BR102015028656A2

BR102015028656A2 - conversor multinível modular embutido e sistema de conversão de potência

Info

Publication number: BR102015028656A2
Application number: BR102015028656A
Authority: BR
Inventors: Andrew Allen Rockhill; Di Zhang; Luis Jose Garces
Original assignee: Ge Energy Power Conversion Technology Ltd
Priority date: 2014-11-17
Filing date: 2015-11-16
Publication date: 2016-07-05
Also published as: US9515574B2; EP3046248B1; CA2911774A1; EP3046248A1; CN105610334A; US20160141949A1

Abstract

conversor multinível modular embutido e sistema de conversão de potência trata-se de um conversor multinível modular embutido (memc) (104) que inclui uma primeira porção de fase (a, b, c) e uma segunda porção de fase (a, b, c). a primeira porção de fase inclui uma primeira pilha de comutadores (206, 208, 210; 312) operável para acoplar uma primeira ramificação de fase (234, 236, 238; 300) entre um barramento de cc positivo (314; 404) e um nó de ponto médio (212; 318; 402). a segunda porção de fase inclui uma segunda pilha de comutadores (206, 208, 210; 312) operável para acoplar uma segunda ramificação de fase (234, 236, 238; 300) entre o nó de ponto médio e um barramento de cc negativo (316; 406). uma tensão de cc entre o barramento de cc positivo e o barramento de cc negativo pode ser distribuída entre as unidades de comutação (s1, s2, s3, s4, s5, s6, s7, s8, s9, s10, s11, s12) dispostas na primeira ramificação de fase e na segunda ramificação de fase. uma distribuição da tensão de cc é controlada regulando-se uma tensão de cc no nó de ponto médio para equilibrar a energia entre as unidades de comutação.

Description

“CONVERSOR MULTINÍVEL MODULAR EMBUTIDO E SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA” Antecedentes [001] O campo da revelação se refere, de modo geral, a sistemas de conversão de potência de três fases e, mais particularmente, a um conversor multinível modular embutido (memc) e um método de uso do mesmo.

[002] A maioria dos conversores multinível conhecidos tem algumas vantagens sobre os conversores de dois níveis comuns, por exemplo, qualidade de potência melhorada, eficiência relativamente mais alta devido a frequências de comutação mais baixas e a capacidade para realizar interface entre uma malha e uma ou mais fontes renováveis, tais como fotovoltaicos (PVs), células de combustível e turbinas eólicas.

[003] Pelo menos alguns conversores multinível conhecidos são configurados com uma estrutura modular e sem transformadores. A estrutura modular facilita o empilhamento de tais conversores multinível conhecidos dimensionados para vários níveis de tensão e potência. Exemplos de tais conversores multinível incluem um conversor multinível modular (MMC) e um MEMC. Os MMCs e MEMCs utilizam um número amplo de comutadores semicondutores completamente controláveis, tais como transistores bipolares de porta isolada (IGBTs), transistores de efeito de campo de semicondutor de óxido de metal (MOSFETs), transistores de efeito de campo (FETs), tiristores de desativação de porta, tiristores comutados de porta isolada (IGCTs), transistores de porta realçados por injeção (lEGTs), comutadores a base de carbeto de silício, comutadores a base de nitreto de gálio e comutadores a base de arsenieto de gálio, dispostos em pilhas que acoplam de maneira variada ramificações a um lado de corrente contínua (CC) do conversor multinível.

[004] O equilíbrio de energia é um aspecto importante da operação de um conversor multinível. Em um MEMC, a energia é equilibrada a um nível de sistema, que facilita a equalização da potência no lado de corrente alternada (CA) e a potência no lado de corrente contínua (CC). A energia é adicionalmente equilibrada entre as ramificações do MEMC e dentro das ramificações. Além disso, técnicas de equilíbrio de energia de ramificação empregadas em MMCs, que dependem das distribuições de corrente entre as ramificações de fase acopladas em paralelo entre os barramentos de CC, são inaplicáveis em MEMCs onde ramificações de fase são acopladas em série entre os barramentos de CC.

Breve Descrição [005] Em um aspecto, um conversor multinível modular embutido (MEMC) é fornecido. O MEMC inclui uma primeira porção de fase e uma segunda porção de fase. A primeira porção de fase inclui uma primeira pilha de comutadores operável para acoplar uma primeira ramificação de fase entre um barramento de CC positivo e um nó de ponto médio. A segunda porção de fase inclui uma segunda pilha de comutadores operável para acoplar uma segunda ramificação de fase entre o nó de ponto médio e um barramento de CC negativo. Uma tensão de CC entre o barramento de CC positivo e o barramento de CC negativo pode ser distribuída entre as unidades de comutação dispostas na primeira ramificação de fase e na segunda ramificação de fase.

[006] Em outro aspecto, um método para operar um MEMC é fornecido. O método inclui controlar uma pluralidade de comutadores para o MEMC. Quando controlada, a pluralidade de comutadores acopla uma primeira ramificação de fase entre uma fonte de tensão de CC positiva e um nó de ponto médio. A pluralidade de comutadores também acopla uma segunda ramificação de fase entre o nó de ponto médio e uma fonte de tensão de CC negativa. A pluralidade de comutadores acopla adicionalmente as extremidades opostas de uma terceira ramificação de fase ao nó de ponto médio. O método inclui adicionalmente regular um componente de CA de uma tensão de ponto médio no nó de ponto médio. O componente de CA da tensão de ponto médio é regulado para equilibrar a energia de ramificação por meio de circuitos fechados de corrente de CA entre a primeira ramificação de fase, a segunda ramificação de fase e a terceira ramificação de fase. O método também inclui regular um componente de CC da tensão de ponto médio para equilibrar a energia de ramificação controlando-se tensões de CC distribuídas entre a primeira ramificação de fase e a segunda ramificação de fase.

[007] Em ainda outro aspecto, um sistema de conversão de potência é fornecido. O sistema de conversão de potência inclui um MEMC e um controlador. O MEMC inclui três ramificações de fase que correspondem a três fases. O controlador é acoplado ao MEMC e é operável para controlar uma pluralidade de comutadores. A pluralidade de comutadores é configurada para acoplar de maneira variada as três ramificações de fase a uma fonte de tensão de CC positiva, uma fonte de tensão de CC negativa e um nó de ponto médio. O controlador é configurado para regular um componente de CA de uma tensão de ponto médio e um componente de CC da tensão de ponto médio para equilibrar as respectivas energias nas três ramificações de fase.

Figuras [008] Esses e outros recursos, aspectos e vantagens da presente invenção serão mais bem entendidos quando as seguintes descrições detalhadas forem lidas com referência às figuras anexas, nas quais caracteres semelhantes representam partes semelhantes ao longo das figuras, em que: - A Figura 1 é um diagrama de blocos de um sistema de conversão de potência exemplificador;

- A Figura 2 é um diagrama esquemático de um MEMC exemplificador mostrado na Figura 1; - A Figura 3 é um diagrama esquemático de estados variados de uma ramificação de fase para o MEMC exemplificador mostrado na Figura 2; - A Figura 4 é um diagrama esquemático de um circuito equivalente para o MEMC exemplificador mostrado na Figura 2; e - A Figura 5 é um diagrama de fluxo de um método para operar um conversor de potência de três fases exemplificador.

[009] A menos que seja de outro modo indicado, as figuras fornecidas no presente documento têm como objetivo ilustrar os recursos das realizações desta revelação. Acredita-se que esses recursos sejam aplicáveis em uma ampla variedade de sistemas que compreendem uma ou mais realizações desta revelação. Desse modo, as figuras não são destinadas a incluir todos os recursos convencionais conhecidos por indivíduos de habilidade comum na técnica que são necessários para a prática das realizações descritas no presente documento.

Descrição Detalhada [010] No relatório descritivo e nas reivindicações apresentados a seguir, vários termos que são referenciados têm os seguintes significados.

[011] As formas singulares “um”, “uma”, “o” e “a” incluem referências plurais a menos que o contexto claramente dite o contrário.

[012] O termo “opcional” ou “opcionalmente” significa que o evento ou circunstância subsequentemente descrito pode ocorrer ou não, e que a descrição inclui instâncias quando o evento ocorre e instâncias quando o mesmo não ocorre.

[013] A linguagem aproximada, conforme usado no presente documento ao longo do relatório descritivo e das reivindicações, pode ser usada para modificar qualquer representação quantitativa que pode variar de forma permissível sem resultar em uma mudança na função básica a qual é relacionada. Consequentemente, um valor modificado por um termo ou termos, como "aproximadamente" e "substancialmente", não se limita ao valor preciso especificado. Pelo menos em alguns casos, a linguagem de aproximação pode corresponder à precisão de um instrumento para medição do valor. Aqui e no decorrer do relatório descritivo e das reivindicações, limitações de faixa podem ser combinadas e alternadas, sendo que tais faixas são identificadas e incluem todas as subfaixas contidas nas mesmas, a menos que o contexto ou a linguagem indique o contrário.

[014] Os sistemas de conversão de potência descritos no presente documento fornecem uma técnica para equilibrar a energia entre ramificações de um conversor multinível modular embutido (MEMC). Certas realizações descritas no presente documento incluem um MEMC de três fases que tem uma ramificação de fase que corresponde a cada uma das três fases. As ramificações de fase são acopladas de maneira variada a uma fonte de tensão de corrente contínua (CC) positiva, uma fonte de tensão de CC negativa e um nó de ponto médio por pilhas de comutação correspondentes. Em um determinado instante, as energias nas ramificações de fase são equilibradas regulando-se uma tensão de CC no nó de ponto médio em vez de regulando-se circuitos fechados de corrente alternada (CA) e corrente de CC através das ramificações de fase, conforme é realizado em conversores multinível modulares (MMCs).

[015] A Figura 1 é um diagrama de blocos de um sistema de conversão de potência exemplificador 100. O sistema de conversão de potência 100 inclui uma fonte 102, um MEMC 104, uma carga 106 e um controlador 108. A fonte 102 é uma fonte de potência. Por exemplo, sem limitação, a fonte 102 pode ser uma fonte de potência renovável, uma fonte de potência não renovável, um gerador ou uma malha. A carga 106 é uma carga elétrica. Por exemplo, sem limitação, a carga 106 pode ser uma malha elétrica ou um aparelho elétrico. Realizações alternativas do sistema de conversão de potência 100 incluem componentes adicionais, tais como, sem limitação, disjuntores, indutores, compensadores, capacitores, retificadores, reatores e filtros.

[016] O controlador 108 é acoplado ao MEMC 104 e configurado para controlar a operação do mesmo. O controlador 108 contra o MEMC 104 por meio de uma pluralidade de comutadores semicondutores dentre do MEMC 104.

[017] Conforme usado no presente documento, o termo “controlador” não é limitado apenas aqueles circuitos integrados referidos na técnica como um computador, porém, refere-se de maneira ampla a um microcontrolador, um microcomputador, um controlador lógico programável (PLC), um circuito integrado de aplicação específica e outros circuitos programáveis, e esses termos são usados de maneira intercambiável no presente documento. Nas realizações descritas no presente documento, a memória pode incluir, mas não se limita a, um meio legível por computador, tal como uma memória de acesso aleatório (RAM), e um meio não volátil legível por computador, tal como uma memória flash. Alternativamente, um disquete, um disco compacto de memória somente de leitura (CD-ROM), um disco magneto-óptico (MOD) e/ou um disco versátil digital (DVD) também podem ser usados. Além disso, nas realizações descritas no presente documento, canais de entrada adicionais podem ser, mas não se limitam a, periféricos de computador associados a uma interface de operador, tal como um mouse ou um teclado. Alternativamente, outros periféricos de computador também podem ser usados, os quais podem incluir, por exemplo, mas não se limitam a, um digitalizador. Além disso, na realização exemplificadora, canais de saída adicionais podem incluir, mas não se limitam a, um monitor de interface de operador.

[018] A Figura 2 é um diagrama esquemático do MEMC 104 mostrado na Figura 1. O MEMC 104 inclui uma fonte de tensão de CC positiva 202 e uma fonte de tensão de CC negativa 204. O MEMC 104 também inclui uma fase A, uma fase B e uma fase C, acopladas entre a fonte de tensão de CC positiva 202 e a fonte de tensão de CC negativa 204. A fase A inclui uma pilha de comutadores 206, a fase B inclui uma pilha de comutadores 208 e a fase C inclui uma pilha de comutadores 210. Cada uma das pilhas de comutação 206, 208 e 210 incluem quatro comutadores acoplados em série. A pilha de comutadores 206 inclui uma válvula de tiristor T15 uma válvula de tiristor T2, uma válvula de tiristor T3 e uma válvula de tiristor T4 acopladas em série entre a fonte de tensão de CC positiva 202 e a fonte de tensão de CC negativa 204. A pilha de comutadores 208 inclui uma válvula de tiristor T5, uma válvula de tiristor T6, uma válvula de tiristor T7 e uma válvula de tiristor T8 acopladas em série entre a fonte de tensão de CC positiva 202 e a fonte de tensão de CC negativa 204. A pilha de comutadores 210 inclui uma válvula de tiristor T9, uma válvula de tiristor T10, uma válvula de tiristor Tu e uma válvula de tiristor Ti2 acoplada em série entre a fonte de tensão de CC positiva 202 e a fonte de tensão de CC negativa 204. Em realizações alternativas, os comutadores em pilhas de comutação 206, 208 e 210 podem ser transistores bipolares de porta isolada (IGBTs). Os respectivos pontos médios das pilhas de comutação 206, 208 e 210 são acoplados a um nó comum referido como um nó de ponto médio 212.

[019] A fase A inclui um braço de fase superior 214 e uma braço de fase inferior 216. A fase B inclui um braço de fase superior 218 e uma braço de fase inferior 220. A fase C inclui um braço de fase superior 222 e um braço de fase inferior 224. O braço de fase superior 214 e o braço de fase inferior 216 são acoplados a um terminal de fase A 226. O braço de fase superior 218 e o braço de fase inferior 220 são acoplados a um terminal de fase B 228. O braço de fase superior 222 e o braço de fase inferior 224 são acoplados a um terminal de fase C 230. Os terminais 226, 228 e 230, que correspondem às fases A, B e C, acoplam o MEMC 104 a uma carga ou malha de fornecimento de energia 106.

[020] Em geral, um braço de fase inclui uma ou mais unidades de comutação acopladas em série com um indutor de braço a um respectivo terminal de fase. O braço de fase superior 214 inclui as unidades de comutação Si e S2. O braço de fase inferior 216 inclui as unidades de comutação S3 e S4. O braço de fase superior 218 inclui as unidades de comutação S5 e S6. O braço de fase inferior 220 inclui as unidades de comutação S7 e Se. O braço de fase superior 222 inclui as unidades de comutação Sg e S10. O braço de fase inferior 224 inclui as unidades de comutação Sn e S12. O braço de fase inferior 216 inclui o indutor de braço 232. De maneira semelhante, os braços de fase superiores 214, 218 e 222, e os braços de fase inferiores 220 e 224 também incluem um indutor em suas respectivas topologias. O braço de fase superior 214 se acopla à pilha de comutadores 206 entre as válvulas de tiristor T1 e T2. De maneira semelhante, o braço de fase superior 218 se acopla à pilha de comutadores 208 entre as válvulas de tiristor T5 e T6, e o braço de fase superior 222 se acopla à pilha de comutadores 210 entre as válvulas de tiristor Tg e Ti0. O braço de fase inferior 216 se acopla à pilha de comutadores 206 entre as válvulas de tiristor T3 e T4. De maneira semelhante, o braço de fase inferior 220 se acopla à pilha de comutadores 208 entre as válvulas de tiristor T7 e T8, e o braço de fase inferior 224 se acopla à pilha de comutadores 210 entre as válvulas de tiristor T11 e T12.

[021] As unidades de comutação S1 até Si2 conduzem corrente em qualquer direção e podem ser construídas com topologias de tensão unidirecionais ou bidirecionais, ou uma combinação de ambas. Um exemplo de uma topologia de tensão unidirecional é uma topologia de meia-ponte. Um exemplo de uma topologia de tensão bidirecional é uma topologia de ponto inteira. As unidades de comutação Si até S4 formam uma ramificação de fase 234 para a fase A. As unidades de comutação S5 até S8 formam uma ramificação de fase 236 para a fase B. As unidades de comutação S9 até S12 formam uma ramificação de fase 238 para a fase C.

[022] Durante o funcionamento, as válvulas de tiristor T1 até T12 são controladas de modo que as fases A, B, e C sejam acopladas entre a fonte de tensão de CC positiva 202 e o nó de ponto médio 212, o nó de ponto médio 212 e a fonte de tensão de CC negativa 204 ou acoplados ao nó de ponto médio 212 por si só. Os comutadores S1 até S12 nas pilhas de comutação 206, 208 e 210 são controladas, em geral, por um controlador (não mostrado na Figura 2), tal como, e sem limitação, o controlador 108 mostrado na Figura 1, que executa um algoritmo de controle.

[023] A Figura 3 é um diagrama esquemático de três estados possíveis para uma ramificação de fase 300 no MEMC 104, mostrado na Figura 1. A ramificação de fase 300 inclui um primeiro braço de fase 302 e um segundo braço de fase 304. Cada um dos braços de fase 302 e 304 inclui uma ou mais unidades de comutação S1 até Sn acopladas em série com um indutor de braço Li e um terminal de fase 306. As unidades de comutação acopladas em série S1 até Sn são representadas como uma primeira fonte de tensão controlada 308 e uma segunda fonte de tensão controlada 310. A ramificação de fase 300 é acoplado a uma pilha de comutadores 312 que inclui um comutador SW1, um comutador SW2, um comutador SW3 e um comutador SW4 acoplado em série entre um barramento de CC positivo 314 e um barramento de CC negativo 316. O ponto médio da pilha de comutadores 312 é acoplado a um nó de ponto médio 318.

[024] A ramificação de fase 300 avança através de um estado positivo 320, um estado zero 322 e um estado negativo 324 durante um ciclo fundamental. Em geral, o ciclo fundamental para um sistema de 60 Hertz é 1/60 de um segundo. O ciclo fundamental para o MEMC 104 mostrado na Figura 1 inclui seis subciclos. Durante um determinado subciclo do ciclo fundamental, a ramificação de fase 300 pode estar em um dentre o estado positivo 320, o estado zero 322 e o estado negativo 324. Quando no estado positivo 320, a ramificação de fase 300 é acoplada entre o barramento de CC positivo 314 e o nó de ponto médio 318, e conduz uma corrente de CC através da primeira fonte de tensão controlada 308 e da segunda fonte de tensão controlada 310. Para alcançar o estado positivo 320, o comutador SWi e o comutador SW3 são fechados, e o comutador SW2 e o comutador SW4 são abertos. Quando no estado zero 322, a ramificação de fase 300 é acoplada ao nó de ponto médio 318 por si só, isto é, tanto o primeiro braço de fase 302 quanto o segundo braço de fase 304 são acoplados ao nó de ponto médio 318, que é alcançado pela abertura do comutador SW-t e do comutador SW4, e o fechamento do comutador SW2 e do comutador SW3. Quando no estado zero 322, a ramificação de fase 300 conduz correntes de fase de CA. Quando no estado negativo 324, a ramificação de fase 300 é acoplada entre o nó de ponto médio 318 e o barramento de CC negativo 316, e conduz a corrente de CC através da primeira fonte de tensão controlada 308 e da segunda fonte de tensão controlada 310. Para alcançar o estado negativo 324, o comutador SW2 e o comutador SW4 são fechados, e o comutador SWi e o comutador SW3 são abertos.

[025] Para um sistema de três fases, se for necessário, para suportar a tensão de barramento de CC completa, que pelo menos uma ramificação de fase esteja no estado positivo 320 e pelo menos uma outra ramificação de fase esteja no estado negativo 324 em um determinado instante. Cada ramificação de fase muda do estado positivo 320, através do estado zero 322 e para o estado negativo 324, ou do estado negativo 324 para o estado zero 322 para o estado positivo 320. Enquanto uma determinada ramificação de fase está em transição, as outras duas ramificações de fase estão em um estado positivo 320 e um estado negativo 324 para sustentar a tensão de barramento de CC.

[026] A Figura 4 é um diagrama esquemático de um circuito equivalente 400 para um determinado subciclo de um ciclo fundamental para p MEMC 104. O circuito equivalente 400 inclui uma ramificação de fase A, uma ramificação de fase B e uma ramificação de fase C. A ramificação de fase A está em um estado zero, acoplada a um nó de ponto médio 402. A ramificação de fase A não conduz corrente de CC, mas conduz corrente de CA entre as fases A, B e C. A ramificação de fase B está em um estado positivo, acoplada entre um barramento de CC positivo 404 e um nó de ponto médio 402. A ramificação de fase B conduz tanto uma corrente de CC, lcc, quanto uma corrente de CA que flui em um circuito fechado de corrente de CA entre a fase A e a fase B. A ramificação de fase B inclui uma fonte de tensão controlada superior 408 e uma fonte de tensão controlada inferior 410. Uma corrente de CA entre as fases A e B passa através da ramificação de fase A e através da fonte de tensão controlada inferior 410 na ramificação de fase B. De maneira semelhante, a ramificação de fase C inclui uma fonte de tensão controlada superior 412 e uma fonte de tensão controlada inferior 414, e conduz a corrente de CC, lcc, e a corrente de CA que flui em um circuito fechado de corrente de CA entre as fases A e C. Uma corrente de CA entre as fases A e C passa através da ramificação de fase A e através da fonte de tensão controlada superior 412 na ramificação de fase C.

[027] A corrente de CC, lcc, flui do barramento de CC positivo 404 para o barramento de CC negativo 406, e passa através de cada unidade de comutação na ramificação de fase B e na ramificação de fase C. A corrente de CC é desacoplada dos circuitos fechados de corrente de CA entre as fases A, B e C. As correntes de CA e, consequentemente, as energias de fase recebidas ou enviadas ao lado de CA são equilibradas regulando-se uma tensão de CA no nó de ponto médio 402, isto é, um componente de CA de uma tensão de ponto médio. A regulação da tensão de CA no nó de ponto médio 402 é alcançada adicionando-se uma tensão de modo comum para cada fase.

[028] As energias de desvia de fase são adicionalmente equilibradas regulando-se uma tensão de CC no nó de ponto médio 402, isto é, um componente de CC da tensão de ponto médio. A tensão de CC entre o barramento de CC positivo 404 e o barramento de CC negativo 406 é distribuída através da ramificação de fase B e da ramificação de fase C controlando-se as tensões através das unidades de comutação variadas na ramificação de fase B e na ramificação de fase C, isto é, a fonte de tensão controlada superior 408, a fonte de tensão controlada inferior 410, a fonte de tensão controlada superior 412 e a fonte de tensão controlada inferior 414. As fontes de tensão controladas 410 e 412, através das quais os circuitos fechados de corrente de CA passam, são retidas a uma tensão estável uma vez que as energias de fase no lado de AC são equilibradas.

[029] A Figura 5 é um diagrama de fluxo de um método exemplificador 500 de operação do MEMC 104 (mostrado nas Figuras 1 e 2). O método é iniciado em uma etapa de início 510. Em uma etapa de controle 520, a pluralidade de comutadores Ti até Ti2 (mostrada na Figura 2) para o MEMC 104 é controlada de acordo com um algoritmo de comutação de conversão de potência. A pluralidade de comutadores Ti até Ti2 é disposta em pilhas de comutação 206, 208 e 210 (mostrado na Figura 2). As pilhas de comutação 206, 208 e 210 são configuradas para acoplar de maneira variada as ramificações de fase 234, 236 e 238 (todos mostrados na Figura 2) à fonte de tensão de CC positiva 202, à fonte de tensão de CC negativa 204 e ao nó de ponto médio 212 (todos mostrados na Figura 2).

[030] Em um determinado instante, pelo menos uma ramificação de fase, das ramificações de fase 234, 236 e 238, precisa estar no estado positivo 320 (mostrado na Figura 3) e pelo menos uma outra ramificação de fase precisa estar no estado negativo 224 (mostrado na Figura 3). Enquanto uma ramificação de fase está no estado positivo 320 e outra está no estado negativo 324, a terceira ramificação de fase pode mudar do estado positivo 320, para o estado zero 322 (mostrado na Figura 3) e seguir para o estado negativo 324, ou do estado negativo 324, para o estado zero 322, e seguir para o estado positivo 320. Para um determinado ciclo fundamental, cada uma das três ramificações de fase passa através de cada um dos três estados: estado positivo 320, estado zero 322 e estado negativo 324.

[031] Para um determinado subciclo em um determinado ciclo fundamental, na etapa de controle 520, a pluralidade de comutadores Ti até T12 é controlada para acoplar a ramificação de fase 234 entre a fonte de tensão de CC positiva 202 e o nó de ponto médio 212 e acoplar a ramificação de fase 236 entre o nó de ponto médio 212 e a fonte de tensão de CC negativa 204. A pluralidade de comutadores Ti até Ti2 é adicionalmente controlada para acoplar a ramificação de fase 238 ao nó de ponto médio 212 por si só, o que significa acoplar as extremidades opostas da ramificação de fase 238 ao nó de ponto médio 212. Consequentemente, durante o determinado subciclo, a ramificação de fase 234 está no estado positivo 320, a ramificação de fase 236 está no estado negativo 324 e a ramificação de fase 238 está no estado zero 322. Além disso, durante o determinado subciclo, a ramificação de fase 234 e a ramificação de fase 236 sustentam a tensão de CC completa entre a fonte de tensão de CC positiva 202 e a fonte de tensão de CC negativa 204.

[032] Em uma etapa de equilíbrio de CA 530, um componente de CA de uma tensão de ponto médio é regulado para equilibrar os circuitos fechados de corrente de CA entre a ramificação de fase 234, a ramificação de fase 236 e a ramificação de fase 238. O componente de CA da tensão de ponto médio é regulado adicionando-se uma tensão de modo comum para cada uma das fases A, B e C (mostrado na Figura 2) equilibrando, assim, a energia entre as fases A, B e C.

[033] Em uma etapa de equilíbrio de CC 540, um componente de CC da tensão de ponto médio é regulado para equilibrar as tensões de CC distribuídas entre a ramificação de fase 234 e a ramificação de fase 236. As tensões através de várias unidades de comutação Si até Ss (todas mostradas na Figura 2) na ramificação de fase 234 e na ramificação de fase 236 são reguladas de modo que as tensões para as unidades de comutação S3, S4, S5 e S6, que carregam as correntes de CA e foram anteriormente equilibradas na etapa de equilíbrio de CA 530 são mentidas constantes, enquanto que as tensões de CC através das unidades de comutação S1, S2, S7 e Ss, que não carregam as correntes de CA, são ajustadas para equilibrar a energia através dos braços de fase inferiores e superiores 214, 216, 218 e 220 (todos mostrados na Figura 2) de cada um das ramificações de fase 234 e 236. O método termina em uma etapa de finalização 550.

[034] Os sistemas de conversão de potência descritos acima fornecem uma técnica para equilibrar a energia entre ramificações de um conversor multinível modular embutido (MEMC). Certas realizações descritas no presente documento incluem um MEMC de três fases que tem uma ramificação de fase que corresponde a cada uma das três fases. As ramificações de fase são acopladas de maneira variada a uma fonte de tensão de corrente contínua (CC) positiva, uma fonte de tensão de CC negativa e um nó de ponto médio por pilhas de comutação correspondentes. Em um determinado instante, as energias nas ramificações de fase são equilibradas regulando-se uma tensão de CC no nó de ponto médio em vez de regulando-se circuitos fechados de corrente alternada (CA) e corrente de CC através das ramificações de fase, conforme é realizado em conversores multinível modulares (MMCs). Além disso, técnicas de equilíbrio de energia de ramificação utilizas em MMCs, que dependem das distribuições de corrente entre as ramificações de fase acopladas em paralelo entre os barramentos de CC, são inaplicáveis em MEMCs onde ramificações de fase são acopladas em série entre os barramentos de CC.

[035] Um efeito técnico exemplificador dos métodos, sistemas e aparelho descritos no presente documento inclui pelo menos o equilíbrio de energia de ramificação de fase em uma topologia de MEMC de três fases que é desacoplada de circuitos fechados de corrente de CA.

[036] As realizações exemplificadoras de métodos, sistemas e aparelhos para conversão de potência de três fases não estão limitadas às realizações específicas aqui descritas, porém, em vez disso, os componentes de sistemas e/ou etapas dos métodos podem ser utilizados independente e separadamente de outros componentes e/ou etapas descritos neste documento. Por exemplo, os métodos também podem ser usados em combinação com outra conversão de potência não convencional e não são limitados à prática somente com os sistemas e métodos descritos no presente documento. Em vez disso, a realização exemplificadora pode ser implantada e utilizada em conexão com muitas outras aplicações, equipamentos e sistemas que podem se beneficiar com o equilíbrio de energia de ramificação de fase.

[037] Embora recursos específicos de várias realizações da revelação possam ser mostrados em algumas figuras e não em outras, isso se dá somente por conveniência. De acordo com os princípios da revelação, qualquer recurso de uma figura pode ser denominado e/ou reivindicado em combinação com outros recursos em qualquer outra figura.

[038] Essa descrição escrita usa exemplos para revelar as realizações, incluindo o melhor modo, e também para permitir que qualquer pessoa versada na técnica pratique as realizações, incluindo produzir e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e realizar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da revelação é definido pelas reivindicações, e pode incluir outros exemplos que ocorram àqueles versados na técnica. Tais outros exemplos se destinam a ser abrangidos pelo escopo das reivindicações se os mesmos tiverem elementos estruturais que não difiram da linguagem literal das reivindicações ou se os mesmos incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais das linguagens literais das reivindicações.

Lista De Pecas Reivindicações

Claims

1. CONVERSOR MULTINÍVEL MODULAR EMBUTIDO (MEMC) (104), caracterizado pelo fato de que compreende: - uma primeira porção de fase (A, B, C) que compreende uma primeira pilha de comutadores (206, 208, 210; 312) e uma primeira ramificação de fase (234, 236, 238; 300), em que a dita primeira pilha de comutadores é configurada para acoplar a dita primeira ramificação de fase entre um barramento de corrente contínua (CC) positiva (314; 404) e um nó de ponto médio (212; 318; 402); e - uma segunda porção de fase (A, B, C) que compreende uma segunda pilha de comutadores (206, 208, 210; 312) e uma segunda ramificação de fase (234, 236, 238; 300), em que a dita segunda pilha de comutadores é configurada para acoplar a dita segunda ramificação de fase entre o dito nó de ponto médio e um barramento de CC negativo (316; 406), em que uma tensão de CC entre o dito barramento de CC positivo e o dito barramento de CC negativo pode ser distribuída entre as unidades de comutação (S-ι, S2, S3, S4, S5, S6, S7, Ss, Sg, S10, Sn, S12) dispostas na dita primeira ramificação de fase e na dita segunda ramificação de fase, e em que uma distribuição da dita tensão de CC é controlada regulando-se uma tensão de CC (Vmid) no dito nó de ponto médio para equilibrar a energia entre as ditas unidades de comutação.

2. MEMC (104), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma terceira porção de fase (A, B, C) que compreende uma terceira pilha de comutadores (206, 208, 210; 312) e uma terceira ramificação de fase (234, 236, 238; 300), em que a dita terceira pilha de comutadores é configurada para acoplar as extremidades opostas da dita terceira ramificação de fase ao dito nó de ponto médio (212; 318; 402).

3. MEMC (104), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a corrente alternada (CA) para a dita primeira porção de fase (A, B, C), a dita segunda porção de fase (A, B, C) e a dita terceira porção de fase (A, B, C) é desacoplada da CC que flui através da dita primeira ramificação de fase (234, 236, 238; 300) e da dita segunda ramificação de fase (234, 236, 238; 300).

4. MEMC (104), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a dita primeira pilha de comutadores (206, 208, 210; 312), em combinação com a dita terceira pilha de comutadores (206, 208, 210; 312), é configurada para formar um circuito fechado de corrente alternada (CA) entre a dita primeira ramificação de fase (234, 236, 238; 300) e a dita terceira ramificação de fase (234, 236, 238; 300).

5. MEMC (104), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a dita segunda pilha de comutadores (206, 208, 210; 312), em combinação com a dita terceira pilha de comutadores (206, 208, 210; 312), é configurada para definir um circuito fechado de corrente alternada (CA) entre a dita segunda ramificação de fase (234, 236, 238; 300) e a dita terceira ramificação de fase (234, 236, 238; 300).

6. MEMC (104), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita primeira pilha de comutadores (206, 208, 210; 312) e a dita segunda pilha de comutadores (206, 208, 210; 312) são controláveis por um controlador de conversão de potência (108).

7. MEMC (104), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita primeira pilha de comutadores (206, 208, 210; 312) é adicionalmente configurada para acoplar posteriormente a dita primeira ramificação de fase (234, 236, 238; 300) entre o dito nó de ponto médio (212; 318; 402) e o dito barramento de CC negativo (316; 406).

8. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA (100), caracterizado pelo fato de que compreende: - um conversor multinível modular embutido {MEMC) (104) que tem três ramificações de fase (234, 236, 238; 300) que correspondem a três fases (A, B, C); e - um controlador (108) acoplado ao dito MEMC e operável para controlar uma pluralidade de comutadores (SW1; SW2, SW3, SW4) configurada para acoplar de maneira variada as ditas três ramificações de fase a uma fonte de tensão de corrente contínua (CC) positiva (202), uma fonte de tensão de CC negativa (204), e um nó de ponto médio (212; 318; 402), em que o dito controlador é configurado para regular um componente de corrente alternada (CA) de uma tensão de ponto médio (Vmid) e um componente de CC da dita tensão de ponto médio para equilibrar as respectivas energias nas ditas três ramificações de fase.

9. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA (100), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que cada uma das ditas três ramificações de fase (234, 236, 238; 300) compreende um braço de fase superior (214, 218, 222) e um braço de fase inferior (216, 220, 224) acoplados a um terminal de fase (226, 228, 230; 306).

10. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA (100), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que: - o dito braço de fase superior (214, 218, 222) compreende um indutor de braço superior (232; Li) acoplado em série entre pelo menos uma unidade de comutação (Si, S2, S3, S4, S5, S6, S7, Se, Sg, S10, Sn, Si2) e o dito terminal de fase (226, 228, 230; 306); e - o dito braço de fase inferior (216, 220, 224) compreende um indutor de braço inferior (232; L2) acoplado em série entre pelo menos uma (1) outra unidade de comutação e o dito terminal de fase.

11. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA (100), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o dito controlador (108) é adicionalmente configurado para adicionar uma tensão de modo comum às ditas três fases (A, B, C) regulando-se o dito componente de CA da dita tensão de ponto médio (Vmid), em que a dita tensão de modo comum é computada para equilibrar circuito fechados de corrente de CA entre as ditas três fases.

12. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA (100), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de, durante um determinado subciclo em um determinado ciclo fundamental: - uma primeira ramificação de fase (234, 236, 238; 300) das ditas três ramificações de fase (234, 236, 238; 300) é configurada para conduzir uma corrente de CC (lcc) da dita fonte de tensão positiva de CC (202) para o dito nó de ponto médio (212; 318; 402); e - uma segunda ramificação de fase (234, 236, 238; 300) das ditas três ramificações de fase (234, 236, 238; 300) é configurada para conduzir a dita corrente de CC do dito nó de ponto médio para a dita fonte de tensão negativa de CC (204).

13. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA (100), de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o dito controlador (108) é adicionalmente configurado, mediante a dita corrente de CC (lcc), para regular o dito componente de CC da dita tensão de ponto médio (Vmid) para equilibrar as ditas respectivas energias na dita primeira ramificação de fase (234, 236, 238; 300) e na dita segunda ramificação de fase (234, 236, 238; 300).

14. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA (100), de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o dito controlador (108) é adicionalmente configurado, através da regulação do dito componente de CC, para manter as tensões através das respectivas unidades de comutação S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10, Sn, Si2) das ditas três ramificações de fase (234, 236, 233; 300), que conduzem as correntes de CA para as ditas três fases (A, B, C).

15. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA (100), de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que uma terceira ramificação de fase (234, 236, 238; 300) das ditas três ramificações de fase (234, 236, 238; 300) é configurada para conduzir as correntes de CA para as ditas três fases (A, B, C).