Convertidor multinivel con tensión adaptativa.
Sector de la técnica
Primer sector: ELECTRÓNICA DE POTENCIA
Segundo sector: CONVERTIDORES ELECTRÓNICOS PARA APLICACIONES DE ALTA TENSIÓN
Estado de la técnica
Los convertidores utilizados en la transmisión en corriente continua de alta tensión (HVDC) son fundamentalmente de dos tipos, mientras que un tercer tipo se puede encontrar más a nivel de investigación y está empezando a utilizarse en algunas instalaciones. Los dos tipos de convertidores comúnmente utilizados son el convertidor conmutado por línea (LCC) y el convertidor en fuente de tensión (VSC). Los convertidores VSC pueden ser de dos niveles o multinivel. A nivel de investigación y experimentación se encuentra el convertidor modular multinivel (MMC), introducido por primera vez para aplicaciones HVDC por Marquardt. Los convertidores MMC tienen las siguientes ventajas sobre otras topologías utilizadas en la transmisión HVDC:
1) El almacenamiento de energía capacitiva se distribuye.
2) Es una topología modular, por lo que es fácilmente escalable.
3) Debido a la gran cantidad de niveles, los filtros y transformador pueden no ser necesarios.
4) La frecuencia de conmutación resultante es alta.
La desventaja es el gran número de semiconductores y drivers que se necesitan. Además, la energía almacenada en los condensadores es mayor que en los convertidores VSC de dos o tres niveles convencionales. Es una topología muy interesante, no sólo para la transmisión HVDC, sino también para otras aplicaciones, como: accionamiento de motores, ST ATCOM, convertidores back-to-back, generación solar y eólica, convertidores matriciales y más.
Para controlar el voltaje de salida del convertidor, el estado del arte ofrece varias posibilidades:
1) Control PWM multinivel. Toma la referencia de la tensión de salida como punto de partida, calcula el valor medio de la tensión de referencia en cada período de PWM, y determina el tiempo que tienen que estar los módulos en ON para que el valor medio de salida sea el mismo.
2) Control PWM con desplazamiento de fase de la portadora. Se basa en la comparación de la referencia de la tensión de salida con un número de portadoras triangulares igual al número de módulos por rama.
3) Control predictivo. Calcula, cada periodo de conmutación, una función de coste para cada una de las combinaciones de estado de los módulos, y selecciona el estado con la función de coste más bajo.
Los sistemas de control de la tensión de salida del convertidor presentan el inconveniente de la complejidad y la necesidad de una elevada potencia de cálculo. Cada uno de los tres sistemas de control de la tensión de salida requiere hacer una elevada cantidad de operaciones en un tiempo muy pequeño. Además, el sistema tiene la complejidad de necesitar un lazo de control de corriente exterior al control de la tensión y un bloque de desacoplo de las ecuaciones de conexión con la red en los ejes d y q.
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Descripción de la invención
La presente invención resuelve los problemas anteriormente citados de los sistemas de generación de la tensión de salida (complejidad y necesidad de elevada potencia de cálculo). Sustituye el lazo de control de corriente, más el bloque de desacoplo de las ecuaciones de tensión, más el modulador de tensión, por un único bloque de control de corriente.
El sistema que se ha inventado permite el control directo de la corriente de salida del convertidor, mediante el accionamiento apropiado de los módulos de las distintas ramas.
La estructura del MMC se puede ver en la Figura 1. Tiene 6 ramas, formadas por la conexión en serie de varios módulos y una inductancia. Cada módulo está formado por dos IGBTs, dos diodos y un condensador. El número de módulos en estado ON en las ramas superior e inferior se denominan nu y n1, respectivamente. La suma de ambos debe ser igual al número de módulos n por rama, n = nu+n1. Por ello, la tensión de cada módulo debe regularse a un valor igual a vc = VDC/n.
La tensión de salida de cada rama Voabc solo puede tomar uno de n+1 valores discretos. Por ejemplo, si n = 5 (Tabla 1), el número de valores de Voabc es 6:
la rama superior nu e inferior n1 de cada fase que hay que conectar en ON en cada caso.
El sistema y procedimiento de control de la corriente alterna de un convertidor modular multinivel (MMC) mediante tensión proporcional al error de corriente comprende:
1) Medios de medida de la tensión VDC en la zona de corriente continua.
2) Medios de medida de la tensión de la red eléctrica vabc.
3) Medios de medida de la tensión de salida del convertidor MMC voabc.
4) Medios de medida de la corriente iabc en la zona de corriente alterna.
5) Medios de medida de la tensión vSM en los módulos del convertidor.
6) Medios de control encargados de:
a. Obtener el ángulo 0 del vector de la tensión de red vabc.
b. Obtener las componentes a y p de la tensión de red vabc (va y vp) y de la corriente del convertidor iabc ia e ip).
c. Obtener las componentes d y q de la tensión de red vabc (vd y vq) y de la corriente del convertidor iabc (id e iq).
d. Generar las referencias de corriente del convertidor iabc en los ejes d y q (id* e iq*).
e. Obtener las referencias de corriente del convertidor iabc en los ejes a y p (ia* e ip*).
f. Obtener las referencias de la corriente del convertidor iabc*.
g. Calcular el número de módulos que tienen que estar en estado ON en cada rama del MMC.
Breve descripción de la invención
Se trata de un sistema y procedimiento para controlar convertidores MMC como fuentes de corriente. El sistema de control consta de elementos de medida de varias tensiones y corrientes, y elementos de cálculo que pueden ser procesadores digitales o bien FPGA. El procedimiento de control es un sistema iterativo que en cada ciclo toma los valores de los elementos de medida y genera el número de módulos ON/OFF en cada rama del MMC.
En cada iteración, se mide si la corriente de cada fase está dentro o fuera de una banda de corriente definida alrededor de la corriente de referencia de dicha fase. Si está dentro, el número de módulos en estado ON de cada rama (denominado nu si es una rama superior, y n1 si es una rama inferior) se mantiene igual que en la iteración anterior. Si está fuera de la banda de corriente, se aumenta o se reduce la tensión del convertidor una cantidad proporcional a la distancia entre la corriente y el borde de la banda. De esta forma, cuanto más lejos esté la corriente de la banda, más tensión se aplica a la bobina
**(Ver fórmula)** **(Ver fórmula)**
En la Tabla 1 se indican el número de módulos de
de acoplamiento con la red para conseguir que la corriente vuelva a entrar dentro de la banda.
Explicación de las figuras y tablas
La Figura 1 muestra, según el estado del arte, un MMC trifásico con 5 módulos (SM) por rama. En la parte superior derecha aparece la estructura de cada SM.
La Figura 2 muestra, según el estado del arte, el diagrama de conexión del MMC a la red eléctrica por medio de una inductancia.
La Figura 3 muestra el esquema de control general. Incluye, según el estado del arte, un regulador PI para la potencia activa P o para la tensión en corriente continua VDC, y un regulador PI para la potencia reactiva Q. Emplea, según el estado del arte, módulos para la transformación entre componentes abc, ap y dq. La invención está incluida en el bloque "Comparador con excitación proporcional al error de corriente".
La Figura 4 muestra: (a) los valores discretos que puede tomar la tensión de salida vo del MMC, y que los valores de la tensión de red vf tienen forma senoidal y están comprendidos dentro del rango de los valores de vo; (b) la conexión a red de cada fase; (c) el control de la corriente del MMC if dentro de una banda £ de corriente alrededor del valor de referencia if*.
La Figura 5 muestra el procedimiento de control de la corriente alterna de un convertidor modular multinivel (MMC) mediante tensión proporcional al error de corriente: (a) niveles discretos de vo que se pueden aplicar en función del error de corriente; (b) cuando la corriente if sale de la banda de corriente una magnitud igual a if-(if*+£) o bien (if*-£)-if, se aplica una tensión vo proporcional a la magnitud del error; (c) diagrama del procedimiento.
La Figura 6 se refiere al ejemplo de aplicación y muestra las tensiones de salida voabc del MMC, las tensiones de la red eléctrica vabc, las corrientes de salida del convertidor iabc y los valores de referencia de las corrientes de salida del convertidor iabc*.
La Figura 7 se refiere al ejemplo de aplicación y muestra los armónicos de la corriente ia de la primera fase.
La Tabla 1 muestra, según el estado del arte, los niveles de la tensión de salida del MMC voabc en función del número de SM en ON de la rama superior nu y de la rama inferior n1 de cada fase, donde vc = VDC/n.
La Tabla 2 muestra los parámetros de simulación empleados en el ejemplo de realización de la invención.
Descripción detallada de la invención
La invención se refiere al control de un convertidor MMC conectado a la red eléctrica mediante una inductancia de acoplamiento (Figura 2) y controlado en fuente de corriente. Las potencias activa P y reactiva Q se controlan mediante dos reguladores proporcional- integral PI (Figura 3). Otra opción es sustituir el regulador de potencia activa P por un regulador de tensión de corriente continua VDC. De los reguladores PI se obtienen las referencias de las corrientes en los ejes directo id* y en cuadratura iq* respecto del vector de tensión de red vabc. A partir de estas corrientes se obtienen las referencias de las corrientes de las tres fases iabc*. El ángulo 0 para la transformación de Park se obtiene de
las tensiones de la red vabc, normalmente mediante un PLL. Los valores de P y Q se obtienen a partir de las corrientes iabc y las tensiones vabc de la red.
La tensión de salida de cada rama voabc puede tomar n+1 valores distintos (Figura 4a), según el número de módulos en ON en las ramas superior nu e inferior n (n^n^n):
Ydc ,
V0 = ~ + n;vc
En esta invención, la corriente de fase if (Figura 4b) se mantiene en una banda e alrededor de la corriente de referencia if* (Figura 4c) mediante el control de la tensión de salida de cada fase vo (Figura 4b).
El incremento de la corriente de la inductancia if depende del voltaje en sus extremos, Aif = f (Vq - vf) dt. La corriente de la inductancia if aumenta o se reduce dependiendo de
que el voltaje en la inductancia sea positivo o negativo, respectivamente. Cuando el número de módulos n de cada rama es elevado, el voltaje de cada módulo puede ser insuficiente para dirigir la corriente de la inductancia if de forma efectiva hacia su valor de referencia if. Por ello, en esta invención se ha incluido un nuevo procedimiento en el que la tensión de salida del MMC voabc puede tomar valores distantes del valor de la tensión de la red vabc para dirigir la corriente if de forma muy efectiva hacia su valor de referencia if*.
El procedimiento de control de esta invención es el siguiente. Cuando la corriente if se distancia del valor de referencia if* una magnitud superior a la banda e, se calcula la tensión voabc necesaria, la cual tendrá una distancia respecto de la tensión de red vabc proporcional a la distancia entre if y la banda de corriente (Figura 5b). Se emplea una constante de proporcionalidad ki entre la distancia de las tensiones voabc y vabc, y la distancia de la corriente if respecto de la banda de corriente. La tensión voabc responde a las siguientes fórmulas:
**(Ver fórmula)** **(Ver fórmula)**
y
que se emplean, respectivamente, cuando la corriente if ha salido por debajo y por encima de la banda £ alrededor de if*. La expresión "ent" significa redondeo al entero más próximo tendiendo hacia menos infinito. La constante k se calcula para que los valores
- - kv- y - tttp + (k + 1)vC sean los niveles adyacentes a la tensión de la red vf (Figura 5a).
El diagrama del procedimiento se puede ver en la Figura 5c. Al principio, se calcula el valor de n cuando la corriente if supera la banda por la parte superior. Después, se calcula el valor de n cuando la corriente if sale de la banda por la parte inferior. Cuando la corriente if se encuentra dentro de la banda, no se cambia el valor de n1 respecto de la
iteración anterior. La parte final es una limitación del valor de n1, que debe estar en el rango 0 a n, y el cálculo de nu en función de n1.
Ejemplo de realización de la invención
Se presenta un ejemplo de realización con 10 módulos por rama (n=10), y las gráficas de las variables obtenidas mediante simulación empleando los parámetros de la Tabla 2. El significado de los parámetros que no han aparecido previamente es:
Ts Paso de simulación del regulador de corriente
Tcr Paso de simulación de los reguladores de P y Q
Kp,P; ki,P Constantes proporcional e integral del regulador de P
kp,Q; kiQ Constantes proporcional e integral del regulador de Q
Las tensiones y corrientes se pueden ver en la Figura 6. Las tensiones tienen 11 niveles que no son sólo los valores inmediatamente superior e inferior a la tensión de red, sino que son proporcionales al error de la corriente, con una constante de proporcionalidad ki elegida para minimizar los armónicos de corriente inyectados hacia la red. Se observa que las corrientes siguen perfectamente los valores de sus referencias.
Los armónicos de las corrientes de fase (Figura 7) son inferiores a los valores límites establecidos por la normativa, tanto en distorsión armónica total como en magnitud de los armónicos individuales.
