ES2328994B1 - Compensador de equilibrado de las tensiones de los condensadores del bus de continua en un convertidor de potencia de tres niveles. - Google Patents
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Abstract
Compensador de equilibrado de las tensiones de
los condensadores del bus de continua en un convertidor de potencia
de tres niveles.
La presente investigación consiste en un sistema
de compensación para el equilibrado de tensiones de los
condensadores en el convertidor de tres niveles del tipo de
fijación de diodos (NPC:
Neutral-Point-Clamped converter).
Este sistema de compensación está basado en proporcionar una señal
de offset o componente homopolar añadida a las señales moduladoras
del sistema trifásico del convertidor. Como consecuencia de la
modificación de las moduladoras, cambiarán los estados on/off de
los dispositivos de potencia permitiendo, con un control adecuado,
equilibrar las tensiones de los condensadores del bus de continua.
El compensador se encargara de equilibrar las tensiones del bus de
continua de la forma más óptima, independientemente del punto de
trabajo del sistema y sin aumentar las pérdidas de conmutación ni
distorsionar las tensiones de salida del convertidor.
Description
Compensador de equilibrado de las tensiones de
los condensadores del bus de continua en un convertidor de potencia
de tres niveles.
La presente invención está relacionada, de forma
general, con la electrónica de potencia, y de forma más particular,
en compensar las tensiones de los condensadores del bus de continua
en los convertidores de tres niveles NPC. Este tipo de convertidores
son muy utilizados en aplicaciones de gran potencia, especialmente
en accionamientos de motores y más recientemente en generadores
eólicos.
Un compensador o controlador de las tensiones de
los condensadores del bus de continua en un convertidor de tres
niveles NPC, consiste en un sistema diseñado para equilibrar o
igualar las tensiones en el bus de continua. De este modo el
compensador debe regular dichas tensiones a un valor igual a la
mitad de la tensión total del bus y resolver uno de los principales
problemas de esta topología.
La modulación consiste en hacer conmutar
adecuadamente los dispositivos de potencia del convertidor. Existen
diversas técnicas de modulación aplicables a los convertidores
estáticos. En el caso del convertidor de tres niveles NPC, y para
las técnicas de modulación habituales, pueden aparecer oscilaciones
de baja frecuencia en el punto neutro dependiendo de las
condiciones de trabajo del convertidor. En la actualidad hay
diversas técnicas de modulación que eliminan totalmente estas
oscilaciones [5], [6]. Sin embargo estas técnicas no proveen de
equilibrado natural de las tensiones de los condensadores, por lo
que resulta necesario diseñar un sistema de compensación.
Existen diferentes técnicas de compensación,
pero no todas son válidas para todos los tipos de modulaciones. De
este modo el tipo de modulación elegida establecerá la técnica o
estrategia de compensación para poder controlar el equilibrado de
las tensiones de los condensadores del bus de continua. Toda
compensación implica una actuación sobre el sistema modulador.
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[6] J. Pou, P. Rodríguez, J.
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Electronics conference (IECON'05), Nov. 6-10,
2005, Raleigh, NC, USA, pp. 1054-1059.
Para conseguir que la tensión del punto neutro
(NP: Neutral Point) en un convertidor NPC se mantenga
estable y no evolucione, se debe conseguir un valor medio nulo para
la corriente en el NP calculada sobre cada ciclo de muestreo o
conmutación [5], [6]. De esta forma se eliminan todas las posibles
oscilaciones de tensión de baja frecuencia. A pesar de ello, y dada
la inexistencia de equilibrado natural, debe proveerse de algún lazo
de realimentación para conseguir la tendencia al equilibrado y
evitar derivas indeseadas para estas tensiones. Sería deseable
disponer de un sistema de compensación que equilibrase las
tensiones lo más rápidamente posible y garantizando su
estabilidad.
Atendiendo a la materialización de la invención,
el método de compensación consiste en la inyección de una cantidad
de corriente determinada en el NP. Esto es factible mediante el
cálculo de un nivel/amplitud de tensión de offset, que
aplicado a las señales trifásicas del modulador, producirá un
aumento/disminución del tiempo de conexión de cada una de las fases
en el NP. Esto produce una carga/descarga de las tensiones de los
condensadores del bus de continua. Las variables fundamentales del
compensador aquí presentado son el error en las tensiones de los
condensadores del bus de continua, los valores instantáneos y
extrapolados al siguiente ciclo de conmutación (k+1) de las
corrientes de la carga, los ciclos de trabajo de las señales
moduladoras y la corriente instantánea promediada extrapolada en
(k+1) en el NP del bus del convertidor estático.
A continuación se describirán de forma detallada
las relaciones de la presente investigación en base a los dibujos
adjuntos, en los cuales:
La figura 1 muestra a modo de ejemplo
aclaratorio, el esquema de una aplicación particular del
compensador de las tensiones del bus de continua en un convertidor
estático.
La figura 2 muestra con detalle el convertidor
estático del tipo NPC de tres niveles en el que se ha aplicado el
compensador.
La figura 3 muestra con detalle los elementos
del bus de continua con el punto de inyección de corriente para la
compensación.
La figura 4 muestra la forma de onda de la
moduladora de una de las fases del sistema modulador que garantiza
una corriente media cero calculada en un ciclo de conmutación.
La figura 5 muestra con detalle las entradas del
limitador final con un ejemplo gráfico para dos índices de
modulación diferentes.
La figura 6 muestra los resultados
experimentales de la compensación de varios desequilibrios de las
tensiones de los condensadores del bus de continua.
La figura 7 muestra resultados experimentales de
la utilización de un bloque limitador en el compensador de esta
invención.
Las variables de entrada del primer bloque del
compensador (12) del calculador de desequilibrio/signo final de
offset (1), corresponden a las tensiones de los
condensadores del bus de continua (14). Estas son medidas mediante
unos sensores de tensión (7), donde las señales de lectura de estos
(8) corresponden a las dos variables de entrada del bloque (1).
Mediante la diferencia de las entradas de señal de tensión se
calcula el valor de desequilibrio. Otras entradas corresponden a las
corrientes de la carga (16) del convertidor estático (15). Estas
son medidas mediante unos sensores de corriente (9), donde las
señales de lectura de estos (10) corresponden a las otras tres
entradas del bloque (1). Mediante un algoritmo se calcula el signo
final del offset del compensador. La salida del error de
equilibrado corresponde a la entrada del bloque (2) que mediante un
algoritmo calcula el valor de la corriente promediada en el NP del
bus de continua. Para el cálculo de los ciclos de trabajo actuales
en el modulador (13), se utiliza un algoritmo adecuado en el bloque
(3). El bloque (4) mediante las entradas de las señales de las
corrientes de carga, calcula el valor instantáneo extrapolado en
(k+1) de estas. Finalmente, el bloque más importante de este
compensador es el calculador de las amplitudes de offset de
cada fase del sistema (5), donde mediante un algoritmo se calcula
este valor final. Las variables de entrada de éste son las
correspondientes salidas de los bloques (2), (3), y (4).
Este compensador incorpora un limitador de
offset. Este limitador restringe la señal de offset
en función del índice de modulación (amplitud de las moduladoras),
garantizando la estabilidad del sistema y con velocidad máxima de
equilibrado. En este bloque también se le da el signo adecuado al
valor de offset calculado en el bloque (5). Cabe destacar,
que la asignación del signo del offset final no tiene por que
ser asignado en el bloque limitador, pudiendo ser éste asignado
previamente en el bloque (5). La salida del limitador proporciona
tres señales de compensación (17), resultantes de las tres
moduladoras a modificar en el caso de un convertidor trifásico.
Estas señales modificaran las señales moduladoras. Esta
modificación no debería aumentar las pérdidas de conmutación ni
distorsionar las salidas del convertidor estático. Por este motivo,
y como ejemplo en el caso de la moduladora de la fase "a" (18),
el efecto de compensación debería aplicarse entre los intervalos en
que ninguna de ellas este enclavada a cero. También es importante
que este offset se aplique con signo contrario para la
moduladora negativa, de este modo no se producirá distorsión en la
salida del convertidor.
Es importante matizar que este compensador es
aplicable a convertidores de fijación de diodos de tres niveles (o
NPC) y de más niveles. Así también el limitador de
offset.
- (1)
- Calculador del desequilibrado de los condensadores del bus de continua y del signo de la tensión/amplitud del offset final de compensación
- (2)
- Calculador de la corriente promediada en el NP del bus de continua.
- (3)
- Calculador de los ciclos de trabajo aplicados al convertidor por las moduladoras del sistema modulador
- (4)
- Calculador de los valores de las corrientes instantáneas en la carga del convertidor en las tres fases del sistema trifásico
- (5)
- Calculador de la tensión/amplitud del offset compensador
- (6)
- Limitador adaptativo y asignación del signo de la tensión/amplitud del offset para el modulador
- (7)
- Sensores de tensión de los condensadores del bus de continua
- (8)
- Señal de lectura de la tensión de un condensador del bus de continua
- (9)
- Sensores de las corrientes de carga
- (10)
- Señal de lectura de las corrientes de las fases de la carga
- (11)
- Lectura de las señales moduladoras
- (12)
- Compensador de los desequilibrios de las tensiones en los condensadores del bus de continua
- (13)
- Modulador de los estados on/off de los dispositivos de potencia del convertidor
- (14)
- Bus de continua del convertidor
- (15)
- Convertidor estático
- (16)
- Carga del convertidor
- (17)
- Señales de la amplitud/tensión de compensación
- (18)
- Señales moduladoras de la fase "a".
Se presenta a título de ejemplo una aplicación
particular en el convertidor multinivel NPC representado en la
figura 1. En este caso los valores del convertidor son los
siguientes: voltaje del bus de continua V_{dc} = 110 V,
capacidad de los condensadores del bus de continua C = 1,100 \muF,
carga conectada en estrella (resistencia-bobina) R =
10 \Omega y L = 12 mH y la frecuencia de portadora f_{s}
= 5 kHz.
En esta aplicación particular, al disponer de un
bus de continua v_{dc} = 110 V, la tensión de los
condensadores debe ser equilibrada lo más rápidamente posible a un
valor de \frac{v_{dc}}{2} y sin aumentar las pérdidas de
conmutación, como también
{}\hskip17cm evitando la aparición de oscilaciones de baja frecuencia en el NP, ya que la modulación utilizada se caracteriza por esta eliminación [6].
{}\hskip17cm evitando la aparición de oscilaciones de baja frecuencia en el NP, ya que la modulación utilizada se caracteriza por esta eliminación [6].
Mediante el compensador y sus diferentes bloques
calculadores es posible implementar el siguiente algoritmo para las
tres moduladoras del sistema trifásico de este ejemplo.
Las diferentes variables de este algoritmo se
calculan en los módulos anteriores al (5) mediante otros algoritmos
secundarios. El signo \pm corresponde al bloque (1). En el caso
de la corriente promediada y extrapolada a (k+1) en el NP calculada
en el bloque (2) corresponde a la variable:
\upbar{i}_{0}(k+1)
\newpage
Los ciclos de trabajo de cada fase están
representados por:
El valor de las corrientes instantáneas
extrapoladas a (k+1) de las tres fases {a,b,c,} están representados
por:
Finalmente el valor del limitador en función del
índice de modulación (m) viene definido por:
0.866
m
En la figura 6 (a) se muestra el resultado
experimental de equilibrado de las tensiones de los condensadores
del bus de continua para diferentes índices de modulación. En la
figura 6 (b) se comprueba el buen funcionamiento del sistema. En la
parte superior se representa una tensión compuesta de salida, la
tensión en el NP de los dos condensadores, y en la parte inferior
las corrientes en la carga.
En la figura 7 (a) se muestra la diferencia de
velocidad para un mismo índice de modulación con el uso del
limitador (figura 5), donde la más rápida corresponde al uso de
este. En la (b) se muestra en la parte superior la aparición de unas
oscilaciones si el valor de compensación es demasiado grande para
un determinado índice de modulación, y en la inferior la
desaparición de estas con el uso del limitador.
Claims (8)
1. Un compensador para los desequilibrios de las
tensiones de los condensadores en el bus de continua de un
convertidor multinivel NPC que comprende:
- un calculador del desequilibrado y signo de la compensación, en el cual están implementados los algoritmos que calculan el incremento de desequilibrado de los condensadores del bus de continua y el signo con el que debe ser compensado;
- un calculador de la corriente promediada en el NP del bus de continua, en el cual está implementado el algoritmo que calcula una extrapolación de la corriente en el NP;
- un calculador de los ciclos de trabajo del convertidor, en el cual está implementado el algoritmo que calcula el ciclo de trabajo de cada una de las fases del sistema modulador;
- un calculador de los valores de las corrientes instantáneas extrapoladas en la carga del convertidor en las tres fases del sistema trifásico;
- un calculador de nivel de compensación, donde está implementado el algoritmo que calcula la tensión/am- plitud del offset que debe ser aplicado al modulador;
- un limitador adaptativo donde es limitada tensión/amplitud del offset para el modulador en función del índice de modulación de las señales moduladoras.
2. Un compensador según reivindicación 1,
caracterizado en que el limitador adaptativo donde es
limitada tensión/amplitud del offset para el modulador en función
del índice de modulación de las señales moduladoras asigna también
en su salida el signo de la variable de compensación.
3. Un compensador según reivindicaciones 1 y 2,
caracterizado en que el calculador de nivel de compensación
se base o implemente utilizando conjuntamente el valor instantáneo
de las corrientes de carga de cada fase, el error de desequilibrio
de los condensadores, corriente promediado en el punto neutro y
ciclos de trabajo del modulador.
4. Un compensador según reivindicaciones 1, 2 y
3, caracterizado en que el calculador de nivel de
compensación se implementa con los valores de las corrientes de
carga de cada fase y corriente promediado en el punto neutro con
sus valores en (k+1), donde k corresponde al valor de la muestra
actual leída por los sensores de corriente correspondientes. Siendo
en este caso (k+1) los valores que deberían tomar las corrientes de
cada fase y corriente promedio en el siguiente ciclo de trabajo del
compensador.
5. Un compensador según reivindicaciones 1 y 2,
caracterizado en que el limitador de offset
adaptativo limita los valores de compensación del calculador de
nivel de compensación en función del índice de modulación y de las
moduladoras de cada fase.
6. Un compensador según reivindicaciones 1, 2 y
5, caracterizado en que el limitador de offset
adaptativo limita los valores de compensación o señal de control de
un controlador lineal o no lineal en función del índice de
modulación y con el propósito de compensar los desequilibrios del
bus de continua.
7. Un compensador según reivindicaciones 1, 2, 5
y 6, caracterizado en que el limitador de offset
adaptativo, limita los valores de compensación por debajo del
índice de modulación en que esté trabajando el convertidor.
8. Un compensador según reivindicaciones 1 a 7,
para convertidores de tres niveles del tipo NPC.
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2007
- 2007-03-16 ES ES200700739A patent/ES2328994B1/es active Active
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