BR102015018691A2 - conversor de potência e sistema para conversão de potência - Google Patents

Abstract

resumo “conversor de potência e sistema para conversão de potência” trata-se de um conversor de potência (104) que inclui pelo menos uma perna (300) que tem um primeiro fio (302) acoplado de modo operacional a um segundo fio (304) através de um primeiro nó de conexão (301) e um segundo nó de conexão (301). o primeiro fio inclui um primeiro ramo (314) e um segundo ramo (306) acoplados de modo operacional através de um terceiro nó de conexão (318). cada um dos ramos tem uma pluralidade de unidades de comutação (320, 324), um comutador semicondutor controlável (322, 328), o primeiro nó de conexão e o segundo nó de conexão. o primeiro fio é acoplado de modo operacional através de um primeiro barramento (306) e um segundo barramento (308). além disso, o segundo fio inclui uma pluralidade de comutadores semicondutores controláveis (332, 334).

Description

“CONVERSOR DE POTÊNCIA E SISTEMA PARA CONVERSÃO DE POTÊNCIA” Antecedentes da Invenção [001] A invenção se refere geralmente a conversores de potência e, mais especificamente, a um conversor multinível.

[002] Nas últimas décadas, o campo de conversão de potência cresceu tremendamente devido a suas vantagens iminentes no acionamento de motores, sistemas de energia renovável, sistemas de corrente contínua de alta tensão (HVDC) e similares. Por exemplo, um sistema submarino de produção de óleo e gás que tem necessidade de centenas de megawatts de potência elétrica pode empregar um sistema de transmissão e de distribuição de HVDC para a distribuição de potência elétrica. Tais sistemas HVDC incluem tipicamente uma subestação conversora com base terrestre ou uma subestação conversora no convés onde a conversão de potência CA para CC é realizada. O conversor multinível emerge como uma tecnologia de conversão de potência promissora para tais aplicações de média e alta tensão.

[003] Conversores multinível oferecem diversas vantagens sobre os conversores comuns de dois níveis. Por exemplo, a qualidade da potência do conversor multinível é melhor que a apresentada pelos conversores de dois níveis. Os conversores multinível também são ideais para realizar interface entre uma grade e fontes renováveis de energia, como fotovoltaica (PV), células de combustível, turbinas eólicas e similares. Além disso, a eficiência do conversor multinível é relativamente maior como um resultado de sua frequência mínima de comutação.

[004] Atualmente, os conversores multinível que têm uma estrutura modular e não têm transformadores tem sido projetados. A estrutura modular dos conversores permite o empilhamento desses conversores a um número de níveis quase ilimitado. A estrutura modular também ajuda na escalabilidade para diferentes níveis de tensão e de potência. Entretanto, determinados conversores multinível atuais disponíveis, como conversores multinível modulares (MMC), tipicamente empregam um grande número de comutadores semicondutores completamente controláveis, como transistores bipolares de porta isolada (IGBTs).

Descrição Resumida da Invenção [005] De acordo com uma realização da técnica presente, um conversor de potência é apresentado. O conversor de potência inclui pelo menos uma perna com um primeiro fio e um segundo fio. O primeiro fio compreende um primeiro ramo e um segundo ramo. Cada um dos ramos compreende uma pluralidade de unidades de comutação e um comutador semicondutor controlável, um primeiro nó de conexão e um segundo nó de conexão. O primeiro fio é acoplado de modo operacional através de um primeiro barramento e um segundo barramento, e o segundo ramo é acoplado de modo operacional ao primeiro ramo através de um terceiro nó de conexão. O segundo fio é acoplado de modo operacional ao primeiro fio através do primeiro nó de conexão e do segundo nó de conexão, em que o segundo fio compreende uma pluralidade de comutadores semicondutores controláveis.

[006] De acordo com outra realização da técnica presente, um sistema para conversão de potência é apresentado. O sistema inclui uma fonte de alimentação, uma carga, um primeiro conversor de potência e um controlador. O primeiro conversor de potência compreende uma ou mais pernas. Cada uma dentre a uma ou mais pernas inclui um primeiro fio e um segundo fio. O primeiro fio compreende um primeiro ramo e um segundo ramo, em que cada um compreende uma pluralidade de unidades de comutação e um comutador semicondutor controlável, um primeiro nó de conexão e um segundo nó de conexão. O primeiro fio é acoplado de modo operacional através de um primeiro barramento e de um segundo barramento e o segundo ramo é acoplado de modo operacional ao primeiro ramo através de um terceiro nó de conexão. O segundo fio é acoplado de modo operacional ao primeiro fio através do primeiro nó de conexão e do segundo nó de conexão, em que o segundo fio compreende uma pluralidade de comutadores semicondutores controláveis. Além disso, o controlador é configurado para controlar a comutação da pluralidade de comutadores semicondutores controláveis e da pluralidade de unidades de comutação.

[007] De acordo com ainda outra realização da técnica presente, um sistema para conversão de potência é apresentado. O sistema inclui uma fonte de alimentação, uma carga, um primeiro conversor de potência e um controlador. O primeiro conversor de potência inclui uma ou mais pernas, em que cada uma dentre a uma ou mais pernas compreende um primeiro fio e um segundo fio. O primeiro fio é acoplado de modo operacional entre um primeiro barramento e um segundo barramento e inclui um primeiro ramo e um segundo ramo. Cada ramo inclui uma pluralidade de unidades de comutação e um comutador semicondutor controlável, um primeiro nó de conexão e um segundo nó de conexão. O segundo ramo é acoplado de modo operacional ao primeiro ramo através de um terceiro nó de conexão e os nós de conexão de uma ou mais pernas são acoplados de modo operacional entre si. O segundo fio é acoplado de modo operacional ao primeiro fio através do primeiro nó de conexão e do segundo nó de conexão, em que o segundo fio compreende uma pluralidade de comutadores semicondutores controláveis. Além disso, o controlador é adicionalmente configurado para controlar a comutação da pluralidade de comutadores semicondutores controláveis e da pluralidade de unidades de comutação.

Breve Descrição das Figuras [008] A Figura 1 é uma representação diagramática de um sistema para conversão de potência;

[009] A Figura 2 é uma representação diagramática de uma realização exemplificativa de uma porção de um conversor de potência para uso no sistema da Figura 1, de acordo com os aspectos da presente revelação;

[010] A Figura 3 é uma representação diagramática de uma realização exemplificativa de uma unidade de comutação para uso na porção do conversor de potência da Figura 2, de acordo com os aspectos da presente revelação;

[011] A Figura 4 é uma representação diagramática de outra realização de uma unidade de comutação para uso na porção do conversor de potência da Figura 2, de acordo com os aspectos da presente revelação; que opera estados de uma perna de um conversor de potência;

[012] As Figuras 5(a) a 5(c) são representações diagramáticas de diferentes estados de operação de uma perna do conversor de potência da Figura 2, de acordo com os aspectos da presente revelação;

[013] A Figura 6 é uma representação diagramática de uma realização exemplificativa de um conversor de potência trifásico para uso no sistema da Figura 1, de acordo com os aspectos da presente revelação;

[014] A Figura 7 é uma representação diagramática de uma transição de uma perna conversora a partir de um estado positivo de operação para um estado zero de operação, de acordo com os aspectos da presente revelação; e [015] A Figura 8 é uma representação diagramática de uma transição de uma perna conversora a partir de um estado zero de operação para um estado negativo de operação, de acordo com os aspectos da presente revelação.

Descrição Detalhada [016] A menos que se defina de outro modo, termos técnicos e científicos usados no presente documento têm a mesma definição como é comumente entendido por uma pessoa de habilidade comum na técnica a quem pertence essa revelação. Os termos “primeiro”, “segundo” e similares, como usados no presente documento, não denotam ordem, quantidade ou importância alguma, mas são usados para diferenciar um elemento de outro. Da mesma forma, os termos “um” e “uma” não denotam uma limitação de quantidade, mas denotam, em vez disso, a presença de pelo menos um dos itens mencionados. O termo “ou” deve ser interpretado como inclusivo e significa um, alguns ou todos os itens listados. O uso de “que inclui,” “que compreende” ou “que tem” e variações dos mesmos no presente documento tem o objetivo de abranger os itens listados daí em diante e equivalentes dos mesmos, assim como itens adicionais. Os termos “conectado” e “acoplado” não são restritos a conexões e acoplamentos físicos ou mecânicos e podem incluir conexões e acoplamentos elétricos, sejam diretos ou indiretos. Além disso, os termos “circuito”, “conjunto de circuitos” e “controlador” podem incluir um componente singular ou uma pluralidade de componentes que são ativos e/ou passivos e são conectados ou de outro modo acoplados entre si para proporcionar a função descrita.

[017] Como será descrito em detalhes daqui por diante, diversas realizações de um sistema exemplificatívo para conversão de potência e um método de conversão de potência são apresentados. Ao empregar o conversor de potência e o método para conversão de potência descritos daqui por diante, um conversor multinível é proporcionado. Em um exemplo, o conversor de potência pode incluir um conversor multinível modular.

[018] Referindo-se agora aos desenhos, como forma de exemplo na Figura 1, um sistema 100 para a conversão de potência é ilustrado. Em uma realização, o sistema 100 para conversão de potência pode incluir uma fonte 102, um conversor de potência 104 e uma grade/utilidade/carga 106. O termo fonte, conforme usado no presente documento, é usado como referência a uma fonte renovável de alimentação, uma fonte não renovável de alimentação, um gerador, uma grade ou a semelhantes. Da mesma forma, o termo carga, como usado no presente documento, pode ser usado como referência a uma grade, um aparelho elétrico e similares. Além disso, o conversor de potência 104 pode ser um conversor multinível. Em uma realização, a fonte 102 pode ser acoplada de modo operacional a um primeiro terminal (não mostrado) do conversor de potência 104. Um segundo terminal (não mostrado) do conversor de potência 104 pode ser acoplado de modo operacional à carga 106.

[019] Além disso, o sistema 100 pode incluir um controlador 108. O controlador 108 pode ser configurado para controlar a operação do conversor de potência 104 em uma realização. Como forma de exemplo, o controlador 108 pode ser configurado para controlar a operação do conversor de potência 104 através do controle de comutação de uma pluralidade dos comutadores semicondutores do conversor de potência 104. Além disso, em uma realização, o sistema 100 também pode incluir outros componentes de circuito (não mostrados) tais como, mas sem limitação, um disjuntor, um indutor, um compensador, um capacitor, um retificador, um reator, um filtro e similares.

[020] Referindo-se agora à Figura 2, uma representação diagramática 300 de uma realização exemplificativa de uma porção do conversor de potência, como o conversor de potência 104 da Figura 1, é ilustrada. Em particular, uma perna 300 do conversor de potência é ilustrada na realização da Figura 2. A perna 300 do conversor de potência pode incluir o primeiro fio 302 e o segundo fio 304. Mais particularmente, o primeiro fio 302 pode estar acoplado de modo operacional ao segundo fio 304 para formar a perna 300. Além disso, o primeiro fio 302 pode estar acoplado de modo operacional entre um primeiro barramento 306 e um segundo barramento 308. Em uma realização, o primeiro barramento 306 pode incluir um barramento positivo de CC e o segundo barramento 308 pode incluir um barramento negativo de CC. O segundo fio 304 pode estar acoplado de modo operacional ao primeiro fio 302 através do primeiro nó de conexão 310 e do segundo nó de conexão 312. Além disso, o primeiro fio 302 pode incluir um primeiro ramo 314 acoplado de modo operacional a um segundo ramo 316 através do terceiro nó de conexão 318. Ademais, o primeiro ramo 314 pode incluir a primeira porção 320 acoplada de modo operacional ao primeiro comutador semicondutor controlável 322 através do primeiro nó de conexão 310 e do primeiro indutor 326. De modo similar, o segundo ramo 316 pode incluir uma segunda porção 324 acoplada de modo operacional a um segundo comutador semicondutor controlável 328 através do segundo nó de conexão 312 e do segundo indutor 329. O terceiro nó de conexão 318 pode estar acoplado de modo operacional a um terceiro barramento 330. Além disso, o segundo fio 304 pode incluir um terceiro comutador semicondutor controlável 332 acoplado de modo operacional a um quarto comutador semicondutor controlável 334 através de uma fase de CA 336.

[021] Ademais, no presente exemplo da Figura 2, o terceiro barramento 330 pode ser um barramento de corrente direta e, mais particularmente, um barramento de CC média que pode estar em um potencial negativo em relação ao primeiro barramento 306 e um potencial positivo em relação ao segundo barramento 308. Em uma realização, o barramento médio pode ser flutuante, ligado ao solo ou um barramento de alta impedância ligado ao solo. No exemplo da Figura 2, os comutadores semicondutores controláveis 322, 328, 332 e 334 podem incluir parcialmente comutadores semicondutores controláveis. Entretanto, em outra realização, os comutadores semicondutores controláveis podem incluir comutadores semicondutores completamente controláveis. Ademais, os comutadores semicondutores controláveis podem incluir uma combinação de comutadores semicondutores parcialmente controláveis e comutadores semicondutores completamente controláveis. Os comutadores semicondutores controláveis mostrados na Figura 2 têm apenas o propósito representativo e qualquer outro comutador que pode realizar ou quebrar uma conexão entre os respectivos nós também pode ser usado em outras realizações. Por exemplo, em uma realização, cada um dos comutadores semicondutores controláveis 332 e 334 pode ser substituído por uma pluralidade de comutadores semicondutores controláveis conectados em série enquanto todos se conectarem e desconectarem juntos e satisfizerem outras características de operação.

[022] Além disso, a primeira porção 320 e a segunda porção 324 do primeiro fio 302 podem incluir uma pluralidade de unidades de comutação 334. A unidade de comutação 334 pode ser uma combinação de uma pluralidade de comutadores semicondutores completamente controláveis e um dispositivo de armazenamento de energia. Os comutadores semicondutores completamente controláveis podem incluir um transistor bipolar de porta isolada (IGBT), um transistor de efeito de campo de óxido de metal semicondutor (MOSFET), um transistor de efeito de campo (FET), um tiristor de desligamento por porta, um tiristor comutado por porta isolada (IGCT), um transistor de porta de injeção aprimorada (IEGT), um comutador com base em carbeto de silício, um comutador com base em nitreto de gálio, um comutador com base em arsenieto de gálio ou equivalentes dos mesmos.

[023] Referindo-se agora à Figura 3, uma representação diagramática 400 de uma realização exemplificativa de uma unidade de comutação, como a unidade de comutação 320 ou 324 da Figura 2 para uso na perna 300 da Figura 2, é ilustrada. Na configuração contemplada, a unidade de comutação 400 pode ser denominada como um conversor de meia ponte e inclui comutadores semicondutores completamente controláveis 402 e 404, um dispositivo de armazenamento de energia 406, um primeiro conector 408 e um segundo conector 410. Como observado anteriormente, os comutadores semicondutores completamente controláveis 402 e 404 podem incluir um IGBT, um MOSFET, um FET, um IEGT, um tiristor de desligamento por porta, um IGCT, um comutador com base em carbeto de silício, um comutador com base em nitreto de gálio, um comutador com base em arsenieto de gálio ou equivalentes dos mesmos. Ademais, cada um dos comutadores semicondutores completamente controláveis 402 e 404 também pode incluir o diodo de potência 412 que pode ser embutido e antiparalelo aos comutadores semicondutores completamente controláveis 402 e 404. Os díodos de potência embutidos 412 podem proporcionar um caminho de roda livre. Esses diodos de potência 412 também podem ser denominados de diodos de roda livre.

[024] Além disso, em um exemplo não limitante, o dispositivo de armazenamento de energia 406 pode incluir um capacitor. No exemplo da Figura 3, o comutador de semicondutor completamente controlável 402 pode estar acoplado de modo operacional em série ao dispositivo de armazenamento de energia 406 para formar um primeiro membro 414. Além disso, o outro comutador de semicondutor completamente controlável 404 forma um segundo membro 416. O segundo membro 416 pode estar acoplado de modo operacional em paralelo ao primeiro membro 414. Adicionalmente, o primeiro membro 414 e o segundo membro 416 podem estar acoplados de modo operacional entre o primeiro conector 408 e o segundo conector 410. Embora o exemplo da Figura 3 ilustre as unidades de comutação 400 em uma configuração de conversor de meia ponte que inclui dois comutadores semicondutores completamente controláveis e um dispositivo de armazenamento de energia, o uso de outros números de comutadores semicondutores completamente controláveis 402, 404 e dispositivos de armazenamento de potência 406 também é contemplado. Em uma realização, algumas ou todas as unidades de comutação podem estar dispostas para formar uma configuração de conversor de ponte completa como será descrito na Figura 4.

[025] Além disso, em um exemplo não limitante, quando o comutador de semicondutor completamente controlável 402 é ativado e o comutador de semicondutor completamente controlável 404 é desativado, o dispositivo de armazenamento de energia 406 pode aparecer através do primeiro conector 408 e do segundo conector 410. Consequentemente, a carga através do dispositivo de armazenamento de energia 406 aparece como uma tensão através do primeiro conector 408 e do segundo conector 410. De modo alternativo, quando o comutador de semicondutor completamente controlável 404 é ativado e o comutador de semicondutor completamente controlável 402 é desativado, o primeiro membro 414 é contornado e, assim, não é fornecida tensão através do primeiro conector 408 e do segundo conector 410. Portanto, através do controle de uma comutação dos comutadores semicondutores completamente controláveis 402 e 404 na pluralidade de unidades de comutação 324 no primeiro fio 302 da Figura 2, a tensão desenvolvida através do primeiro fio 302 pode ser regulada.

[026] Referindo-se agora à Figura 4, uma representação diagramática 450 de uma realização alternativa das unidades de comutação 320 ou 324 da Figura 2 é ilustrada. Na configuração contemplada, a unidade de comutação 450 pode ser denominada como um conversor de ponte completa e pode incluir comutadores semicondutores completamente controláveis 452, 454, 464 e 466, um dispositivo de armazenamento de energia 456, um primeiro conector 458 e um segundo conector 460. Como observado anteriormente, os comutadores semicondutores completamente controláveis 452, 454, 464 e 466 podem incluir um IGBT, um MOSFET, um FET, um IEGT, um tiristor de desligamento por porta, um IGCT, um comutador com base em carbeto de silício, um comutador com base em nitreto de gálio, um comutador com base em arsenieto de gálio ou equivalentes dos mesmos. Ademais, cada um dos comutadores semicondutores completamente controláveis 452, 454, 464 e 466 também pode incluir, respectivamente, um diodo de potência 468, 470, 472 ou 474, que pode ser embutido e antiparalelo aos comutadores semicondutores completamente controláveis. Como pode ser visto, comparada à unidade de comutação 400 da Figura 3, a unidade de comutação 450 inclui dois comutadores adicionais semicondutores completamente controláveis e uma saída da unidade de comutação 450 aparece através do primeiro conector 458 e do segundo conector 460. Em uma realização, os comutadores semicondutores completamente controláveis 452, 454, 464 e 466 são controlados para regular uma tensão através do primeiro conector 458 e do segundo conector 460. Ao contrário da unidade de comutação 400, a unidade de comutação 450 pode produzir 3 níveis de tensão através do primeiro conector 458 e do segundo conector 460. Os três níveis de tensão seriam um nível de tensão zero e níveis de tensão de polaridades positiva e negativa, em que os níveis de tensão de polaridade positiva e negativa representam uma carga através do dispositivo de armazenamento de energia 456.

[027] Referindo-se agora às Figuras 5(a) a 5(c), representações diagramáticas 500 de diferentes estados de operação de uma perna de um conversor de potência, como a perna 300 da Figura 2, de acordo com os aspectos da presente realização, são ilustradas.

[028] Referindo-se à Figura 5(a), uma representação diagramática da perna 502, como a perna 300 da Figura 2 em um primeiro estado de operação, é apresentada. O primeiro estado de operação também pode ser denominado como um estado negativo. A perna 502 pode incluir um primeiro fio 504 e um segundo fio 506. Além disso, a perna 502 pode estar acoplada de modo operacional entre um primeiro barramento 508 e um segundo barramento 510. Com observado acima, o primeiro barramento 508 pode incluir um barramento positivo de CC e o segundo barramento 510 pode incluir um barramento negativo de CC. Além disso, o primeiro fio 504 pode estar acoplado de modo operacional ao segundo fio 506 através de um primeiro nó de conexão 512 e um segundo nó de conexão 514.

[029] Além disso, uma primeira porção, como a primeira porção 320 da Figura 2 e o primeiro fio 504 e uma segunda porção, como a segunda porção 324 da Figura 2 do primeiro fio 504 podem ser representadas através das fontes de tensão 516 e 518, respectivamente. Como observado acima, a primeira porção e a segunda porção do primeiro fio 504 podem incluir uma pluralidade de unidades de comutação (não mostrado). A primeira porção do primeiro fio 504, isto é, a fonte de tensão 516 é acoplada de modo operacional ao comutador semicondutor controlável S1 através do primeiro nó de conexão 512 e do primeiro indutor 513 e a segunda porção do primeiro fio 504, isto é, a fonte de tensão 518, é acoplada de modo operacional a outro comutador semicondutor controlável S4 através do segundo nó de conexão 514 e do segundo indutor 515. Além disso, os comutadores semicondutores controláveis S1 e S4 podem estar acoplados através do terceiro nó de conexão 522 que pode estar acoplado de modo operacional ao terceiro barramento 524. Além disso, na configuração contemplada, o segundo fio 506 inclui dois comutadores semicondutores controláveis representados como S2 e S3 que são acoplados de modo operacional através do barramento de fase de CA 520. Adicionalmente, a tensão no primeiro barramento 508 pode ser representada como +Vdc e a tensão no segundo barramento 510 pode ser representada como -Vdc. Como forma de exemplo, a tensão de +Vdc no primeiro barramento 508 e a tensão de -Vdc no segundo barramento 510 podem estar relacionadas a um solo virtual. Além disso, a tensão no terceiro barramento 524 pode ser representada como Vmid, e a tensão na barramento de fase de CA pode ser representada como Vac. Em uma realização, o terceiro barramento 524 pode ser um barramento com base em solo que, portanto, faz a tensão Vmid ser igual a zero.

[030] Como ilustrado na Figura 5(a), durante o estado negativo de operação, os comutadores semicondutores controláveis Si e S3 são ativados e conduzem, enquanto os comutadores semicondutores controláveis S2 e S4 são mantidos em um estado desativado. Durante este estado, a fonte de tensão 516 sustenta uma tensão entre os barramentos 508 e 524 enquanto a fonte de tensão Vn sustenta uma tensão entre os barramentos 510 e 520. Por exemplo, se a tensão Vmjd no barramento 524 for igual a zero e a tensão no barramento 508 for igual a +Vdc, então a tensão Vp da fonte de tensão 516 precisa sustentar a tensão +Vdc. De modo similar, se a tensão na barramento 520 for igual a Va e a tensão na barramento 510 for igual a -Vdc, então a tensão Vn da fonte de tensão 518 precisa sustentar Va+Vdc. As fontes de tensão 516 e 518 sustentarão as respectivas tensões através da comutação dos comutadores semicondutores completamente controláveis correspondentes à pluralidade de unidades de comutação no primeiro fio 504, como as unidades de comutação 320 e 324 da Figura 2. Deve ser observado que o estado negativo de operação se refere à tensão Va de fase CA negativa. De modo similar, se a tensão Va de fase CA for positiva, então a mesma pode ser denominada como estado positivo de operação e, se a tensão Va de fase CA estiver em torno de zero, então a mesma pode ser denominada como estado zero de operação.

[031] A Figura 5(b) é uma representação diagramática 528 de uma perna em um segundo estado de operação ou em um estado negativo de operação. Para um entendimento facilitado, a Figura 5(b) é explicada com referência à Figura 5(a). Em um segundo estado, os comutadores semicondutores controláveis S2 e S4 são ativados e conduzem, enquanto os comutadores semicondutores controláveis S1 e S3 são desativados e não conduzem. Nesse estado de operação, a fonte de tensão 516 precisa sustentar uma tensão através dos nós 508 e 520 (por exemplo, Vp=VdC-Va) e a fonte de tensão 518 precisa sustentar uma tensão através dos nós 510 e 524 (por exemplo, Vn=Vdc+Vmid).

[032] De modo similar, a Figura 5(c) é uma representação diagramática 532 de uma perna em um terceiro estado ou em um estado zero de operação. Para um entendimento facilitado, a Figura 5(c) é explicada com referência à Figura 5(a). Além disso, no terceiro estado, os comutadores semicondutores controláveis S2 e S3 podem estar ativados e conduzem, enquanto os comutadores semicondutores controláveis S1 e S4 estão desativados e não conduzem. Nesse estado de operação, a fonte de tensão 516 deve sustentar uma tensão através dos nós 508 e 520 (por exemplo, Vp=Vdc-Va) e a fonte de tensão 518 deve sustentar uma tensão através dos nós 510 e 520 (por exemplo, Vn= Va+Vdc)· Embora as Figuras 5(a) a 5(c) representem os três estados de operação em relação a uma única perna, esses três estados de operação podem ser empregados simultaneamente a uma pluralidade de pernas em um conversor de potência bifásico, um conversor de potência trifásico e similares.

[033] Como ilustrado nas Figuras 5(a) a 5(c) em qualquer instante no tempo, a fonte de tensão 516 (isto é, primeira porção 320 da Figura 2) e a fonte de tensão 518 (isto é, segunda porção 324 da Figura 2) do segundo fio 504 são acopladas de modo operacional entre o primeiro barramento 508 e o terceiro barramento 524 ou entre o terceiro barramento 524 e um segundo barramento 510 ou entre o barramento 520 e o primeiro barramento 508 ou o segundo barramento 510. Portanto, cada uma das fontes de tensão 516 e 518 deve resistir a uma tensão máxima de um valor próximo a Vdc. Consequentemente, um número total desejado de unidades de comutação juntas nas fontes de tensão 516 e 518 pode ser menor se comparado a um conversor modular multinível convencional.

[034] Referindo-se à Figura 6, a representação diagramática 600 de uma realização exemplificativa de um conversor multinível trifásico, de acordo com os aspectos da presente revelação, é ilustrada. Em uma configuração contemplada, o conversor multinível trifásico 600 inclui as três pernas 626, 628 e 630. Cada perna pode incluir o primeiro fio 602 e o segundo fio 604.

[035] Além disso, o primeiro fio 602 inclui um primeiro ramo 606 e um segundo ramo 608 acoplados de modo operacional entre si através do terceiro nó de conexão 618. Ademais, o primeiro ramo 606 pode incluir uma primeira porção 610 acoplada de modo operacional a um primeiro comutador semicondutor controlável 622 através do primeiro nó de conexão 614 e do primeiro indutor 615. De modo similar, o segundo ramo 608 pode incluir uma segunda porção 612 acoplada de modo operacional a um segundo comutador semicondutor controlável 624 através do segundo nó de conexão 616 e do segundo indutor 617. Além disso, uma extremidade do segundo fio 604 pode estar acoplado de modo operacional ao primeiro nó de conexão 614 do respectivo primeiro fio 602 e a outra extremidade do segundo fio 604 pode estar acoplada de modo operacional ao segundo nó de conexão 616 do mesmo primeiro fio 602. Em particular, uma extremidade da primeira porção 610 do primeiro fio 602 pode estar acoplada de modo operacional ao segundo fio 602 através do primeiro nó de conexão 614. Além disso, uma extremidade da segunda porção 612 do primeiro fio 602 pode estar acoplada de modo operacional ao segundo fio 604 através do segundo nó de conexão 616.

[036] Um terceiro comutador semicondutor controlável 632 do segundo fio 604 pode estar acoplada de modo operacional a um quarto comutador semicondutor controlável 634 do segundo fio 604 através de um quarto barramento. O termo quarto barramento, como usado no presente documento, pode ser uma fase de corrente alternada (CA). Em particular, cada uma das três pernas 626, 628 e 630 pode estar associada a pelo menos uma fase de CA. Em um exemplo não limitante, um sistema trifásico de CA pode incluir uma fase A de CA 636, uma fase B de CA 638 e uma fase C de CA 640. Adicionalmente, um terminal de CC pode ser formado através de uma combinação do primeiro barramento 620 e de um segundo barramento 642. Além disso, as fases de CA, fase A de CA 636, fase B de CA 638 e a fase C de CA 640 em combinação, podem formar um terminal de CA. Além disso, o primeiro barramento 620 é um barramento positivo de CC enquanto um segundo barramento 642 é um barramento negativo de CC. O fluxo de potência no conversor de potência 600 pode ser a partir do terminal de CC ao terminal de CA ou vice-versa.

[037] Além disso, em uma realização, o terceiro nó de conexão 618 pode ser o ponto intermediário do primeiro fio 602. Além disso, em um exemplo, os nós de conexão 618 de cada um dos três primeiros fios 602 podem estar acoplados de modo operacional entre si para formar uma vírgula flutuante. Em outra realização, os nós de conexão 618 de cada um dos três primeiros fios 602 podem estar acoplados de modo operacional a um terceiro barramento 644. O terceiro barramento 644 é um barramento médio que pode ser um barramento flutuante, um barramento de base em solo ou um barramento de alta impedância ligado ao solo. Entretanto, em outra realização, para aplicações em acionamento de máquinas, os nós de conexão 618 de cada um dos três primeiros fios 602 podem estar acoplados de modo operacional a um barramento neutro. Ademais, as três pernas 626, 628 e 630 podem estar acopladas de modo operacional entre o primeiro barramento 620 e um segundo barramento 642.

[038] Além disso, o conversor de potência 600 pode estar acoplado de modo operacional a um controlador como o controlador 108 da Figura 1. Como observado anteriormente, os primeiros fios 602 podem incluir uma pluralidade de unidades de comutação como conversores de meia ponte ou conversores de ponte completa e comutadores semicondutores controláveis, enquanto os segundos fios 604 podem incluir uma pluralidade de comutadores semicondutores controláveis. O controlador pode ser configurado para controlar a comutação da pluralidade das unidades de comutação nos primeiros fios 602 e nos comutadores semicondutores controláveis nos primeiros fios 602, assim como nos segundos fios 604. Em um exemplo, a comutação das unidades de comutação nos primeiros fios 602 pode ser baseada em uma técnica de modulação. A técnica de modulação pode incluir a amplitude de impulso da técnica de modulação, modulação do vetor de espaço e similares. Ademais, o controlador pode estar configurado para ajudar na geração de tensão direta através do primeiro barramento 620 em relação a um segundo barramento 642. Além disso, o controlador pode ser configurado para balancear e regular a potência armazenada no primeiro fio 602 durante um ciclo de linha. Consequentemente, o controlador pode ser configurado para assegurar que uma potência média do primeiro fio 602 durante um ciclo de linha seja zero. O termo ciclo de linha, como usado no presente documento, pode ser um ciclo de tensão de CA. Em uma realização, o controlador pode estar disposto em uma localização remota.

[039] Referindo-se à Figura 7, a representação diagramática 700 de uma transição de uma perna conversora, como a perna 300 da Figura 2, a partir de um estado negativo de operação até um estado zero de operação, de acordo com os aspectos da presente realização, é ilustrada. Para um entendimento facilitado, a Figura 7 será descrita em relação às Figuras 5(a) a 5(c) e à Figura 6. A Figura 7 mostra três estados, um estado negativo de operação 702, um estado transitório 704 e um estado zero de operação 706. No estado negativo de operação 702, como discutido anteriormente, os comutadores semicondutores controláveis S1 e S3 são ativados e os comutadores semicondutores controláveis S2 e S4 são desativados, enquanto no estado zero de operação 706 os comutadores semicondutores controláveis S2 e S3 são ativados e os comutadores semicondutores controláveis S1 e S4 são desativados. Dessa forma, para passar do estado positivo de operação 702 ao estado zero de operação 706, o primeiro comutador semicondutor controlável S1 que foi ativado durante o estado negativo de operação 702 é desativado, como é mostrado no estado transitório 704. Isso resulta em que a corrente através de S1 é reduzida a e mantida em zero. Dessa forma, o comutador semicondutor controlável S1 pode ser completamente desligado, mesmo que um dispositivo parcialmente controlador, como um tiristor, seja usado. Depois disso, o comutador semicondutor controlável S2 que foi desativado durante o estado negativo de operação 702 é desativado, como mostrado no estado zero de operação 704. Além disso, deve ser observado que para desativar ou desligar o comutador semicondutor controlável S1 uma corrente circular entre duas fases (isto é, entre duas pernas) pode ser utilizada e, dessa maneira, nenhuma tensão negativa da mesma perna é necessária.

[040] Referindo-se à Figura 8, a representação diagramática 800 de uma transição de uma perna conversora como a perna 300 da Figura 2 a partir de um estado zero de operação a um estado positivo de operação, de acordo com os aspectos da presente realização, é ilustrada. Para um entendimento facilitado, a Figura 8 será descrita em relação às Figuras 5(a) a 5(c) e à Figura 6. A Figura 8 mostra três estados, um estado zero de operação 802, um estado transitório 804 e um estado negativo de operação 806. No estado zero de operação 802, como discutido anteriormente, os comutadores semicondutores controláveis S2 e S3 são ativados e os comutadores semicondutores controláveis S1 e S4 são desativados, enquanto no estado negativo de operação 806, os comutadores semicondutores controláveis S2 e S4 são ativados e os comutadores semicondutores controláveis S1 e S3 são desativados. Dessa forma, para passar do estado zero de operação 802 até o estado positivo de operação 806, o primeiro comutador semicondutor controlável S3 que foi ativado durante o estado zero de operação 802 é desativado, como mostrado no estado transitório 804. Então, a corrente através do comutador semicondutor controlável S3 é reduzida e mantida em zero. Dessa forma, o comutador semicondutor controlável S3 pode ser completamente desligado, mesmo que um dispositivo parcialmente controlador, como um tiristor, seja usado. Depois disso, o comutador semicondutor controlável S4 que foi desativado durante o estado zero de operação 802 é desativado, como é mostrado no estado positivo de operação 804. Além disso, deve ser observado que para desativar ou desligar o comutador semicondutor controlável S3, uma corrente circular entre duas fases (isto é, entre duas pernas) pode ser utilizada e, dessa maneira, nenhuma tensão negativa da mesma perna é necessária.

[041 j As diversas realizações do conversor de potência e os métodos de conversão de potência descritos acima ajudam no desenvolvimento de conversores multinível de potência e, desse modo, permitem a geração de alta saída de potência/tensão/corrente. Além disso, já que o conversor de potência exemplificativo utiliza em torno da metade do número de unidades de comutação quando comparado ao conversor modular de potência convencional, um sistema de menor custo pode ser proporcionado. Além disso, o uso de comutadores semicondutores parcialmente controláveis, tais como tiristores, no conversor de potência proporciona um sistema menos dispendioso. Além disso, o uso de tiristores proporciona um conversor de potência com perdas substancialmente menores. Além disso, o conversor de potência exemplificativo pode evitar a necessidade de capacitores adicionais na ligação de CC. As diversas realizações do conversor de potência podem ter aplicações nos dispositivos de geração de potência solar, eólica e em outros dispositivos de geração de potência renovável. Além disso, o conversor de potência pode ser empregado nos sistemas de geração de potência não renovável como usinas termoelétricas, usinas hidrelétricas e equivalentes dos mesmos. Além disso, o conversor de potência pode ser empregado como um conversor CC-CA ou um conversor CA-CC para uso em sistemas de distribuição e transmissão de HVDC.

[042] Embora apenas determinados recursos da invenção tenham sido ilustrados e descritos no presente documento, diversas modificações e mudanças irão ocorrer às pessoas versadas na técnica. Então, deve ser entendido que as reivindicações anexas têm o objetivo de cobrir todas as modificações e mudanças abrangidas pela verdadeira essência da invenção.

Lista de Elementos 100 Sistema para Conversão de Potência 102 Fonte 104 Conversor de Potência 106 Grade/Utilidade/Carga 108 Controlador 300 Uma Perna do Conversor de Potência 302 Primeiro Fio 304 Segundo Fio 306 Primeiro Barramento 308 Segundo Barramento 310 Primeiro Nó de Conexão 312 Segundo Nó de Conexão 314 Primeiro Ramo 316 Segundo Ramo 318 Terceiro Nó de Conexão 320 Primeira Porção 322 Primeiro Comutador Semicondutor Controlável 324 Segunda Porção 326 Primeiro Indutor 328 Segundo Comutador Semicondutor Controlável 329 Segundo Indutor 330 Terceiro Barramento 332 Terceiro Comutador Semicondutor Controlável 334 Quarto Comutador Semicondutor Controlável 336 Fase de CA 400 Unidade de Comutação 402, 404 Comutadores Semicondutores Completamente Controláveis 406 Dispositivo de Armazenamento de Potência 408 Primeiro Conector 410 Segundo Conector 412 Diodo de Potência 414 Primeiro Membro 416 Segundo Membro 450 Unidade de Comutação 452, 454, 464, 466 Comutadores Semicondutores Completamente Controláveis 456 Dispositivo de Armazenamento de Potência 458 Primeiro Conector 460 Segundo Conector 468, 470, 472, 474 Diodo de Potência 500 Representações Diagramáticas de Diferentes Estados de Operação de uma Perna de um Conversor de Potência 502 Perna Conversora 504 Primeiro Fio 506 Segundo Fio 508 Primeiro Barramento 510 Segundo Barramento 512 Primeiro Nó de Conexão 513 Primeiro Indutor 514 Segundo Nó de Conexão 515 Segundo Indutor 516, 518 Fontes de Tensão 520 Fase de Corrente Alternada 522 Terceiro Nó de Conexão 524 Terceiro Barramento 526 Primeiro Trajeto de Fluxo de Corrente 528 Perna Conversora 532 Perna Conversora 600 Conversor Multinível Trifásico 602 Primeiro Fio 604 Segundo Fio 606 Primeiro Ramo 608 Segundo Ramo 610 Primeira Porção 612 Segunda Porção 614 Primeiro Nó de Conexão 615 Primeiro Indutor 616 Segundo Nó de Conexão 617 Segundo Indutor 618 Terceiro Nó de Conexão 620 Primeiro Barramento 622 Primeiro Comutador Semicondutor Controlável 624 Segundo Comutador Semicondutor Controlável 626, 628, 630 Três Pernas 632 Terceiro Comutador Semicondutor Controlável 634 Quarto Comutador Semicondutor Controlável 636, 638, 640 Fases de CA 642 Segundo Barramento 644 Terceiro Barramento 700 Representação Diagramática de uma Transição de uma Perna Conversora a partir de um Estado Negativo de Operação a um Estado Zero de Operação 702 Estado Negativo de Operação 704 Estado Transitório 706 Estado Zero de Operação 800 Representação Diagramática de uma Transição de uma Perna Conversora a partir de um Estado Zero de Operação a um Estado Positivo de Operação 802 Estado Zero de Operação 804 Estado Transitório 806 Estado Negativo de Operação Reivindicações

Claims (10)

1. CONVERSOR DE POTÊNCIA (104), caracterizado pelo fato de que compreende: pelo menos uma perna (300) que compreende: um primeiro fio (302) que compreende um primeiro ramo (314) e um segundo ramo (316) em que cada um compreende uma pluralidade de unidades de comutação (320, 324) e um comutador semicondutor controlável (322, 328), um primeiro nó de conexão (310) e um segundo nó de conexão (312), em que o primeiro fio é acoplado de modo operacional através de um primeiro barramento (306) e um segundo barramento (308) e em que o segundo ramo é acoplado de modo operacional ao primeiro ramo através de um terceiro nó de conexão (318); e um segundo fio (304) acoplado de modo operacional ao primeiro fio através do primeiro nó de conexão e do segundo nó de conexão, em que o segundo fio compreende uma pluralidade de comutadores semicondutores controláveis (332, 334).

2. CONVERSOR DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de unidades de comutação e o comutador semicondutor controlável no primeiro ramo são conectados um ao outro através do primeiro nó de conexão e a pluralidade de unidades de comutação e o comutador semicondutor controlável no segundo ramo são conectados um ao outro através do segundo nó de conexão.

3. CONVERSOR DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de unidades de comutação compreende uma pluralidade de comutadores semicondutores completamente controláveis e pelo menos um dispositivo de armazenamento de energia.

4. CONVERSOR DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de comutadores semicondutores completamente controláveis compreende um transistor bipolar de porta isolada, um transistor de efeito de campo de óxido de metal semicondutor, um transistor de efeito de campo, um tiristor de desligamento por porta, um tiristor comutado por porta isolada, um transistor de porta de injeção aprimorada, um comutador com base em carbeto de silício, um comutador com base em nitreto de gálio, um comutador com base em arsenieto de gálio ou combinações dos mesmos.

5. CONVERSOR DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro barramento compreende um barramento de corrente direta positiva e o segundo barramento compreende um barramento de corrente direta negativa.

6. CONVERSOR DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o terceiro nó de conexão é acoplado de modo operacional a um terceiro barramento.

7. CONVERSOR DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o terceiro barramento compreende um barramento de corrente direta.

8. CONVERSOR DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o segundo fio compreende uma primeira porção e uma segunda porção.

9. SISTEMA (100) PARA CONVERSÃO DE POTÊNCIA, caracterizado pelo fato de que compreende: uma fonte de alimentação (102); uma carga (106); um primeiro conversor de potência (104) que compreende: uma ou mais pernas (300), em que cada uma dentre as uma ou mais pernas compreende: um primeiro fio (302) que compreende um primeiro ramo (314) e um segundo ramo (316) em que cada um compreende uma pluralidade de unidades de comutação (320, 324) e um comutador semicondutor controlável (322, 328), um primeiro nó de conexão (310) e um segundo nó de conexão (312), em que o primeiro fio é acoplado de modo operacional através de um primeiro barramento (306) e um segundo barramento (308) e o segundo ramo é acoplado de modo operacional ao primeiro ramo através de um terceiro nó de conexão (318); um segundo fio (304) acoplado de modo operacional ao primeiro fio através do primeiro nó de conexão e do segundo nó de conexão, em que o segundo fio compreende uma pluralidade de comutadores semicondutores controláveis (332, 334); e um controlador (108) configurado para controlar a comutação da pluralidade de comutadores semicondutores controláveis e da pluralidade de unidades de comutação.

10. SISTEMA (100) PARA CONVERSÃO DE POTÊNCIA, caracterizado pelo fato de que compreende: uma fonte de alimentação (102); uma carga (106); um primeiro conversor de potência (104) que compreende: uma ou mais pernas (300), em que cada uma dentre a uma ou mais pernas compreende: um primeiro fio (302) acoplado de modo operacional entre um primeiro barramento (306) e um segundo barramento (308), em que o primeiro fio compreende um primeiro ramo (314) e um segundo ramo (316), em que cada um compreende uma pluralidade de unidades de comutação (320, 324) e um comutador semicondutor controlável (322, 328), um primeiro nó de conexão (310) e um segundo nó de conexão (312), em que o segundo ramo é acoplado de modo operacional ao primeiro ramo através de um terceiro nó de conexão (318) e em que os nós de conexão da uma ou mais pernas são acoplados de modo operacional entre si; um segundo fio (304) acoplado de modo operacional ao primeiro fio através do primeiro nó de conexão e do segundo nó de conexão, em que o segundo fio compreende uma pluralidade de comutadores semicondutores controláveis (332, 334); e um controlador (108) configurado para controlar a comutação da pluralidade de comutadores semicondutores controláveis e de uma pluralidade de unidades de comutação.