BR102017005213A2 - Sistema de conversão de energia trifásica de média tensão para aplicações em malha fechada - Google Patents

Sistema de conversão de energia trifásica de média tensão para aplicações em malha fechada Download PDF

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Abstract

sistema de conversão de energia trifásica de média tensão para aplicações em malha fechada. sistema de conversão de energia trifásica de média tensão para aplicações em malha fechada. o sistema (13) compreende um conversor 3l-npc (23) cujo sistema de comutação (27) se baseia em padrões she-pwm. o sistema de regulação (25) do conversor 3l-npc (23) compreende um controlador (21) e um módulo de interface (29) entre o controlador (21) e o sistema de comutação (27) que está configurado para fornecer ao sistema de comutação (27) amostras de referências de tensão a uma taxa l vezes mais rápida que a taxa de amostragem de referências de tensão gerenciada pelo controlador (21).

Description

(54) Título: SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA TRIFÁSICA DE MÉDIA TENSÃO PARA APLICAÇÕES EM MALHA FECHADA (51) Int. Cl.: H02M 1/084; H02M 1/12; H02M 7/487; H02M 1/00 (52) CPC: H02M 1/084,H02M 1/12,H02M 7/487, H02M 2001/0012 (30) Prioridade Unionista: 15/03/2016 ES P201600194 (73) Titular(es): GAMESA INNOVATION & TECHNOLOGY, S.L.
(72) Inventor(es): ALVAR GONZALO MAYOR MIGUEL; MARIO RIZO MORENTE; ANDRES AGUDO ARAQUE (74) Procurador(es): MARIA PIA CARVALHO GUERRA (57) Resumo: SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA TRIFÁSICA DE MÉDIA TENSÃO PARA APLICAÇÕES EM MALHA FECHADA. Sistema de conversão de energia trifásica de média tensão para aplicações em malha fechada. O sistema (13) compreende um conversor 3L-NPC (23) cujo sistema de comutação (27) se baseia em padrões SHEPWM. O sistema de regulação (25) do conversor 3L-NPC (23) compreende um controlador (21) e um módulo de interface (29) entre o controlador (21) e o sistema de comutação (27) que está configurado para fornecer ao sistema de comutação (27) amostras de referências de tensão a uma taxa L vezes mais rápida que a taxa de amostragem de referências de tensão gerenciada pelo controlador (21).
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Relatório Descritivo da Patente de Invenção para: “SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA TRIFÁSICA DE MÉDIA TENSÃO PARA APLICAÇÕES EM MALHA FECHADA”.
[001] CAMPO DA INVENÇÃO [002] A invenção refere-se a sistemas de conversão de energia para aplicações em malha fechada.
[003] ANTECEDENTES DA INVENÇÃO [004] Atualmente, a tecnologia eletrônica disponível para conversores de energia trifásica de média tensão (MT) (> 1.000 V) limita drasticamente a frequência de comutação em comparação com o nivel de baixa tensão (BT) e, portanto, degrada a qualidade da energia.
[005] Com o objetivo de otimizar a qualidade da energia com uma frequência de comutação mínima e atender às normas existentes sobre conversores de energia MT, a técnica anterior sugere a combinação de filtro de ordem alta, tecnologias de conversão de múltiplos níveis e Eliminação Seletiva de Harmônicos-Modulação por Largura de Pulsos (SHE-PWM, iniciais de “Eliminação Harmônica Seletiva - Modulação da largura-Pulso”).
[006] Em particular, considera-se que o conversor diodo ancorado de três níveis (3L-NPC, iniciais de “Ponto Neutro Nível 3 Grampeado”), onde os três níveis de tensão são alcançados mediante um barramento bus CC dividido em dois conversores conectados em série, é uma topologia adequada para conversores de energia MT.
[007] Embora sejam conhecidos sistemas de conversão de energia MT para aplicações de malha aberta, a indústria de eletricidade demanda cada vez mais sistemas de conversão de energia MT para aplicações em malha fechada. [008] Esta invenção está dirigida para atender a esta demanda.
[009] RESUMO DA INVENÇÃO [010] A invenção proporciona um sistema de conversão de energia trifásica MT que compreende um conversor 3L-NPC para o acoplamento de um dispositivo de consumo de energia a uma fonte de energia em modo em malha
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2/5 fechada.
[011] O sistema de comutação do conversor 3L-NPC está baseado em padrões SHE-PWM para a otimização da qualidade da energia com uma frequência de comutação mínima.
[012] O sistema de regulação do conversor 3L-NPC compreende um controlador e um módulo de interface entre o controlador e o sistema de comutação que está configurado para fornecer ao sistema de comutação amostras de referências de tensão a uma taxa L-vezes mais rápida que a taxa de amostragem de referências de tensão gerenciada pelo controlador.
[013] O controlador está configurado de acordo com um novo Modelo de Equalização (EM, iniciais de “Modelo de equalização”) do conversor 3L-NPC com os padrões SHE-PWM.
[014] Outras características e vantagens da presente invenção ficarão evidentes a partir da descrição detalhada a seguir de realizações ilustrativas de seu objeto em relação com as figuras anexas.
[015] BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [016] A figura 1 é um diagrama de blocos de um sistema de conversão de energia trifásica MT para o acoplamento em um modo em malha fechada, de um dispositivo de consumo de energia a uma fonte de energia de acordo com a invenção.
[017] A figura 2 ilustra o princípio de funcionamento do módulo de interface da invenção.
[018] DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [019] O sistema de conversão de energia trifásica MT 13 da invenção compreende:
[020] - Um dispositivo de consumo de energia 15 (tal como uma rede de alimentação elétrica ou um motor);
[021] - Uma fonte de energia 11 (tal como um aerogerador ou uma rede de alimentação elétrica);
[022] - Um conversor 3L-NPC 23 dotado de um sistema de regulação 25,
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3/5 compreendendo um controlador 21 e um módulo de interface 29, e um sistema de comutação 27.
[023] O sistema de comutação 27 se baseia em padrões SHE-PWM para a otimização da qualidade da energia com uma frequência de comutação mínima.
[024] Em aplicações em malha fechada SHE-PWM são enfrentadas algumas dificuldades técnicas que não estão presente em aplicações de malha aberta.
[025] Primeiro, a capacidade de cancelamento de harmônicos depende da precisão da comutação e isto está fortemente sujeito à taxa de atuação do controlador 21. O aumento da taxa de atuação em um sistema em malha fechada conduz a uma maior conversão analógica digital e a uma maior taxa de execução. Em general, os recursos disponíveis na plataforma digital de controle não permitem esta carga extra de computação. No caso de aplicações de malha aberta é obtida a referência de tensão diretamente e não é necessário controlador, pelo que a carga de computação é inexistente.
[026] Em segundo lugar, os dois condensadores CC do conversor 3L-NPC 23 devem estar carregados com tensões semelhantes, caso contrário, pode-se esperar uma falha prematura do dispositivo de comutação, um disparo da equipe e uma degradação da qualidade da energia. A natureza não linear de SHE-PWM não permite a aplicação de técnicas de equalização convencionais. [027] Com a finalidade de romper o equilíbrio entre a eliminação de harmônicos e a grande carga de computação, o sistema de conversão de energia 13 compreende um módulo de interface 29 entre o sistema de comutação 27 e o controlador 21 que prevê L-1 amostras da referência de tensão para cada amostra recebida do controlador 21. Desta maneira se fornece ao sistema de comutação 27 uma taxa de amostragem L-vezes mais rápida enquanto que o controlador 21 somente é executado uma vez. A carga de computação é aliviada então L vezes e o rendimento de eliminação de harmônicos não só não se degrada como ainda melhora.
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4/5 [028] A figura 2 ilustra o princípio de funcionamento do módulo de interface 29 que executa um algoritmo de previsão baseado em informação histórica na que as L-1 amostras extra da referência de tensão são calculadas através de uma extrapolação de um número dado M de amostras anteriores fornecidas pelo controlador 21, sendo L e M números naturais. O valor máximo de L está limitado pela precisão da previsão, que está diretamente relacionada com o cancelamento de harmônicos. O valor máximo de M está limitado pela dinâmica do sistema.
[029] No lado esquerdo da figura 2 aparecem os valores das referências de tensão das M amostras fornecidas pelo controlador 21 ao módulo de interface 29 nos tempos (k-M+1)xTs, (k-2)xTs, (k-1)xTs, kxTs, sendo k uma variável de tempo e Ts o intervalo de amostragem do controlador 21.
[030] No lado direito da figura 2 aparecem os valores das referências de tensão das L-1 amostras previstas pelo módulo de interface 29 para os intervalos de tempo que começam nos tempos (k-1)xTs y kxTs (o instante atual) levando em consideração, para cada intervalo de tempo, a evolução dos valores das referências de tensão das M amostras prévias.
[031] As L-1 amostras estão distribuídas uniformemente ao longo do intervalo de amostragem Ts do controlador.
[032] O módulo de interface 29 também atua no fenómeno desejado de “imageamento”, comum nos processos de sobreamostragem, e sua influência sobre a regulação está totalmente modelada com a finalidade de garantir o funcionamento correto.
[033] O módulo de interface 29 permite trabalhar com taxas de amostragem quase analógicas no sistema de comutação 27 enquanto que a rotina de controle é executada no controlador 21 com uma taxa convencional, pelo que é suficiente um cartão de controle digital comum. Desta maneira, a capacidade de cancelamento de harmônicos alcança o máximo imposto pelo conversor 3L-NPC 23 y, de fato, se otimiza a qualidade da energia com frequências de comutação baixas.
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5/5 [034] No que diz respeito à equalização das tensões dos condensadores CC do conversor 3L-NPC 23 que possui um sistema de comutação 27 baseado em padrões SHE-PWM, o controlador 21 está configurado segundo o enfoque do modelo de equalização (EM). O EM é construído mediante o estudo da injeção e a retroalimentação da Sequência Negativa de Segunda Ordem (SONS, de “Sequência Negativa de Segunda Ordem”). Uma corrente SONS é injetada naturalmente pelo conversor 3L-NPC 23 em si mesmo cada vez que é produzido um desequilíbrio de tensão. O controlador 21 o detecta e insere uma tensão SONS que modifica a corrente anterior. A interação da corrente SONS com os padrões de comutação SHE-PWM tem um impacto direto sobre a diferença de tensão entre os condensadores DC. Com a ajuda do EM é possível configurar o controlador 21 para assegurar uma equalização estável, aumentar a dinâmica do processo e controlar a injeção de sequências adicionais.
[035] A invenção é aplicável a sistemas de geração de energia distribuída em Média Tensão e outros campos, tal como mineração, bombas ou motores MT.
[036] A principal vantagem da invenção é que não apenas torna possível o uso de um sistema de comutação 27 baseado em padrões SHE-PWM com um conversor de 3L-NPC 23 em aplicações em malha fechada, mas também leva seu rendimento ao limite ótimo. Por conseguinte, o sistema de conversão de energia 13 proposto é altamente competitivo em termos de eficácia e custos. [037] Embora tenha sido descrita a invenção em conexão com várias realizações, pode ser apreciado a partir da descrição que é possível conceber várias combinações de elementos, variações ou melhorias nelas e que estão dentro do alcance da invenção definido nas reivindicações adjuntas.
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Claims (4)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Sistema de conversão de energia trifásica de média tensão (13) para o acoplamento de um dispositivo de consumo de energia (15) a uma fonte de alimentação (11) em um modo em malha fechada, através de um conversor 3L-NPC (23) que possui um sistema de regulação (25) com um controlador (21) e um sistema de comutação (27), caracterizado por:
    - o sistema de comutação (27) estar baseado em padrões SHEPWM;
    - o sistema de regulação (25) compreender também um módulo de interface (29) entre o controlador (21) e o sistema de comutação (27) que está configurado para fornecer ao sistema de comutação (27) amostras de referências de tensão a uma taxa L vezes mais rápida que a taxa de amostragem de referências de tensão gerenciada pelo controlador (21).
  2. 2. Sistema de conversão de energia trifásica de média tensão (13), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o módulo de interface (29) fornecer ao sistema de comutação (27) L-1 amostras por cada amostra de referência de tensão recebida desde o controlador (21) que são geradas de acordo com um modelo previsivo baseado em informação histórica.
  3. 3. Sistema de conversão de energia trifásica de média tensão, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o dito modelo previsivo para cada conjunto de L-1 amostras estar baseado nos valores de um número dado M de amostras prévias recebidas do controlador (21).
  4. 4. Sistema de conversão de energia trifásica de média tensão (13), de acordo com qualquer das reivindicações 1-3, caracterizado por o controlador (21) estar configurado segundo um enfoque EM para a injeção de uma corrente de SONS no conversor 3L-NPC (23) quando a tensão de seus dois condensadores DC não está equilibrada de forma iterativa até que eles se equilibrem.
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