METODO DE BALANCE DE TENSIONES DE LOS CONDENSADORES DEL BUS DE CORRIENTE CONTINUA DE UN CONVERTIDOR NPC
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se engloba dentro del ambito de los metodos de control de convertidores de potencia multinivel.
Mas concretamente, el objeto de la presente invención es un método para el control del balance de tensiones de los condensadores del bus de continua de un convertidor de potencia NPC (Neutral-Point-Clamped) de tres niveles.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Actualmente, el uso de convertidores de potencia esta altamente extendido en distintos sectores industriales que trabajan en media y alta potencia, tal como: procesos electromecanicos o electroqulmicos, sistemas de almacenamiento de energla, sistemas renovables de generación electrica, transmision de energla o fuentes de energla ininterrumpida.
Estos convertidores de potencia son sistemas electronicos capaces de alterar las caracterlsticas de la tension y de la corriente que reciben, transformandolas de manera optimizada para la aplicación especlfica a la que vayan a ser destinadas.
Desde la aparición de la topologla NPC de convertidores de potencia multinivel, tal y como esta descrito por A. Nabea et al. en "A Neutral-Point Clamped PWM Inverter", IEEE Transactions on Industrial Applications, volumen: IA-17, numero: 5, paginas: 518 523, 1981, el uso de los convertidores de potencia multinivel en aplicaciones con requerimientos de media y alta potencia electrica se ha ido extendiendo progresivamente.
Esto es debido a que los convertidores de potencia NPC de tres niveles, en comparación con otras topologlas, presentan una elevada tension de salida, una educción de la distorsion de los armonicos asl como del desgaste de los dispositivos semiconductores o un flujo de potencia bidireccional, entre otras ventajas.
El numero de dispositivos semiconductores de potencia y de condensadores que conforman el convertidor de potencia multinivel, asl como la estructura de la vinculación entre si, depende de la topologla del propio convertidor de potencia multinivel. Algunas otras topologlas mas comunes son el convertidor de potencia con diodos anclados DCC (Diode-Clamped Converter) , el convertidor de potencia con condensadores flotantes (Flying Capacitor Converter) , o el convertidor de potencia con conexion en cascada de puentes monofasicos (Cascaded Full-Briged Converter) .
A pesar de las ventajas de los convertidores de potencia multinivel, su control no es una tarea sencilla y, asimismo la complejidad aumenta conforme se incrementa el numero de niveles. Adicionalmente, cabe destacar el problema del balance de tensiones de los condensadores del bus de continua. Actualmente, el balance de tensiones de los condensadores del bus de continua es uno de los mayores problemas que presentan los convertidores de potencia NPC de tres niveles, ya que el desbalance de tensiones de los condensadores del bus de continua produce un deterioro en la forma senoidal de las tensiones que da lugar a un funcionamiento no deseado del convertidor de potencia multinivel, e incluso puede suponer el tambien deterioro de los condensadores, asl como del convertidor de potencia multinivel completo.
Un ejemplo de dispositivo de control para convertidores de potencia NPC de tres niveles, que pretende solucionar estos problemas, esta descrito por Stala, R., et al. en "Application of Balancing Circuit for DC-link Voltages Balance in a Single-Phase Diode-Clamped Inverter with Two Three-Level Legs", IEEE Transactions on Industrial Electronics, 58 (9) , 4185-4195, 2011. Mas concretamente, este dispositivo de control se basa en la inclusion de circuiterla adicional, tipo circuito RLC pasivo, para mantener fijas las tensiones de los condensadores lo que supone un importante aumento en el coste del sistema, asl como en el tamano y peso del mismo.
Actualmente, en el control de convertidores de potencia NPC de tres niveles es usual trabajar con modelos promediados donde los valores promediados de las senales discretas de actuación se consideran senales continuas. Para implementar las instrucciones de control resultantes de estos modelos se necesita una fase de iscretization, normalmente conocida como modulation. El objetivo de esta fase de modulation es el calculo de los valores discretos de las senales de actuation (destinadas a la apertura o cierre de los elementos de conmutación del convertidor de potencia NPC) en función de los valores promediados calculados. Las tecnicas de modulation mas utilizadas son Carrier-Based Pulse Width Modulation (CB-PWM) y Space Vector Modulation (SVM) , teniendo ambas multiples variantes.
Los metodos de control para el balance de tensiones en convertidores de potencia NPC de tres niveles basados en la modulation, si bien requieren algoritmos y estrategias de control muy elaboradas, representan una apuesta mas economica que el uso de circuiterla adicional. Algunos de estos complejos metodos estan descritos por J. Pou et al. en "Fast-Processing Modulation Strategy for the Neutral-Point-Clamped Converter with Total Elimination of Low-Frequency Voltage Oscillations in the Neutral Point" IEEE Transactions on Industrial Electronics; 54 (4) :2288-2294, 2007, o por A. Lewicki et al. en "Space-Vector Pulsewidth Modulation for Three-Level NPC Converter with the Neutral Point Voltage Control", IEEE Transactions on Industrial Electronics; 58 (11) :5076-5086, 2011.
Habitualmente estos metodos de control aumentan la complejidad del algoritmo y el numero de conmutaciones de los elementos de conmutación con lo que aumentan las perdidas electricas.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención describe un método de balance de tensiones de los condensadores del bus de corriente continua de un convertidor de potencia NPC de tres niveles que comprende un primer y un segundo condensador que conforman el bus de continua y que estan asociados a una pluralidad de elementos de conmutación que transforman la senal de entrada que reciben.
Concretamente, el método comprende las siguientes etapas:
a) recibir unas intensidades de fase (ia, ib, ic) , unas tensiones de los condensadores (vc1, vc2) , una primera y segunda componente de una tension de referencia en coordenadas apy, ua y up,
b) asignar un valor a una tercera componente de la tension de referenda uy en función del signo de la diferencia de tensiones entre los condensadores, y de las intensidades de fase (ia, ib, ic) , y
c) obtener los ciclos de trabajo en función de las componentes de la tension de referencia para minimizar el numero de conmutaciones de los elementos de conmutación del convertidor de potencia NPC de tres niveles.
Concretamente, el método recibe de una unidad de control de potencia externa la primera y la segunda componente ua, up. Adicionalmente las intensidades de fase (ia, ib, ic) y las tensiones de los condensadores (vc1, vc2) son recibidas del propio convertidor de potencia NPC de tres niveles.
Este método permite asignar el valor de la tercera componente uy para obtener las tensiones de referencia en coordenadas a b c mediante el uso de la transformada de Clarke-Concordia y asl obtener unas componentes transformadas ua, ub uc, mediante las cuales generar un ciclo de trabajo acorde a dichas tensiones, que es aplicado al convertidor de potencia NPC de tres niveles a traves de una unidad de modulación. De este modo se consigue el balance de tensiones de forma sencilla y eficiente y sin aumentar el numero de conmutaciones realizado por la pluralidad de elementos de conmutación.
Mas concretamente, dichas componentes transformadas ua, ub y uc representan los valores normalizados de las componentes transformadas en el sentido que el valor ua = -1 corresponde al caso en el que la fase a esta conectada al valor inferior de tension, ua = 0 corresponde al valor intermedio y ua = 1 al valor superior. La normalization en coordenadas apy debe ser consistente con la anterior, tras realizar dicha transformation de Clarke-Concordia de la tension de referencia.
Esto se basa en la ecuación diferencial que gobierna la diferencia de tensiones entre los condensadores (vc1, vc2) , la cual se expresa de la forma:
Donde la diferencia de tensiones se expresa como la resta de la tension del primer y el segundo condensador, v d = v Ci - v Cz y los terminos entre parentesis representan los iclos de trabajo de cada una de las fases en nivel positivo y negativo. Este método impone en cada fase ( a b c ) que uno de estos niveles sea cero, de modo que la derivada anterior se puede expresar en función de las componentes transformadas ua, ub, uc de la tension de referencia tal y como:
El método se basa en minimizar en cada instante de muestreo la función:
La función s ig n o ( v d) devuelve un numero de acuerdo a las siguientes reglas:
• cuando vd es superior a 0 su resultado es 1,
• cuando vd es igual a 0 su resultado es 0,
• cuando vd es inferior a 0 su resultado es -1,
El problema de optimization planteado es lineal a tramos por lo que basta evaluar la función de coste en una serie de puntos (como maximo 5) y elegir el menor de ellos.
De este modo, por medio de una logica y unas formulas extraordinariamente simples es posible calcular las senales discretas, resolviendo al mismo tiempo el problema del balance de tensiones en convertidores de potencia NPC de tres niveles. Los beneficios frente a los metodos existentes son su simplicidad, que redunda en un menor coste computacional y su eficiencia, ya que se mantiene bajo el numero de conmutaciones lo que mantienen bajas las perdidas sin requerir la inclusion de circuiterla adicional.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la description que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracterlsticas de la invention, de acuerdo con un ejemplo de realización practica de la misma, se acompana como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista de un esquema de conexiones de un convertidor de potencia NPC de tres niveles a controlar mediante el método de la presente invención.
Figura 2.- Muestra una vista esquematica de las tensiones de referencia y los valores llmite establecidos.
Figura 3.- Muestra una vista esquematica de la evolución de las corrientes de fase en un ejemplo simulado.
Figura 4.- Muestra una vista esquematica de la evolución de la diferencia de tensiones entre el primer y el segundo condensador en un ejemplo simulado.
Figura 5.- Muestra una vista esquematica de la evolución de los niveles activos para cada fase junto a su valor promedio en un ejemplo simulado.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
En una realización preferente de la presente invención el método se utiliza para balancear las tensiones de los condensadores del bus de corriente continua de un convertidor de potencia NPC de tres niveles (2) que comprende dichos condensadores asociados a una pluralidad de elementos de conmutación no representados y que esta vinculado, tal y como se muestra en la figura 1, con al menos una unidad de control de potencia externa (3) , y con una unidad de modulación (4) .
Para este método son conocidas, las intensidades de fase (ia, ib, ic) , las tensiones de los condensadores (vc1, vc2) , y la primera y segunda componente de la tension de referencia en coordenadas apy, ua y up, las cuales se han calculado mediante la unidad de control de potencia externa (3) . Este método permite asignar un valor a la tercera componente de la tension de referencia uy, para realizar posteriormente el calculo de las tensiones de referencia en coordenadas a b c mediante la transformation de Clarke-Concordia.
Mas concretamente, el método comprende las siguientes etapas:
a) recibir las intensidades de fase (ia, ib, ic) , las tensiones de los condensadores (vc1, vc2) , la primera y segunda componente ua y up,
b) Asignar un valor a la tercera componente uy en función del signo de la diferencia de tensiones entre los condensadores, y de las intensidades de fase (ia, ib, ic) , y
c) obtener ciclos de trabajo en función de las componentes ua, up, y uy para minimizar el numero de conmutaciones de los elementos de conmutación del convertidor de potencia NPC de tres niveles.
Mas concretamente, la etapa b) comprende las subetapas:
• obtener a partir de las componentes ua, up, y uy las componentes transformadas ua, ub y uc, mediante la transformada de Clarke-Concordia, donde los valores las componentes transformadas ua, ub y uc, estan limitados entre un llmite superior e inferior. Este llmite superior e inferior es 1 y -1 respectivamente,
Mas concretamente para obtener dichas componentes transformadas ua, ub y uc se realizan las siguientes etapas:
• Expresar las componentes transformadas ua, ub y uc según las siguientes ecuaciones:
donde, estas ecuaciones corresponden a tres rectas paralelas acordes a la figura 2, donde S a, S b y S c son valores fijos, x un valor variable que esta comprendido entre xmin y xmax, y ua, ub y uc deben estar comprendidas entre -1 y 1.
• calcular las ordenadas en el origen de las tres rectas paralelas:
• denominar 51 al menor de los valores anteriores Sa, Sb y S c y 53 al mayor de dichos valores anteriores Sa, S b y S c,
• obtener los valores de xmin y xmax, segun:
• calcular los valores de x para los que se anulan las componentes transformadas ua, ub y uc, segun:
co C
• formar un conjunto de puntos x dentro de los valores xmin y xmax y calcular la función objetivo a minimizar, segun:
• seleccionar el valor de la variable x* que minimiza la función objetivo eligiendo el valor mlnimo de los siguientes casos:
• obtener las componentes transformadas ua, ub y uc, de la tension de referencia con el valor variable x*, segun
Mientras que la etapa c) comprende las siguientes subetapas:
• calcular los niveles adyacentes, redondeando las tensiones ua, ub y uc al menor entero mas cercano
li1 = floor (ui) (siendo ui cada una de ua, ub y uc)
li2 = l^+1
donde floor (x) indica el mayor entero menor que x, y
• calcular los ciclos de trabajo (d) asociados a li1 y li2
d (li2) = ui-li1
d (li1) = 1-d (l2)
A continuation se debe realizar la implementation de estos ciclos de trabajo, por ejemplo pero no exclusivamente, mediante una modulation por ancho de pulso (PWM) implementada por una unidad de modulación (4) en sus distintas variantes. Es decir el método comprende una etapa d) que a su vez comprende enviar los ciclos de trabajo a dicha una unidad de modulación (4) .
Para comprobar el funcionamiento del metodo, el dispositivo de control (1) que ejecuta dicho método descrito anteriormente, se vincula tal y como se muestra en la figura 1, con el convertidor de potencia NPC de tres niveles (2) , con una unidad de control de potencia externa (3) , y con una unidad de modulación (4) . Adicionalmente, el convertidor de potencia NPC de tres niveles (2) esta vinculado con la unidad de control de potencia (3) y con la unidad de modulación (4) .
De este modo, el convertidor de potencia NPC de tres niveles (2) recibe una senal de entrada trifasica y genera mediante la conmutación de los elementos de conmutación una senal de salida de corriente continua. Destacar que debido a que estos convertidores de potencia NPC de tres niveles son reversibles, la conversion tambien podrla ser de corriente continua a corriente alterna trifasica.
El dispositivo de control (1) comprende una pluralidad de entradas para recibir las intensidades de fase (ia, ib, ic) y la tension de los condensadores (vc1, vc2) desde el convertidor de potencia NPC de tres niveles (2) , y los valores de las componentes ua y up, desde la unidad de control de potencia (3) .
Mas concretamente, el dispositivo de control (1) comprende un microprocesador y una memoria vinculada con dicho microprocesador, donde la memoria a su vez comprende instrucciones que capacitan al microprocesador para:
a) recibir el valor de las intensidades de fase (ia, ib, ic) y la tension de los condensadores (vc1, vc2) y los valores la primera y segunda componente ua y up de la tension de referencia,
b) asignar el valor de la tercera componente uy de la tension de referencia en función del signo de la diferencia de tensiones entre los condensadores y de las intensidades de fase, y
c) obtener los ciclos de trabajo en función de la tension de referencia para minimizar el numero de conmutaciones de los elementos de conmutación del convertidor de potencia NPC de tres niveles.
Adicionalmente el dispositivo de control (1) comprende una salida para enviar los ciclos de trabajo de cada nivel en cada fase que se implementan posteriormente en la unidad de modulation (4) mediante técnica PWM o equivalente.
Mas concretamente, en las figuras 3, 4 y 5 se muestran los resultados de una simulation para los siguientes parametros del circuito: C=3300pF, L=3.5mH, tension de alimentation 230V, frecuencia 50Hz y carga resistiva de 60 Q. Para el control se ha elegido un periodo de muestreo de 200 ps. Para controlar las potencias instantaneas activa y reactiva, asl como la tension total de salida, y hacer que tiendan a sus respectivas referencias (se ha tomado 12000 W como referencia para la potencia activa y 0 Var para la reactiva) se ha utilizado la unidad de control de potencia externa (3) propuesto en el artlculo "A Model-Based Direct Power Control for Three-Phase Power Converters" (autores: S. Vazquez, J. A. Sanchez, J. M. Carrasco, J. I. Leon y E. Galvan, IEEE Transactions on Industrial Electronics, volumen: 55, numero: 4, paginas: 1647-1657, abril 2008) . Hay que senalar que cualquier otra unidad de control de potencia (3) que consiga controlar las potencias y la tension total de salida tambien serla valido para reproducir esta simulación.
La simulación se ha realizado en Matlab-Simulink implementando los pulsos de los IGBTs a partir de los ciclos de trabajo obtenidos con el método que se reivindica mediante la técnica PWM utilizando una onda triangular de periodo igual al periodo de uestreo. Las condiciones iniciales son ia=0 A, ib =21.65 A, ic =-21.65 A, vdc =700 V y diferencia de tensiones (vd) igual a 100 V. En la figura 3 se muestra la evolución de las intensidades que no se ven afectadas por el método propuesto. La figura 4 muestra la evolución de la diferencia de tensiones que, partiendo del valor inicial de 100 V se acerca rapidamente a cero y se mantiene cercana a este valor. La figura 5 muestra la evolución del nivel activo en cada fase durante la primera parte de la simulación junto con su valor promediado.
