Sistema y método de medida de las tensiones de las disposiciones capacitivas de los sub-módulos de un convertidor de potencia multinivel con almacenamiento distribuido de energía (MMC) y convertidor MMC.

Sistema y método de medida de las tensiones de las disposiciones capacitivas de los sub-módulos de un convertidor de potencia multinivel con almacenamiento distribuido de energía (MMC) y convertidor MMC

El sistema comprende:

- unos sensores de tensión (SEN(sub,s1), SEN(sub,s2) SEN(sub,i1), SEN(sub,i2), cada uno de los cuales está configurado para medir la tensión entre los terminales de una disposición en serie de sub-módulos (SMs(1)... SMs(n); SMi(1)... SMi(n); y

- unos medios de procesamiento para:

- determinar que la medida de tensión realizada es una medida real de tensión en el condensador de un sub-módulo activado y estimar las tensiones en los condensadores de los sub-módulos desactivados; o

- estimar las tensiones en los condensadores de los sub-módulos desactivados y de los activados.

El convertidor MMC incluye el sistema de medida del primer aspecto.

El método comprende combinar medidas reales con estimadas, en función del estado de activación/desactivación de los sub-módulos del convertidor MMC.

Sistema y método de medida de las tensiones de las disposiciones capacitivas de los sub-módulos de un convertidor de potencia multinivel con almacenamiento distribuido de energía (MMC) y convertidor MMC.

Sector de la técnica

La presente invención concierne, en general y en un primer aspecto, a un sistema de medida de las tensiones de las disposiciones capacitivas, en general formadas por un condensador (C), de los sub-módulos (SMs) de un convertidor de potencia multinivel con almacenamiento distribuido de energía, conocido comúnmente como convertidor MMC (MMC: Modular Multilevel Converter), y más en particular a un sistema que comprende un número de sensores de tensión inferior al número de sub-módulos del convertidor MMC.

Un segundo aspecto de la invención concierne a un convertidor MMC que incluye el sistema de medida del primer aspecto.

Un tercer aspecto de la invención concierne a un método de medida de las tensiones de las disposiciones capacitivas de los sub-módulos de un convertidor MMC, que comprende combinar medidas reales con medidas estimadas, aprovechando el conocimiento sobre el estado de activación/desactivación de los sub-módulos del convertidor MMC.

La presente invención está relacionada, de forma general, con la electrónica de potencia, y de forma más particular, en reducir el número de sensores de tensión utilizados para medir las tensiones de las disposiciones capacitivas de cada SM en un convertidor MMC. Este tipo de convertidores se utilizan fundamentalmente en aplicaciones de alta tensión, especialmente en transmisión de energía en corriente continua (HVDC: High Voltage Direct Current), y más recientemente en accionamiento de motores de alta potencia.

Estado de la técnica anterior

La presente invención está relacionada con un convertidor multinivel con almacenamiento de energía distribuido, es decir un dispositivo para convertir corriente continua (CC) a corriente alterna (CA), o al revés, conocido comúnmente cómo MMC.

La topología básica de este convertidor fue patentada en DE10103031B4, aunque se han publicado otras variantes en W02007023064A1, WO2009149743A1, US8599591B2, y DE102011086087A1. Este convertidor está formado por dos ramas o semi-fases conectadas entre uno de los terminales del bus de continua y el punto de salida. Cada una de estas ramas consiste en la unión en serie de N celdas o sub-módulos idénticos más una inductancia [1], Los SMs están formados por una disposición capacitiva, en general formada por un condensador (C), y por un convertidor estático, normalmente en forma de semi-puente (half-bridgé) o puente completo (full-bridge). Estos SMs trabajan como fuente de tensión, aportando las tensiones de las disposiciones capacitivas a la rama cuando están activadas o aportando una tensión prácticamente cero cuando están desactivadas. Así, la tensión de la rama consiste en la suma de las tensiones aportadas por cada uno de los SMs activados menos las caídas de tensión de todos los SMs, generalmente insignificantes. El número de SMs que deben estar activos en cada momento se puede definir mediante diversas técnicas de modulación [2-4],

Las técnicas de modulación generalmente definen el número de SMs a activar, pero no qué SMs concretos se deben activar. Para ello normalmente se usa un algoritmo de equilibrado de tensión [5], el cual decide el SM concreto que se activará con el objetivo de mantener la misma tensión en todos los SMs. Para poder aplicar este algoritmo es necesario conocer todas las tensiones de las disposiciones capacitivas de los SMs.

Las tensiones de las disposiciones capacitivas de los SMs se miden actualmente mediante sensores entre los bornes de las disposiciones capacitivas pertinentes. En aplicaciones reales de este tipo de convertidor, el número de SMs por rama puede ascender a centenares [6], Por este motivo, la elevada cantidad de medidas de tensiones y su adaptación para su posterior procesamiento complica la implementación y el control de este convertidor, a la vez que compromete su fiabilidad. Hasta el momento se ha desarrollado alguna técnica para reducir el tiempo de procesado de las tensiones [7] pero no para reducir el número de sensores necesarios. Existen también algunas técnicas de control sin realimentación en las que no se miden las tensiones [8], pero su estabilidad y fiabilidad es muy reducida.

Referencias:

[1] A. Lesnicar and R. Marquardt, "An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range," in Power Tech Conference Proceedings, 2003 IEEE Bologna, 2003.

[2] L. G. Franquelo, J. Rodríguez, J. I. León, S. Kouro, R. Portillo and M. A. M. Prats, "The age of multilevel converters arrives," Industrial Electronics Magazine, IEEE, vol. 2, pp. 28-39, 2008.

[3] L. Yapeng, H. Pengfei, G. Jie and J. Daozhuo, "A review of module multi-level converters," in Natural Computation (ICNC), 2011 Seventh International Conference on, 2011, pp. 1934-1940.

[4] M. Hagiwara and H. Akagi, "Control and Experiment of Pulsewidth-Modulated Modular Multilevel Converters," Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 24, pp. 1737-1746, 2009.

[5] M. Saeedifard and R. Iravani, "Dynamic Performance of a Modular Multilevel Back-to-Back HVDC System," Power Delivery, IEEE Transactions on, vol. 25, pp. 2903-2912, 2010.

[6] K. Friedrich, "Modern HVDC PLUS application of VSC in Modular Multilevel

Converter topology," in Industrial Electronics (ISIE), 2010 IEEE International Symposium on, 2010, pp. 3807-3810.

[7] J. Mei, K. Shen and B. Xiao, "A New Selective Loop Bias Mapping Phase Disposition PWM with Dynamic Voltage Balance Capability for Modular Multilevel Converter," Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol. PP, pp. 1- 1,2013.

[8] G. S. Konstantinou and V. G. Agelidis, "Performance evaluation of half-bridge cascaded multilevel converters operated with multicarrier sinusoidal PWM techniques," in Industrial Electronics and Applications, 2009. ICIEA 2009. 4th IEEE Conference on, 2009, pp. 3399-3404.

Explicación de la invención

La presente invención concierne, en un primer aspecto, a un sistema de medida

de las tensiones de las disposiciones capacitivas de los sub-módulos de un convertidor

de potencia multinivel con almacenamiento distribuido de energía (MMC), donde dicho

convertidor de potencia comprende al menos una fase formada por dos semi-fases, cada

una de las cuales comprende dos o más sub-módulos conectados en serie, y donde cada sub-módulo comprende una disposición capacitiva que comprende uno o más condensadores, dos terminales de salida y unos medios de conmutación que conectan, de manera alternativa, a los dos terminales de salida con los extremos de la disposición de capacitiva, para un estado activado del sub-módulo, o los cortocircuitan entre sí, para un estado desactivado del sub-módulo.

A diferencia de los sistemas de medida para convertidores MMC del estado de la técnica, el sistema de medida de la presente invención comprende, de manera característica:

- dos o más sensores de tensión, como mínimo uno por semi-fase, cada uno de los cuales está configurado para medir la tensión entre los terminales extremos de una disposición en serie de dos o más sub-módulos; y

- unos medios de procesamiento con unas entradas dispuestas para recibir los valores de tensión de las medidas efectuadas por dichos dos o más sensores de tensión, y configurados para, a partir de al menos información recibida sobre el estado activado/desactivado de cada sub-módulo:

- determinar que la medida de tensión realizada por al menos uno de dichos dos o más sensores de tensión se corresponde substancialmente con una medida real de tensión en la disposición capacitiva de un sub-módulo activado de su respectiva disposición en serie de sub-módulos; y estimar las tensiones en las disposiciones capacitivas de los sub-módulos desactivados; o

- estimar las tensiones en las disposiciones capacitivas de los sub-módulos desactivados y de los activados.

En general, cada una de las mencionadas disposiciones capacitivas comprende un solo condensador, pero el sistema es válido para medir la tensión de cualquier configuración posible de disposiciones capacitivas, tal como la formada por varios condensadores conectados en serie y/o paralelo.

Según un ejemplo de realización preferido, los medios de procesamiento están configurados para realizar dicha determinación de que la medida de tensión realizada por al menos uno de dichos dos o más sensores de tensión se corresponde substancialmente con una medida real de tensión en la disposición capacitiva de un sub- módulo activado de su respectiva disposición...

1. Sistema de medida de las tensiones de las disposiciones capacitivas de los sub-módulos de un convertidor de potencia multinivel con almacenamiento distribuido de energía, donde dicho convertidor de potencia comprende al menos una fase formada por 5 dos semi-fases, cada una de las cuales comprende dos o más sub-módulos (SMs (1) â?SMs (n) ; SMi (1) â?SMi (n) ) conectados en serie, y donde cada sub-módulo comprende una disposición capacitiva que comprende uno o más condensadores (C) , dos terminales de salida (X1, X2) y unos medios de conmutación (SW) que conectan, de manera alternativa, a los dos terminales de salida (X1, X2) con los extremos de la 10 disposición de capacitiva, para un estado activado del sub-módulo, o los cortocircuitan entre sí, para un estado desactivado del sub-módulo, estando el sistema de medida caracterizado porque comprende:

- dos o más sensores de tensión (SENs1, SENs2; SENi1, SENi2) , al menos uno por semi-fase, cada uno de los cuales está configurado para medir la tensión entre los 15 terminales extremos de una disposición en serie de dos o más sub-módulos (SMs (1) â?SMs (n) ; SMi (1) â?SMi (n) ) ; y - unos medios de procesamiento con unas entradas dispuestas para recibir los valores de tensión de las medidas efectuadas por dichos dos o más sensores de tensión (SENs1, SENs2; SENi1, SENi2) , y configurados para, a partir de al menos información 20 recibida sobre el estado activado/desactivado de cada sub-módulo (SMs (1) â?SMs (n) ; SMi (1) â?SMi (n) ) :

- determinar que la medida de tensión realizada por al menos uno de dichos dos o más sensores de tensión (SENs1, SENs2; SENi1, SENi2) se corresponde substancialmente con una medida real de tensión en la 25 disposición capacitiva de un sub-módulo activado de su respectiva disposición en serie de sub-módulos (SMs (1) â?SMs (n) ; SMi (1) â?SMi (n) ) ; y estimar las tensiones en las disposiciones capacitivas de los sub-módulos desactivados; o - estimar las tensiones en las disposiciones capacitivas de los sub-módulos 30 desactivados y de los activados.

2. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque los medios de procesamiento están configurados para realizar dicha determinación de que la medida de tensión realizada por al menos uno de dichos dos o más sensores de tensión (SENs1, SENs2; SENi1, SENi2) se corresponde substancialmente con una medida real de tensión en la disposición capacitiva de un sub-módulo activado de su respectiva disposición en serie de sub-módulos (SMs (1) â?SMs (n) ; SMi (1) â?SMi (n) ) , si solamente dicho sub-módulo se encuentra activado. 5

3. Sistema según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque comprende dos o más sensores de tensión (SENs1, SENs2; SENi1, SENi2) por semi-fase, cada uno de los cuales está configurado para medir la tensión entre los terminales extremos de una disposición en serie de dos o más sub-módulos (SMs (1) â?SMs (n) ; SMi (1) â?SMi (n) ) .

4. Sistema según la reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizado porque dichos medios 10 de procesamiento están configurados para registrar los valores de tensión medidos/estimados para cada disposición capacitiva y para actualizarlos cuando reciben una medida determinada como real para una disposición capacitiva, y porque los medios de procesamiento comprenden una salida (2) para enviar los valores de tensión medidos, estimados y actualizados a unos medios de control de equilibrado de las tensiones en las 15 disposiciones capacitivas (3) .

5. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende al menos un sensor de corriente (SENC1, SENC2) por semi-fase configurado para medir la corriente que circula por su respectiva semi-fase, comprendiendo los medios de procesamiento una entrada para recibir los valores de 20 corriente medidos y estando configurados para llevar a cabo dicha estimación de las tensiones en las disposiciones capacitivas a partir de los valores de corriente recibidos, de los valores de capacidad de las disposiciones capacitivas y de información sobre el estado activado/desactivado del sub-módulo respectivo (SMs (1) â?SMs (n) ; SMi (1) â?SMi (n) ) .

6. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado 25 porque los medios de procesamiento comprenden unos contadores que cuentan el tiempo que llevan sin actualizarse las medidas de tensión para cada disposición capacitiva, y porque están configurados para, si el tiempo contado por al menos uno de dichos contadores es superior a un valor límite y superior al del resto de contadores, forzar la activación del sub-módulo asociado. 30

7. Sistema según la reivindicación 6, caracterizado porque los medios de procesamiento están configurados para llevar a cabo dicha activación forzada variando los valores de tensión enviados a dichos medios de control de equilibrado de las tensiones en las disposiciones capacitivas.

8. Sistema según la reivindicación 6 ó 7, caracterizado porque dichos medios de procesamiento comprenden unos medios de actualización y estimación de tensiones (1) y unos medios de activación forzada (14) . 5

9. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque es un sistema redundante que comprende unos sensores de tensión adicionales (SENsTOTAL; SENiTOTAL) , cada uno de los cuales está configurado para medir la tensión de una respectiva semi-fase del convertidor, comprendiendo los medios de procesamiento unas entradas dispuestas para recibir información sobre los valores de tensión de las 10 medidas efectuadas por dichos sensores de tensión adicionales (SENsTOTAL; SENiTOTAL) y estando configurados para realizar una comprobación de redundancia comparando cada uno de dichos valores de tensión con la suma de los valores de tensión de cada semi-fase medidos por los sensores de tensión (SENs1, SENs2; SENi1, SENi2) , y actuar en consecuencia en función del resultado de dicha comparación. 15

10. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está aplicado a un convertidor trifásico, comprendiendo al menos un sensor de tensión (SENas1, SENas2, SENbs1, SENbs2, SENcs1, SENcs2; SENai1, SENai2, SENbi1, SENbi2, SENci1, SENci2) , por cada una de las seis semi-fases del convertidor.

11. Convertidor de potencia multinivel con almacenamiento distribuido de 20 energía, donde dicho convertidor de potencia comprende al menos una fase formada por dos semi-fases, cada una de las cuales comprende dos o más sub-módulos (SMs (1) â?SMs (n) ; SMi (1) â?SMi (n) ) conectados en serie, y donde cada sub-módulo comprende una disposición capacitiva que comprende uno o más condensadores (C) , dos terminales de salida (X1, X2) y unos medios de conmutación (SW) que conectan, de 25 manera alternativa, a los dos terminales de salida (X1, X2) con los extremos de la disposición capacitiva, para un estado activado del sub-módulo, o los cortocircuitan entre sí, para un estado desactivado del sub-módulo, estando el convertidor caracterizado porque comprende el sistema de medida según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, con cada uno de dichos sensores de tensión (SENs1, SENs2; SENi1, SENi2) 30 conectado entre los terminales extremos de unas respectivas disposiciones en serie de dos o más sub-módulos (SMs (1) â?SMs (n) ; SMi (1) â?SMi (n) ) .

12. Convertidor según la reivindicación 11, caracterizado porque comprende unos medios de modulación (5) que generan una señal de modulación, y unos medios de control de equilibrado (3) que reciben dicha señal de modulación, por una entrada (6) , y los valores de tensión medidos, estimados y actualizados por parte de los medios de procesamiento, por otra entrada (2) , y, en base a la señal y los valores recibidos y a un 5 criterio de equilibrado de las tensiones en las disposiciones capacitivas, genera y envía, por una respectiva salida (4) , a los medios de conmutación (SW) de los sub-módulos (SMs (1) â?SMs (n) ; SMi (1) â?SMi (n) ) y a los medios de procesamiento unas señales de activación/desactivación.

13. Método de medida de las tensiones de las disposiciones capacitivas de los 10 sub-módulos de un convertidor de potencia multinivel con almacenamiento distribuido de energía, donde dicho convertidor de potencia comprende al menos una fase formada por dos semi-fases, cada una de las cuales comprende dos o más sub-módulos (SMs (1) â?SMs (n) ; SMi (1) â?SMi (n) ) conectados en serie, y donde cada sub-módulo comprende una disposición capacitiva que comprende uno o más condensadores (C) , dos 15 terminales de salida (X1, X2) y unos medios de conmutación (SW) que conectan, de manera alternativa, a los dos terminales de salida (X1, X2) con los extremos de la disposición capacitiva, para un estado activado del sub-módulo, o los cortocircuitan entre sí, para un estado desactivado del sub-módulo, estando el método de medida caracterizado porque comprende realizar, de manera automática, las siguientes etapas: 20

- realizar dos o más medidas, al menos una por semi-fase, de la tensión existente entre los terminales extremos de una disposición en serie de al menos dos sub-módulos (SMs (1) â?SMs (n) ; SMi (1) â?SMi (n) ) ;

- realizar un proceso de validación de al menos una de dichas dos o más medidas de tensión, a partir de al menos información sobre el estado activado/desactivado de cada 25 sub-módulo (SMs (1) â?SMs (n) ; SMi (1) â?SMi (n) ) , y en el caso de que dicha validación ofrezca un resultado positivo determinar que la medida validada se corresponde substancialmente con una medida real de tensión en la disposición capacitiva de un sub-módulo activado de su respectiva disposición en serie de sub-módulos (SMs (1) â?SMs (n) ; SMi (1) â?SMi (n) ) ; y 30

- estimar las tensiones en las disposiciones capacitivas de los sub-módulos desactivados y, si la medida de tensión no ha sido validada, también de los sub-módulos activados.

14. Método según la reivindicación 13, caracterizado porque comprende establecer que dicho proceso de validación ofrece un resultado positivo si la medida de tensión ha sido realizada cuando solamente un sub-módulo de la respectiva disposición en serie de sub-módulos (SMs (1) â?SMs (n) ; SMi (1) â?SMi (n) ) se encontraba activado y éste es el que incluye a dicha disposición capacitiva respecto a la cual determinar dicha 5 medida real de tensión.

15. Método según la reivindicación 14, caracterizado porque comprende, para medir la tensión de la disposición capacitiva de un sub-módulo de interés, realizar las siguientes etapas:

a) realizar dicha medida de la tensión existente entre los terminales extremos de 10 una disposición en serie de dos o más sub-módulos (SMs (1) â?SMs (n) ; SMi (1) â?SMi (n) ) que incluyan a dicho sub-módulo de interés, y una medida de al menos la corriente que pasa por la semi-fase que lo incluye;

b) comprobar si se encuentra activado uno solo de dichos dos o más sub-módulos (SMs (1) â?SMs (n) ; SMi (1) â?SMi (n) ) , y si es así, comprobar si el sub-módulo que se 15 encuentra activado es dicho sub-módulo de interés;

b1) si cualquiera de dichas dos comprobaciones ofrece un resultado negativo, estimar la tensión en la disposición capacitiva del sub-módulo de interés a partir del valor de corriente medido de la semi-fase, del valor de la disposición capacitiva y de información sobre el estado activado/desactivado 20 del sub-módulo de interés; y b2) si la dos comprobaciones ofrecen un resultado positivo, considerar la medida de tensión como válida y determinar que se corresponde substancialmente con una medida real de tensión de la disposición capacitiva del sub-módulo de interés, actualizar una posible estimación previa, si es el 25 caso, y enviar el valor de tensión de dicha medida real a dichos medios de control de equilibrado de las tensiones en las disposiciones capacitivas del convertidor.

16. Método según la reivindicación 15, caracterizado porque dicha etapa b1) comprende: 30

b1a) enviar el valor de tensión estimado a unos medios de control de equilibrado de las tensiones en las disposiciones capacitivas del convertidor; o b1b) contar el tiempo que llevan sin actualizarse las medidas de tensión para la disposición capacitiva del sub-módulo de interés, y si éste es superior a un valor límite y superior al contado para las medidas de tensión para las disposiciones capacitivas del resto de sub-módulos, modificar el valor de tensión estimado y enviar dicho valor modificado a unos medios de control 5 de equilibrado de las tensiones en las disposiciones capacitivas del convertidor para que fuercen la activación del sub-módulo de interés.

17. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, caracterizado porque comprende utilizar el sistema de medida según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 para la medida de las tensiones de las disposiciones capacitivas 10 de los sub-módulos de un convertidor de potencia multinivel con almacenamiento distribuido de energía.