MÉTODO DE CONTROL DE UN CONVERTIDOR ELECTRÓNICO CC/CA TRIFÁSICO
CON FALLO EN UNA FASE
Objeto de la invención
El objeto de la presente invención es controlar los vectores de salida de un convertidor CC/CA donde se ha producido el fallo de un interruptor o de dos interruptores en una misma fase del convertidor. Esto permite seguir vertiendo potencia del convertidor a la red CA a la que se encuentre conectado. Para ello, el método de la presente invención reconstruye y estabiliza los vectores espaciales hasta formar un hexágono regular, permitiendo poder seguir utilizando un Modulador de Vectores Espaciales "SVM" (seis vectores formando un hexágono regular) del estado de la técnica.
Por tanto, la presente invención resuelve el problema técnico de permitir seguir utilizando, intercambiando potencia con la red, un convertidor electrónico CC/CA conectado a la red en el que uno o dos interruptores de la misma fase están en fallo.
La presente invención se refiere, por tanto, al campo de la electrónica de potencia, y más concretamente al sector de la técnica dedicado a los convertidores electrónicos para la conversión entre corriente continua y corriente alterna.
Antecedentes de la invención
Aunque hay diversos métodos ya conocidos en el estado de la técnica para el control de un convertidor electrónico CC/CA como el divulgado en "Kai Ni, Yihua Hu, Yang Liu, and Chun Gan. Performance Analysis of a Four-Switch Three-Phase Grid-Side Converter with Modulation Simplification in a Doubly-Fed Induction Generator-Based Wind Turbine (DFIG-WT) with Different External Disturbances. Energies 2017, 10, 706; doi:10.3390/en10050706", la presente invención proporciona un método que facilita la generación de tensión mediante vectores espaciales. Efectivamente, después de la avería, el convertidor sólo puede generar cuatro vectores espaciales en lugar de seis, y además los cuatro vectores espaciales son inestables en posición y módulo. Esta inestabilidad es un problema para realizar la modulación ya que es fundamental conocer el cuadrante o sector donde se encuentra el vector que se quiere reproducir por modulación, v r e f, para elegir correctamente los vectores moduladores. Si los cuadrantes de la Figura 6 son inestables, se vuelve más complejo obtener el cuadrante en el que se encuentra el vector v ref.
Además, realizar una modulación de v r e f con cuatro vectores inestables requiere una nueva filosofía diferente a la de un SVM convencional, lo que es más complejo para el programador del sistema de control del convertidor electrónico.
Descripción de la invención
La presente invención se refiere a un método de control de un convertidor electrónico CC/CA con fallo en una fase, donde el convertidor electrónico CC/CA trifásico está conectado a la red para intercambiar potencia eléctrica con la red. El fallo en la fase puede ser de un interruptor o de dos interruptores.
Mediante esta invención se vuelve a disponer de seis vectores espaciales con una posición estable (modulados a partir de los cuatro generables) lo que es imprescindible para escoger los vectores con los que realizar la modulación. Facilita, además, al programador del control del convertidor utilizar el software de antes de la avería, con pequeñas modificaciones y manteniendo la filosofía de un modulador SVM clásico de seis vectores en hexágono (ver Figura 8) . En realidad, el programador superpondrá dos modulaciones: una modulación para generar (V\, %, , %, %, V¡ y Vg) a partir de (F00, V10, V1:L, V01) y otra modulación, la de un SVM clásico, para generar v r e f a partir de (V*, V2, %, V3 V y Vg) .
De forma muy resumida, la presente invención consiste en reconstruir y estabilizar el hexágono de la figura 1 a partir de los rombos de la figura 5 y la figura 6 según el método de la presente invención. Una vez reconstruido el hexágono, con ángulos de 60º constantes (ver figura 7) puede utilizarse un modulador de vectores espaciales convencional (SVM) , aunque es cierto que los vectores espaciales resultantes (Vi, V*, V3 , V3 V3 y Vg) tienen un módulo menor que los de la figura 1 (antes de la avería) .
El método de control de un convertidor electrónico CC/CA trifásico con fallo en una fase de la presente invención está dirigido a un convertidor electrónico CC/CA trifásico que comprenda un bus de corriente continua formado por al menos dos condensadores "C1" y "C2" en serie. El método de control de un convertidor electrónico CC/CA trifásico con fallo en una fase de la presente invención comprende:
- conectar la fase con fallo de al menos un interruptor con el punto medio del bus de Corriente Continua formado entre los condensadores C1 y C2;
- medir unos vectores de tensión V00, V01, V10 y F1 :L, generados por el convertidor CC/CA trifásico cuando el convertidor electrónico CC/CA trifásico tiene un fallo de al menos un interruptor en una misma en una fase;
- calcular un vector de tensión V aplicando el vector de tensión F00 durante el % del periodo definido como dVoo;
- calcular un vector de tensión V2 aplicando el vector de tensión V00 durante el % del periodo definido como dVoo y el vector de tensión V10 durante el % del periodo definido como dv1º;
- calcular un vector de tensión V3 aplicando el vector de tensión F10 durante el % del periodo definido como dVio y el vector de tensión í^ 11 durante el % del periodo definido como dv11 ;
- calcular un vector de tensión V4 aplicando el vector de tensión
durante el % del periodo definido como dVi i ;
- calcular un vector de tensión V5 aplicando el vector de tensión í 1^ 1 durante el % del periodo definido como dVi i y el vector de tensión V01 durante el % del periodo definido como dVoi;
- calcular un vector de tensión V6 aplicando el vector de tensión V01 durante el % del periodo definido como dVoi y el vector de tensión V00 durante el % del periodo definido como dVoo;
- reconstruir un hexágono formado por los vectores 
V3 y Vs;
- realizar una modulación del vector vre/ como
vre/ _ Vfc " ^ fc^ Vfc+1 " ^fc+1 + 0 ^vo
para k= 1, 2, 3, 4 5 y 6, donde
y Dk+1 son los duty cycles globales, los cuales son esultantes de las dos modulaciones, una para situar los vectores Vi, V2, V3, V4, V y V exactamente a 0º, 60º, 120º, 180º, 240º, 300º y 360º y otra para generar vref a partir de ellos.
Para realizar la modulación del vector vre/, el método de la presente invención discrimina entre dos tipos situaciones:
A) vcl = vc2 = Vcc/2
B) v#i ' v#2 ' V%c&2
Situación A) : vcl _ vc2 _ Vcc/2
En este caso, el método de la presente invención adicionalmente comprende:
- limitar el módulo del vector üre/ a un valor máximo:
_ Vcc/2
^re/ max ^ 3
- mantener la fase de los vectores V*, %, %, V^ V2 y V situados exactamente a 0º, 60º, 120º, 180º, 240º, 300º y 360º mediante el cálculo de los duty cycles
- llevar a cabo una etapa de modulación de vectores espaciales, SVM, mediante un modulador de vectores espaciales SVM, el cual calcula los duty cycles dyi, dy2, dy3, dVAldVs> dy6 que dan lugar a üre/ a partir de V'2, V2, V'2, V*, V2 y V (una vez situados exactamente a 0º, 60º, 120º, 180º, 240º, 300º y 360º) según la Tabla 1, dando lugar a nuevos duty cycle globales, Dyk, D^k+i, que son el resultado de componer las dos modulaciones (la primera modulación sitúa los vectores exactamente a 0°, 60°, 120 °, etc.; la segunda modulación utiliza estos vectores ya situados correctamente, para generar vref mediante modulación) .
Tabla 1
Situación B) vcl ' vc2 ' Vcc/2 :
En este caso, el método de la presente invención adicionalmente comprende:
- limitar el módulo del vector vr e f a un valor máximo:
- mantener la fase de los vectores %, %, V*, V5 y ' situados exactamente a 0o, 60o, 120o, 180o, 240o, 300o y 360o mediante el cálculo de los duty cycles que aparecen en la Tabla 2:
Tabla 2
donde dVoo, dVoi, dVw, dv±i se calculan según la tabla 3:
Tabla 3
y,
llevar a cabo una etapa de modulación de vectores espaciales, SVM, mediante un modulador de vectores espaciales SVM, el cualcalcula los duty cycles dVl>dV2>dV3> dV4, dVs, dVg que dan lugar a vref a partir de V*, V2, V3, %, V2 y V2 (una vez situados exactamente a 0º, 60º, 120º, 180º, 240º, 300º y 360º) .
Descripción de las figuras
Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, y para complementar esta descripción, se acompañan como parte integrante de la misma las siguientes figuras, cuyo carácter es ilustrativo y no limitativo:
La Figura 1 muestra el hexágono que definen los vectores espaciales que un convertidor electrónico CC/CA trifásico es capaz de generar en corriente alterna y el radio máximo si se desea generar una tensión trifásica equilibrada sin distorsiones.
La Figura 2 representa un convertidor electrónico CC/CA trifásico conectado a una red eléctrica trifásica. El convertidor dispone de tres triacs que sirven para conectar la fase donde se ha roducido una avería, al punto medio de los condensadores del bus de CC.
La Figura 3 muestra el convertidor electrónico después de que se produzca una avería en Sa y/o Sa, mostrando la fase a de la red conectada al punto medio de los condensadores del bus de CC.
La Figura 4 muestra las cuatro combinaciones posibles de interruptores abiertos/cerrados y la conexión correspondiente de los condensadores a la red.
La Figura 5 muestra los cuatro vectores espaciales (Foo-^oi-^io.^ ii) que el convertidor electrónico es capaz de generar después de la avería y con la fase afectada conectada al punto medio de los condensadores del bus de CC. También aparece el radio máximo para el vector
Vref .
La Figura 6 muestra cómo cambia el ángulo y el módulo de los vectores espaciales (V00 V01 V10>^ u ) cuando la tensión de los condensadores no es constante. También aparece el radio máximo para el vector vr e f , que queda definido por el menor de entre vc1 y vc2.
La Figura 7 muestra el hexágono original antes de la avería, cuyos vectores aparecen en línea discontinua, y el hexágono disponible después de la avería (de menor tamaño) . También aparecen los vectores disponibles después de la avería (í^ 00 , í^ 01 , í 1^ 0 , í 1^1) y los vectores (í71, v?2 , í73 , í74, í?5 , í?6) que hay que reconstruir mediante modulación para reconstruir y estabilizar el hexágono.
La Figura 8-a representa el módulo SVM que lleva a cabo la modulación por vectores espaciales, antes de la avería. Donde las entradas son las coordenadas a-P del vector que se desea modular, vr e f , y el valor de la tensión en el bus DC del convertidor electrónico, VCC. Las salidas son los duty cycles dv. y dv.+i de los vectores V- y Fj+ 1 calculados para modular vr e f en cada sector del hexágono.
Las figuras Figura 8-b a Figura 8-g muestran, para vc1=vc2=VCC/2 y para cada sector del hexágono, cómo hay que combinar las salidas del módulo SVM convencional (antes de la vería) para, después de la avería, obtener los ciclos de trabajo ("duty óyeles") según la invención. En los seis casos, la entrada de tensión C.C. es, después de la avería, VCC/2.
La Figura 9 muestra cómo el área del hexágono cambia a medida que cambia la tensión en los condensadores. Se han representado los casos de mayor y de menor área que se corresponden con los valores máximos y mínimos de vcl y vc2.
Realización preferente de la invención
Listado de referencias:
1. Convertidor electrónico CC/CA trifásico;
2. Interruptor Sa; 2. Interruptor Sa;
3. Interruptor Sb; 3. Interruptor Sb;
4. Interruptor Sc; 4. Interruptor Sc;
5. Condensador C1; 5. Condensador C2;
6. Punto intermedio entre el condensador C1 y el condensador C2;
7. Triac de la fase "a"; 7. Triac de la fase "b"; 7. Triac de la fase "c";
8. Modulador por Vectores Espaciales "SVM";
9. Hexágono; 9. Mínimo hexágono; 9. Máximo hexágono; 9. Hexágono pre-fallo; 9.
Hexágono post-fallo;
10. Vref; 10. circunferencia generada por vref;
11. Rombo.
La presente invención se refiere a un método de control de un convertidor electrónico CC/CA trifásico (1) con fallo en una fase (a, b, c) , donde el convertidor electrónico CC/CA trifásico está conectado a la red para intercambiar potencia eléctrica con la red. El fallo en la fase puede ser de un interruptor o de dos interruptores (2 y 2 en la figura 3) .
Como es sabido, un convertidor electrónico CC/CA trifásico (1) se controla normalmente utilizando control vectorial. Utilizando esta teoría de control, la tensión de salida del convertidor puede representarse mediante seis vectores espaciales activos (%*, v£, V3, %*, % y V3) y dos nulos (%) , que dan lugar a un hexágono (9) como el de la Figura 1 que se corresponden con os estados de conducción y bloqueo de los seis interruptores (Sa, Sb, Sc, Sa, Sb, Sc) que componen el convertidor electrónico (ver Figura 2) .
Para generar una tensión trifásica, el convertidor electrónico CC/CA trifásico (1) debe hacer girar el vector espacial v r e f (10) de la Figura 1 describiendo un círculo (10) cuyo radio máximo tiene un valor:
donde VCC es el valor de la tensión continua en el bus de c.c. del convertidor. Como en realidad el convertidor no puede generar vectores intermedios entre (t^, V3, V3, %, V3 y V2) , se recurre a realizar una modulación que, en promedio, sitúe vectores espaciales en posiciones intermedias del hexágono y permita a v ref recorrer la circunferencia (10) representada en la Figura 1 u otra concéntrica de menor radio.
En el caso de que un interruptor (2, 2, 3, 3, 4, 4) de los que compone el convertidor electrónico (Sa, Sb, Sc, Sa, Sb, Sc) resulte averiado, el convertidor electrónico CC/CA trifásico (1) tiene que ser desconectado de la red.
En la configuración de la Figura 2, el convertidor electrónico CC/CA trifásico (1) comprende tres triacs (7, 7, 7) que, en el caso de que algún interruptor resulte averiado (por ejemplo Sa y/o Sa) , los triacs (7, 7, 7) conectan la fase de la red afectada al punto medio (6) del bus de c.c. formado por los condensadores C-i y C2 (5, 5) , según la Figura 3.
De esta forma, se consigue que el convertidor electrónico CC/CA trifásico (1) pueda seguir generando cuatro vectores espaciales (V00, V10, i3^ y í301) que se corresponden con las cuatro combinaciones posibles de conducción/bloqueo de los interruptores en buen estado (en este ejemplo Sb, Sc, Sb, Sc) mostradas en la Figura 4.
Las combinaciones posibles para los estados de conducción/bloqueo de Sb, Sc, Sb, Sc están recogidas en la Tabla 4, que muestra a la derecha las coordenadas va-vp de los vectores espaciales a que dan lugar estas combinaciones. Observar que los valores de estas coordenadas dependen de la tensión en los condensadores (5, 5) , por lo que si vc1 y vc2 no son constantes, las coordenadas tampoco lo serán, produciendo un movimiento de los vectores.
Tabla 4
Los vectores espaciales se han nombrado como V00, V10, V1 :L y V01 en la Figura 5. Como se observa en la Figura 5, los módulos de los vectores sólo son iguales dos a dos y forman un rombo (11) en lugar de un hexágono (9) regular como en la Figura 1.
Si la tensión en los condensadores C1 y C2 es constante, el módulo máximo del vector espacial vr e f es, después de la avería, más reducido: (Vdc/2) /V3 en lugar de Vdc/23.
Cuando circula corriente por la fase conectada al punto medio (6) de los condensadores (5, 5) , se producen oscilaciones de tensión en los condensadores que hacen que los módulos y ángulos de los vectores espaciales F00, V10, V11 ( V01 no sean constantes, como se muestra en la Figura 6.
Debido a las oscilaciones de tensión en los condensadores C1 y C2, tampoco es constante el máximo módulo de del vector espacial vr e f , resultando
Este hecho se ve reflejado también en la Figura 6 a través de la longitud máxima del radio R que puede describir el vector espacial v r e f donde a la izquierda el radio es vc2/V 3 y a la derecha V d & 23.
Estas variaciones de módulo y ángulo hacen difícil utilizar los vectores F00, F10, í^ 11, F01 para realizar una modulación correcta de un vector v r e f que gire 360° en el plano a-P ya que los propios vectores moduladores F00, F10, í 1^1 y F01varían constantemente.
En modulación por vectores espaciales, toda modulación se realiza con vectores que permitan obtener el vector v r e f mediante una combinación lineal de los vectores espaciales. Así, un vector v r e f situado en el primer cuadrante de 90º se modularía utilizando F00, F10. Un vector
v r e f situado entre 90° y 180º se modularía utilizando F10 y í^ 11. Un vector v ref situado entre 180º y 2700 se modularía utilizando í 1^ 1 y F01. Finalmente, un vector situado entre 2700 y 3600 se modularía utilizando F01 y F00.
Sin embargo, debido a la variación de la tensión en los condensadores, los cuadrantes se mueven y no es posible conocer con precisión cuándo el vector v ref está situado en un cuadrante o ha pasado al siguiente cuadrante.
La presente invención estabiliza los cuadrantes para facilitar la modulación vectorial. Adicionalmente, la presente invención permite obtener seis vectores moduladores formando un hexágono a partir de los cuatro vectores moduladores que forman el rombo inestable, para poder utilizar una modulación de vectores espaciales (SVM) convencional. Esto hace que los cambios en la modulación de vectores espaciales (SVM) convencional antes y después de la avería fueran mínimos, y permite seguir disfrutando de las ventajas que aporta un SVM convencional, como una mayor tensión de salida para la misma Vcc o mejor contenido en armónicos.
Para llevar a cabo lo anterior, el método de la presente invención distingue dos casos:
A) vC1 = v#2 = VCC&2
B) v#1 ' v#2 ' Vcc^
A) Caso en que vci=vc2=VCC/2:
En el caso en que la tensión en los condensadores (5, 5) es razonablemente constante, y por tanto, vc1=vc2=VCC/2, se puede reconstruir el hexágono (9) formado por los vectores V2, K C V2 y V2, a partir de los vectores de tención generados por el convertidor CC/CA trifásico Voo, í2oi, V1º y í211 cuando existe un fallo de un o dos interruptores (2, 2, 3, 3, 4, 4) en una misma fase, de la siguiente forma:
- conectar la fase con fallo de al menos un interruptor con el punto medio (6) del bus de Corriente Continua formado entre los condensadores C1 y C2;
- igualar el vector de tensión V del hexágono al vector de tensión Voo;
- calcular el vector de tensión V2 aplicando el 50% del periodo el vector de tensión Voo y el otro 50% del periodo el vector de tensión Vio . En promedio, el vector de tensión resultante V2 tiene un módulo de VCC/3 y un ángulo de 60º;
- calcular el vector de tensión V3 aplicando el 50% del periodo el vector de tensión Vio y el otro 50% del periodo el vector de tensión í211. En promedio, el vector de tensión resultante V3 tiene el módulo de VCC/3 y un ángulo de 1200;
- igualar el vector de tensión V4 del hexágono al vector de tensión Vn;
- calcular el vector de tensión V5 aplicando el 50% del periodo el vector de tensión V11 y el otro 50% del periodo el vector de tensión Vo 1. En promedio, el vector de tensión resultante V5 tiene el módulo de VCC/3 y un ángulo de 2400;
- calcular el vector de tensión V6 aplicando el 50% del periodo el vector de tensión Vo1 y el otro 50% del periodo el vector de tensión Voo. En promedio, el vector de tensión resultante V6 tiene el módulo de VCC/3 y un ángulo de 300°.
El hexágono resultante tiene un menor tamaño ya que el módulo de los vectores de tensión es de VCC/3. Sin embargo, es posible utilizar el hexágono resultante en un modulador de vectores espaciales convencional "SVM" (8) con sólo tener en cuenta que la tensión del bus CC equivalente es VCC/2, figura 8, en lugar del valor normal, VCC, utilizado antes de conectar la fase (o rama con interruptores en fallo) al punto medio de los condensadores.
Utilizando un modulador SVM es posible generar, después de la avería, con el convertidor electrónico una tensión trifásica haciendo girar el vector vref dentro del hexágono.
Por ejemplo, en el Sector I, denominando dVi y dV2 los porcentajes o duty cycles utilizados por un SVM convencional (antes de la avería en un interruptor) para modular vref mediante V y V2
Después de la avería, una vez conectada la fase al punto medio (6) de los condensadores C1 y C2, estos dos duty cycles, están realmente combinados con los duty cycles necesarios para reconstruir V2 utilizando V00 y V10, es decir con dVoo = dVl0 = 50% = 1/2
Por tanto,
Así, los duty cycles globales DVooyDVio para obtener vref a partir de los vectores V00 and V10 resultan:
El duty cycle del vector de módulo cero es, en este caso
y en un caso general
El vector de módulo cero no está disponible como en un SVM convencional (cerrando o abriendo tres interruptores) . Sin embargo, puede obtenerse utilizando cualquier pareja de vectores opuestos (F00 y V1 :L o V10 y V01) y repartir su aplicación en el 50% dVocada uno para que, en promedio, su valor sea cero.
La ventaja obtenida es que, después de la avería, todavía puede utilizarse el convertidor electrónico y hacerlo con un software convencional SVM añadiendo unas mínimas modificaciones, como se ve en la figura 8.
La Figura 8a) muestra el módulo de software SVM antes de la avería, donde las entradas son las coordenadas a-P del vector que se desea modular, vref, y el valor de la tensión en el bus CC del convertidor electrónico, VCC. Las salidas son los duty cycles dV. y dVj+1 de los vectores
V y Vj+1 calculados para modular vref en cada sector del hexágono.
Las Figuras 8b) a 8g) muestran, para vc1=vc2=VCC/2 y para cada sector del hexágono, cómo hay que combinar las salidas del SVM convencional para, después de la avería, obtener los duty cycles según la invención. En los seis casos, la entrada de tensión CC es, después de la avería, VCC/2.
La Tabla 2 muestra los duty cycles globales, DVky DVk+i, de cada vector V00, V10, V1 :L, V01 en cada sector del hexágono.
Tabla 2
B) Caso en el que vcl ' v c2 ' Vc c /2 :
En una segunda parte de la invención se aborda el caso en que la tensión de los condensadores (5, 5) no es constante debido al efecto de la corriente alterna de la fase conectada al punto medio de los condensadores, resultando vc1 ' vc2. Sería el caso en el que la capacidad de los condensadores es baja o la corriente de la fase muy elevada.
De forma semejante al caso A) , se reproducen los pasos para construir el hexágono con las siguientes particularidades.
En este caso, más complejo, los vectores V° °, Vw, V11 , F01 se "mueven" ya que cambia su módulo y ángulo (fase) a medida que lo hacen vc1 y vc2 según se indica en las dos columnas de la derecha de la Tabla 1. En consecuencia, los rombos de la Figura 6 también se "mueven" con las variaciones de tensión de vc1 y vc2.
Hay que considerar que el vector vr e f que se puede hacer girar en una circunferencia inscrita al hexágono tiene ahora un módulo máximo determinado por:
La consecuencia es que el tamaño del hexágono cambia continuamente con los valores de vc1 y vc2, según se muestra en la Figura 9 entre un hexágono mínimo (9) y un hexágono máximo (9) .
El problema de la variación de las tensiones vc1 y vc2 puede superarse recalculando los duty cycles para mantener los vectores %*, %, Vj, %, % y % situados exactamente a O0, 60°, 120 °, 180°, 240°, 300° y 360° .
Gracias a que la tensión en los condensadores cambia lentamente en comparación con el tiempo de ciclo del microprocesador donde se implementa el control, es fácil hacer continuas correcciones a los duty cycles para estabilizar la posición (el ángulo) de los vectores que forman el hexágono, aunque no se podrá evitar que su módulo fluctúe.
Teniendo en cuenta la Tabla 2, los duty cycles que reconstruyen el hexágono (V^ V2> V3 , V4>F5 , V6) y estabilizan sus ángulos, a partir de los vectores (Voo> Voi> Vio , V1:L) cuando las tensiones vc1 y vc2 no son constantes, tienen que ser calculados según la Tabla 3 y los duty cycles, dVl>dV2>dV3> dV4, dVs, dVg, que se utilizan para modular vref son proporcionados por el SVM. En conjunto, los duty cycle globales resultado de componer ambas modulaciones son DVk y DVk+i.
Observar que en esta tabla, V2 V3~K5~V6 comparten los mismos dV1º>dV01 pero dV00 y dV11 cambian para cada vector. El término "a" es común a todos ellos y su valor se ha indicado en la esquina superior izquierda de la Tabla 3.
Tabla 3
