y método para compensar el desequilibrio de tensión de entrada en inversores multinivel o similares.

Ámbito de la invención La presente invención se refiere a un sistema y un método para compensar el desequilibrio de voltaje de entrada de los bancos de condensador en inversores multinivel o dispositivos similares.

Antecedentes de la Invención Ha sido común y es conocido desde hace algún tiempo el uso de aparatos electrónicos llamados "inversores" adecuados para convertir una entrada de corriente directa en una salida de corriente alterna.

Las aplicaciones de los inversores son numerosas y van, por ejemplo, desde el uso en unidades SAI (sistemas de alimentación interrumpida) para la conversión of corriente directa de una batería eléctrica, para uso en la industria para ajustar la velocidad de motores eléctricos o, una vez más, para una utilización para la conversión de la electricidad procedente de plantas de producción tales como, por ejemplo, plantas fotovoltaicas, antes de la introducción en la red de distribución eléctrica.

Un tipo especial de inversor es el inversor multinivel, así llamado NPC (limitado en punto neutro) , que es capaz de suministrar más de dos niveles de tensión de energía en la salida para generar una forma de onda tan cercana como sea posible a una forma sinusoide. Por ejemplo, la figura 1 muestra el diagrama general de un inversor NPC de corriente trifásica, de triple nivel.

En la entrada a un inversor NPC, se utilizan comúnmente varios condensadores en serie para dividir la tensión energética total y crear los niveles de voltaje requeridos para generar la tensión de salida.

El inversor de la figura 1, en particular, tiene una rama de entrada compuesto de dos condensadores C de la misma capacidad, en serie el uno con el otro y asociada con una fuente de tensión de alimentación Vdc en correspondencia a un terminal con voltaje eléctrico positivo Vdc+, a un terminal con voltaje eléctrico negativo Vdc- y a un punto neutro NP (Neutral Point) entre los dos condensadores C.

El inversor que se muestra en la figura 1 se compone de tres unidades electrónicas de conmutación de alimentación, tales como Mosfet, IGBT o dispositivos similares, indicados por las referencias Sa1 Sb1 Sc1 Sd1, Sa2 Sb2 Sc2 Sd2 y Sa3 Sb3 Sc3 Sd3, que están convenientemente conectados juntos en tres ramas, una por cada fase fase f1, f2 y f3.

El inversor comprende también tres pares de diodos, indicados en la figura 1 por las referencias Da1 y Db1, Da2 y Db2, Da3 y Db3 respectivamente.

Con referencia a la rama relativa a la fase f1, por ejemplo, los diodos Da1 y Db1 están dispuestos en serie el uno con el otro y conectado el punto neutro NP al punto de conexión entre los conmutadores Sa1 y Sb1 y al punto de conexión entre los conmutadores Sc1 y Sd1 respectivamente.

Los diodos Da2, Db2, Da3 y Db3 están conectados de manera similar con las ramas relacionadas con las fases f2 y f3.

Mediante la instrucción para el cierre de los interruptores Sa1 Sb1 Sc1 Sd1, Sa2 Sb2 Sc2 Sd2 y Sa3 Sb3 Sc3 Sd3 cada una de las fases pueden conectarse al positivo de la tensión Vdc+, al negativo de la tensión Vdc- y al nodo NP (Punto Neutro) con voltaje intermedio comparado a Vdc+ y Vdc-.

La conmutación rápida de los interruptores entre las configuraciones posibles se realiza por medios adecuados de técnicas de modulación, con el fin de obtener un voltaje alterno y corriente de salida en las tres fases, comenzando con el voltaje de corriente directa Vdc.

Sin embargo, el funcionamiento de este tipo de inversores multinivel NPC, simples o multifásicos, tiene un número de desventajas.

En particular, durante el funcionamiento, puede ocurrir un desequilibrio de voltaje en los bancos de condensadores C en su entrada, convencionalmente conocido como "voltajes del bus DC".

Los condensadores C, de hecho, pueden cargar y descargar a un diverso grado según la ventana tiempo de conducción de los diferentes componentes, produciendo de esta forma voltajes de salida de amplitud diferente.

La ecualización de los voltajes del bus DC durante el funcionamiento del inversor puede realizarse utilizando diferentes sistemas y métodos de tipo conocido.

Un primer método conocido, por ejemplo, prevé la utilización de circuitos electrónicos adicionales al inversor, adecuados para equilibrar, momento por momento, la tensión en las cabezas de los dos condensadores C en el ramal de entrada.

Sin embargo, tales circuitos electrónicos, de tipo conocido, no están libres de inconvenientes.

De hecho, estos circuitos electrónicos son del tipo disipativo, debido a que la ecualización es obtenida parcialmente por disipar el exceso de energía presente en uno de los dos condensadores C y cargando el otro de los condensadores C a través de la fuente de voltaje de alimentación Vdc en la entrada.

Aún más, este método de ecualización requiere inserción de elementos de circuito adicionales que aumentan los costes y la complejidad global del sistema.

Un segundo método de ecualización de tipo conocido, por otra parte, prevé el uso de métodos adecuados de modulación de los interruptores del inversor.

Sin embargo, estos métodos no están, igualmente, libres de inconvenientes.

De hecho, su utilización, aumenta considerablemente la complejidad del sistema porque, en particular, cuando se utilizan convertidores trifásicos, sólo pueden ser implementados mediante el funcionamiento coordinado de los tres grupos de inversores en las tres ramas de salida.

Un adicional método de ecualización prevé la utilización de dos fuentes de voltaje de alimentación independientes, realizable por medio de dos unidades distintas de alimentación DC o mediante un supuesto "refuerzo simétrico".

Este método también implica sin embargo una complejidad mayor y un mayor coste del sistema.

Finalmente, otro método de ecualización de tipo conocido contempla el suministro de una corriente de red directa capaz de desequilibrar las energías absorbidas por los dos condensadores C, permitiendo así la compensación de las dos tensiones de los dos DC bus.

Este método de ecualización también tiene problemas ligados en particular a las normas reguladoras aplicables a la conexión a la red eléctrica, que indican límites muy estrictos para el suministro de un componente directo a la red.

El documento JP 07 079574 revela un circuito de control para el inversor de tres niveles proporcionado con medios para añadir un componente armónico de la frecuencia fundamental del inversor a la tensión de salida de cada etapa del inversor y medios para detectar el desequilibrio de la tensión de la tensión del bus DC y para decidir la amplitud del componente armónico que debe ser añadida a la salida. El documento US 7 495 938 divulga unos sistemas de conversión de energía con inversor de tres niveles y un rectificador y controles de modulación de vector espacial que tienen una eliminación armónica de orden paralelo para el voltaje neutro equilibrándose con secuencias de interrupción de un vector predefinido para simetría de onda media en funcionamiento de sistema de lazo abierto. El documento US6 842 354 revela un convertidor de energía incluyendo un inversor DC a AC en donde para compensar una tensión no equilibrada a través de los capacitadores, se deriva un coeficiente de compensación de desequilibrio de la diferencia de tensiones a través del primer y el segundo capacitadores del voltaje del DC bus y el coeficiente de compensación de desequilibrio es empleado para ajustar la anchura de los impulsos de salida así como para cargar y descargar los capacitadores para corregir el desequilibrio.

El documento identificado con el número de referencia NPL (Non-PatentLiterature) XP 010042112, titulado "Vector espacial PWM para inversor de tres niveles con enlace-DC de equilibrado de voltaje basado en DSP" (IECON, NE, vol. CONF.17, 28 de octubre de 1991) divulga un método PWM para inversor de tres niveles en donde cada vector de tensión en el plano vector espacial se clasifica en relación con la acción de carga descarga de los capacitadores CC y en el cual se define un método de modulación basado en el principio de selección de vector de tensión.

Descripción de la invención

El principal objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema y un método para compensar el desequilibrio del voltaje de entrada en un inversor multinivel o similar, que permita superar los inconvenientes mencionados de la situación de la Técnica.

Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema y un método para compensar el desequilibrio del voltaje de... [Seguir leyendo]

1. Un sistema (O) para compensar los desequilibrios de los voltajes de entrada en inversores multinivel o similares, que comprende al menos una unidad de control (U) asociada funcionalmente con al menos un inversor multinivel (I) para la conversión de corriente continua en corriente alterna, siendo adecuada dicha unidad de control (U) para el control del inversor multinivel (I) para generar por lo menos una corriente de salida (Iout) dependiendo de por lo menos una corriente de referencia (Iref) y al menos una unidad de ecualización (E) para ecualizar las tensiones de entrada (Vbus+, Vbus-) de dicho inversor multinivel (I) incluyendo:

- medios de primera generación (G1) de por lo menos un componente armónico (Iehj) de orden igual a dicha corriente de referencia (Iref) , fuera de fase con respecto al componente fundamental (Ifund) de dicha corriente de referencia (Iref) ;

- medios de detección (D) del desequilibrio de las tensiones de entrada (Vbus+, Vbus-) a dicho inversor multinivel (I) ;

- medios de regulación (R) de la amplitud (|Iehj|) de dicho componente armónico (Iehj) dependiendo del desequilibrio detectado, para compensar dicho desequilibrio; Caracterizado porque dicha unidad de ecualización (E) se compone de por lo menos un dispositivo sumador (A) asociado con medios de dicha primera generación (G1) y conveniente para agregar dicho componente armónico (Iehj) a dicho componente fundamental (Ifund) para obtener dicha corriente de referencia (Iref) .

2. El sistema (O) según la reivindicación 1 caracterizado por el hecho de que dichos medios de detección (D) de el desequilibrio están asociados con, al menos, una rama de entrada (B) a dicho inversor multinivel (I) teniendo, por lo menos, dos condensadores Cbus+ y Cbus- asociados en serie uno con el otro, al menos un terminal asociado con el polo positivo (Vdc+) de una fuente de tensión de alimentación (PW) y por lo menos un terminal opuesto asociado con el polo negativo (Vdc-) de dicha fuente de tensión de alimentación (PW) , componiéndose dichos voltajes de entrada (Vbus+ y Vbus-) al inversor multinivel (I) de las tensiones en las cabezas de dichos condensadores (Cbus+, Cbus-) .

3. El sistema (O) según una o más de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que dichos medios de detección (D) del desequilibrio están asociados con dicha entrada rama (B) y con dichos medios de regulación (R) , y comprende al menos un dispositivo de cálculo (D) para calcular la diferencia entre dichos voltajes de entrada (Vbus+, Vbus-) .

4. El sistema (O) según una o más de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que dicha unidad de control (U) incluye medios de generación para generar señales de control (Pa, Pb, Pc, Pd) moduladas por ancho de impulsos dependiendo de dicha corriente de referencia (Iref) y conveniente para el control de por lo menos un primer, un segundo, un tercero y un cuarto interruptor (Sa, Sb, Sc y Sd) de dicho inversor multinivel (I) para la generación de dicha corriente de salida (Iout) .

5. El sistema (O) según una o más de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que dicho componente armónico (Iehj) es un armónico de segundo orden.

6. El Sistema (O) según una o más de los reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el ángulo fuera-de-fase de dicho componente armónico (Iehj) con respecto a dicho componente fundamental (Ifund) es igual a 90° + k*180°, siendo k igual a cualquier número entero.

7. El sistema (O) según una o más de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que incluye medios de segunda generación (G2) de dicho componente fundamental (Ifund) de la corriente de referencia (Iref) .

8. El método para compensar el desequilibrio de los voltajes de entrada (Vbus+ y Vbus-) en inversores multinivel

(I) o similares, que comprende las siguientes fases:

- al menos una fase de control de al menos un inversor multinivel (I) para la conversión de corriente directa en corriente alterna, en la cual dicho inversor multinivel (I) es controlado para generar al menos una corriente de salida (Iout) dependiendo de por lo menos una corriente de referencia (Iref) ;

- la generación de por lo menos un componente armónico (Iehj) de orden igual a dicha corriente de referencia (Iref) , fuera de fase con respecto al componente fundamental (Ifund) de dicha corriente de referencia (Iref) ;

- la detección del desequilibrio de los voltajes de entrada (Vbus+, Vbus-) a dicho inversor multinivel (I) ;

- la regulación de la amplitud (|Iehj|) de dicho componente armónico (Iehj) dependiendo del desequilibrio detectado, para compensar dicho desequilibrio; caracterizado por el hecho de que incluye sumador de dicho componente armónico (Iehj) y dicho componente fundamental (Ifund) para obtener dicha corriente de referencia (Iref) .

9. El método según la reivindicación 8, caracterizado por el hecho que dicha fase de detección del desequilibrio es realizada en por lo menos una rama de entrada (B) al mencionado inversor multinivel (I) teniendo por lo menos dos condensadores (Cbus+, Cbus-) asociado en serie uno con el otro, al menos un terminal asociado con el polo positivo (Vdc+) de una fuente de tensión de alimentación (PW) y al menos un terminal opuesto asociado con el polo negativo (Vdc-) de dicha fuente de tensión de alimentación (PW) , estando compuestos dichos voltajes de entrada (Vbus+, Vbus-) al inversor multinivel (I) por las tensiones en las cabezas de dichos condensadores (Cbus+, Cbus-) .

10. El método según una o más de las reivindicaciones 8 o 9, caracterizado por el hecho de que dicha fase de detección del desequilibrio comprende el cálculo de la diferencia entre dichas tensiones de entrada (Vbus+ y Vbus-) .

11. El método según una o más de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado por el hecho de que dicha fase de control comprende la generación de señales de control (Pa, Pb, Pc, Pd) modulada por ancho de impulsos, dependiendo de dicha corriente de referencia (Iref) y conveniente para controlar al menos un primer, un segundo, un tercer y un cuarto interruptores (Sa, Sb, Sc y Sd) de dicho inversor multinivel (I) para la generación de dicha corriente de salida (Iout) .

12. El método según una o más de las reivindicaciones 8 a 11, caracterizado por el hecho de que dicho componente armónico (Iehj) es un armónico de segundo orden.

13. El método según una o más de las reivindicaciones 8 a 12, caracterizado por el hecho que consta, por lo menos, de una fase de determinación de la fase del desplazamiento entre dicho componente fundamental (Ifund) y componente armónico (Iehj) de la corriente de referencia (Iref) .

14. El método según una o más de las reivindicaciones 8 a 13, caracterizado por el hecho que el ángulo fuera-de-fase de dicho elemento armónico (Iehj) con respecto a dicho componente fundamental (Ifund) es igual a 90° + k*180°, siendo k igual a cualquier número entero.

15. El método según una o más de las reivindicaciones 8 a 14, caracterizado por el hecho que incluye al menos una fase de generación de dicho componente fundamental (Ifund) de la corriente de referencia (Iref) .