BR112018002282B1 - Conversor de tensão modular, método para controlar um conversor de tensão e módulo de controle para controlar um conversor modular - Google Patents

Conversor de tensão modular, método para controlar um conversor de tensão e módulo de controle para controlar um conversor modular Download PDF

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Abstract

CONVERSOR DE TENSÃO MODULAR, MÉTODO PARA CONTROLAR UM CONVERSOR DE TENSÃO E MÓDULO DE CONTROLE PARA CONTROLAR UM CONVERSOR MODULAR. A invenção refere-se a um conversor de tensão modular de múltiplos níveis (2), para converter uma tensão AC em uma tensão DC e viceversa, em que o conversor (2) compreende uma porção DC (2C) para conexão a uma rede de fornecimento de energia DC (120) e uma porção AC (2A) para conexão a uma rede de fornecimento de energia AC (110), o conversor (2) compreendendo uma pluralidade de pernas, cada perna compreendendo um braço superior e um braço inferior, cada braço compreendendo uma pluralidade de submódulos que são controláveis individualmente por um elemento de controle específico para cada submódulo e cada submódulo compreende um capacitor que é conectável em série no braço, quando o elemento de controle do submódulo está em um estado ligado, sendo cada braço apropriado para modelagem como uma fonte de tensão modelada associada a uma taxa de operação dependendo de uma série de capacitores conectados em série no braço, sendo cada fonte de tensão modelada associada, em paralelo, com um capacitor modelado correspondente a uma capacitância total do braço, o conversor (2) compreendendo ainda um módulo de controle de conversor (4) configurado para regular a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado de cada perna e para regular a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor (2) e a rede de fornecimento de energia DC (120), controlando os elementos de controle dos submódulos do conversor (2).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO
[001] A presente invenção refere-se ao campo técnico dos conversores modulares de múltiplos níveis (MMCs) para conversão de corrente alternada (AC) em corrente contínua (DC) e vice-versa.
[002] Mais precisamente, a invenção refere-se a redes de transporte DC (HVDC) de alta tensão que usam DC para transmissão de energia elétrica e em que as estações incorporam conversores modulares de múltiplos níveis.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[003] A Figura 1 é um diagrama que ilustra um conjunto de submódulos (6) de um conversor modular de múltiplos níveis (2) do estado da técnica. Para as correntes de entrada/ saída trifásicas (possuindo três fases 9a, 9b e 9c), o conversor (2) possui três pernas de conversão que são referenciadas pelos índices a, b e c para os vários componentes na Figura 1. Cada perna de conversão compreende um braço superior e um braço inferior (indicado por índices “u” para a parte superior e “l” para a parte inferior), cada um conectando um terminal DC+ ou DC- da rede de fornecimento de energia DC a um terminal da rede de fornecimento de energia AC. Em particular, cada uma das pernas é conectada a uma das três linhas de fase 9a, 9b ou 9c da rede de fornecimento de energia AC. A Figura 1 ilustra um conjunto de submódulos (6), em que cada braço compreende uma pluralidade de submódulos SMxij que podem ser controlados em uma sequência desejada (em que x indica se o braço é um braço superior ou braço inferior, i indica o número da perna e j indica o número do submódulo nos submódulos em série na perna). Neste exemplo, apenas três submódulos são ilustrados por braço. Na prática, cada braço superior ou braço inferior pode ter um número N de várias dezenas a várias centenas de submódulos. Cada submódulo SMxij inclui um sistema de armazenamento de energia, tal como pelo menos um capacitor e um elemento de controle para conectar o capacitor seletivamente em série entre os terminais do submódulo ou para contornar o mesmo. Os submódulos são controlados em uma sequência selecionada de modo a variar progressivamente o número de elementos de armazenamento de energia que são conectados em série em um braço do conversor (2) de modo a proporcionar uma pluralidade de níveis de tensão. Além disso, na Figura 1, vdc designa a tensão no ponto em que o conversor está conectado à rede de fornecimento de energia DC, sendo esses pontos referidos como pontos de acoplamento em comum (PCC) como é bem conhecido pelo técnico no assunto. O idc designa a corrente na rede de fornecimento de energia DC, enquanto as correntes iga, igb e igc fluem nas três linhas de fase 9a, Φb e ΦC- Além disso, cada braço possui uma indutância Larm e cada linha de fase inclui uma indutância Lf e uma resistência Rf.
[004] A Figura 2 ilustra um submódulo SMxij do estado da técnica que faz parte do conversor da Figura 1. Neste submódulo, cada elemento de controle compreende um primeiro elemento de comutação eletrônico (T1) tal como um transistor bipolar de porta isolada (IGBT) conectado em série com um elemento de armazenamento de energia elétrica, especificamente um capacitor CSM. Este primeiro elemento de comutação (T1) e este capacitor CSM são conectados, em paralelo, com um segundo elemento de comutação eletrônico (T2) que é igualmente um transistor bipolar de porta isolada (IGBT). Este segundo elemento de comutação (T2) é conectado entre os terminais de entrada e saída do submódulo SMxij. Cada um dos primeiro e segundo elementos de comutação (T1 e T2) possui um diodo antiparalelo, como ilustrado na Figura 2.
[005] Em operação, o submódulo pode ser controlado para ocupar dois estados de controle.
[006] Em um primeiro estado, referido como o estado “ligado”, o primeiro elemento de comutação (T1) está aberto e o segundo elemento de comutação (T2) está fechado, de modo a conectar o elemento de armazenamento de energia CSM em série com os outros submódulos. No segundo estado, referido como o estado “desligado”, o primeiro elemento de comutação (T1) está fechado e o segundo elemento de comutação (T2) está aberto, de modo a curto-circuito o elemento de armazenamento de energia.
[007] Sabe-se que cada braço, com uma tensão vm em todos os seus terminais, pode ser modelado por uma fonte de tensão modelada possuindo uma tensão vm em todos os seus terminais e de taxa de operação que depende do número de submódulos controlados e por um capacitor modelado Ctot conectado à fonte de tensão. Este modelo é ilustrado na Figura 3, na qual pode ser visto um braço e o modelo resultante. O recíproco da capacitância do capacitor modelo Ctot é igual à soma dos reciprocais das capacitâncias dos submódulos controlados, de modo que:
Figure img0001
em que C1, C2, ..., CN são as capacitâncias dos capacitores jth.
[008] Assim, a tensão vc∑ em todos os terminais do capacitor modelado Ctot é igual à soma das tensões vcj em todos os terminais dos capacitores dos submódulos no braço (em que j vai de 1 a N e indica o número do capacitor e, portanto, do submódulo). No presente pedido, e pelo abuso de idioma, Ctot designa o capacitor e sua capacitância. Ao controlar a sequência com a qual os submódulos são controlados, de modo a causar o número de elementos de armazenamento de energia que estão conectados em série a variar progressivamente, a energia do capacitor modelado Ctot e, portanto, a tensão em todos os terminais de cada fonte de tensão modelada, pode ser diminuída ou aumentada.
[009] No estado da técnica, existe, portanto, uma configuração equivalente para o conjunto (6) dos submódulos do MMC, como ilustrado na Figura 4. Nesta figura, o conversor é um conversor que é análogo ao descrito com referência à Figura 1 e em que cada braço é substituído por seu modelo. Além disso, cada linha de fase está associada a uma igi de corrente e a uma tensão vgi (em que i provê o número da perna).
[010] Neste exemplo, cada uma das fontes de tensão modeladas tem uma tensão vmxi em todos os seus terminais, e cada capacitor modelado Ctot possui uma tensão vc∑xi em todos os seus terminais (em que x especifica se o braço é superior ou inferior e i provê o número da perna). Pode também ser observado que é possível considerar o MMC como tendo uma porção AC imaginária e uma porção DC imaginária (para entrada ou saída dependendo se o conversor é configurado para converter energia AC em energia DC ou vice- versa), em que a variação da energia total armazenada nos capacitores dos submódulos é igual à diferença entre a potência que entra no conversor e a potência que o deixa.
[011] São conhecidos os conversores do tipo conversor de fonte de tensão (VSC) que possuem um capacitor de estação conectado, em paralelo, com a rede de fornecimento de energia DC. A desvantagem de um capacitor paralelo desse tipo é que ele não permite que o conversor seja desacoplado da tensão da rede de fornecimento de energia DC. Além disso, esse tipo de conversor requer o uso de numerosos filtros de forma a obter sinais convertidos aceitáveis.
[012] Além disso, a inércia da rede de fornecimento de energia DC depende da sua capacitância, de modo que uma grande capacitância aumenta a inércia da rede de fornecimento de energia DC. Assim, uma grande capacitância da rede e, portanto, uma grande inércia da rede, permite que ela resista melhor aos distúrbios. Por outro lado, uma pequena capacitância da rede e, portanto, uma pequena inércia da rede, permite que a tensão entre os pontos de conexão entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC seja regulada com mais facilidade e precisão.
[013] No entanto, e ao contrário dos conversores do tipo VSC, os conversores do tipo MMC não possuem um capacitor de estação conectado em paralelo, e capaz de influenciar a estabilidade da rede de fornecimento de energia DC. Os conversores modulares de múltiplos níveis apresentam assim a vantagem de proporcionar desacoplamento entre a tensão total em todos os capacitores dos submódulos e a tensão da rede de fornecimento de energia DC. No entanto, a simples potência variável pode levar a uma grande variação na tensão da rede de fornecimento de energia DC.
[014] Os conversores do tipo MMC são conhecidos, em que o controle não é baseado em energia. Em tais conversores, no caso de uma possível diferença de tensão aparecer entre a tensão em todos os capacitores dos braços e a tensão da rede de fornecimento de energia DC, a potência de entrada da rede de fornecimento de energia DC varia automaticamente para corrigir a referida diferença de tensão. O controle é realizado sem um regulador adicional, uma vez que as trocas de energia com os capacitores dos braços acompanham as variações de tensão na rede de fornecimento de energia DC.
[015] No entanto, todas as variáveis em conversores desse tipo não estão sob controle, o que leva a uma falta de robustez para o conversor.
[016] Também são conhecidos conversores em que o controle é baseado em energia. Em particular, o documento intitulado “Controle da tensão do barramento DC com um conversor modular de múltiplos níveis (Control of DC bus voltage with a modular multilevel converter)” (por Samimi et al., PowerTech Conference 2015) é conhecido e descreve um conversor modular de múltiplos níveis com um sistema para controlar transferências de energia na porção AC, para controlar as transferências de energia na porção DC, e para controlar a energia interna do conversor. Esse conversor faz uso de um controle baseado em energia: o controle de variáveis elétricas da rede de fornecimento de energia DC e da rede de fornecimento de energia AC possibilita controlar as potências dessas duas redes. Uma diferença entre as potências das redes de fornecimento de energia AC e DC leva a uma redução ou a um aumento da energia armazenada nos capacitores dos submódulos. No entanto, os conversores desse tipo são prejudiciais ao desacoplamento entre as tensões em todos os terminais dos capacitores dos submódulos e a tensão da rede de fornecimento de energia DC. Além disso, não permite adaptar-se de forma eficaz e em tempo real às flutuações de tensão na rede de fornecimento de energia DC.
[017] Além disso, os conversores conhecidos não são suficientemente robustos, em particular no que se refere à contribuição para a estabilidade da rede de fornecimento de energia DC.
[018] Em particular, controlar a energia interna constitui um grau adicional de liberdade, mas nenhuma técnica existente propõe uma solução para regular efetivamente a energia interna do conversor.
[019] As soluções existentes não permitem o pleno aproveitamento das capacitâncias dos conversores do tipo MMC em termos de controle da energia interna do conversor conjuntamente com o controle da estabilidade da rede DC.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[020] Um objetivo da presente invenção é propor um conversor modular de múltiplos níveis (MMC) que tenha um módulo de controle de conversão que possibilite aproveitar ao máximo o potencial do MMC, oferecendo uma melhor interação entre a energia interna do conversor armazenada nos capacitores dos submódulos e a tensão da rede de fornecimento de energia DC. Outra vantagem da invenção é habilitar o conversor a agir de forma mais eficaz na inércia da rede de fornecimento de energia DC.
[021] Para fazer isso, a invenção refere-se a um conversor de tensão modular de múltiplos níveis para converter uma tensão AC em uma tensão DC e vice-versa, o conversor compreendendo uma porção DC para conexão a uma rede de fornecimento de energia DC e uma porção AC para conexão a uma rede de fornecimento de energia AC, o conversor compreendendo uma pluralidade de pernas, cada perna compreendendo um braço superior e um braço inferior, cada braço compreendendo uma pluralidade de submódulos que são controláveis individualmente por um elemento de controle específico para cada submódulo e cada submódulo compreendendo um capacitor que é conectável em série no braço, quando o elemento de controle do submódulo está em um estado ligado, sendo cada braço adequado para modelagem como uma fonte de tensão modelada associada a uma taxa de operação dependendo de uma série de capacitores conectados em série no braço, sendo cada um fonte de tensão modelada associada, em paralelo, com um capacitor modelado correspondente a uma capacitância total do braço.
[022] O conversor compreende ainda um módulo de controle do conversor, configurado para regular a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado de cada perna e para regular a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC, controlando os referidos elementos de controle do submódulos do conversor.
[023] De acordo com uma característica geral da invenção, o módulo de controle do conversor compreende um computador para calcular um ponto de ajuste (setpoint) para a energia interna do conversor, armazenada nos capacitores dos submódulos dos braços, através da aplicação de uma função que possui um parâmetro de entrada ajustável, o módulo de controle sendo configurado para deduzir deste ponto de ajuste de energia um ponto de ajuste para a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado, usado para regular a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC e a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado.
[024] O parâmetro de entrada do computador pode ser facilmente ajustado a qualquer momento pelo usuário. Uma vez que o ponto de ajuste para a energia interna do conversor depende do parâmetro de entrada, é possível ao usuário agir diretamente no grau em que a energia interna contribui para a estabilidade da rede de fornecimento de energia DC.
[025] O usuário pode, assim, ajustar o parâmetro de entrada como uma função de perturbações à rede de fornecimento de energia DC e pode aumentar ou diminuir a inércia da rede como uma função das necessidades.
[026] De forma não limitativa, a contribuição para a rede de energia elétrica do conversor modular de múltiplos níveis, com seu módulo de controle fornecido com esse computador, é equivalente à de um capacitor virtual conectado, em paralelo, com a rede de fornecimento de energia DC. Ao ajustar o parâmetro de entrada ajustável do computador, é possível variar virtualmente a capacitância do capacitor virtual. A vantagem é poder atuar na rede de fornecimento de energia DC enquanto mantém o desacoplamento entre a tensão total dos capacitores nos submódulos e a tensão da rede de fornecimento de energia DC.
[027] Ao contrário de um capacitor que está realmente conectado, em paralelo, com a rede de fornecimento de energia DC, o capacitor virtual que permite a estabilização da rede é livre de custos e não pode ser degradado. Em particular, o capacitor virtual ajustável pode assumir valores de capacitância muito altos, o que não é fisicamente possível para um capacitor real.
[028] Ao contrário do MMC do documento intitulado “Controle da tensão do barramento DC com um conversor modular de múltiplos níveis (Control of DC bus voltage with a modular multilevel converter)”, a capacitância do capacitor virtual é ajustável por meio do parâmetro ajustável. Especificamente, no documento do estado da técnica, o conversor comporta-se como se seis capacitores estivessem conectados, em paralelo, com a rede de fornecimento de energia DC e o valor da capacitância desses capacitores não poder ser ajustado. O conversor da invenção proporciona assim um melhor desacoplamento entre as tensões em todos os terminais dos capacitores dos submódulos e a tensão da rede de fornecimento de energia DC. Além disso, esta torna possível, em tempo real, adaptar-se às flutuações de tensão na rede de fornecimento de energia DC.
[029] Os submódulos são preferencialmente controlados por meio de dois transistores bipolares de grade isolados (IGBTs) que permitem que o capacitor do referido submódulo seja conectado ou não conectado em série no braço associado, dependendo se é desejado colocar o submódulo em um estado ligado ou em um estado desligado.
[030] Cada braço pode ser modelado por uma fonte de tensão modelada conectada, em paralelo, com um capacitor modelado de capacitância Ctot. A soma das tensões em todos os capacitores dos submódulos de um braço é escrita vc∑, de modo que a tensão em todos os terminais do capacitor modelado conectado, em paralelo, com a fonte de tensão modelada é vc∑.
[031] De preferência, a taxa de operação α associado à fonte de tensão modelada é calculada usando a expressão:
Figure img0002
onde n é o número de submódulos que estão conectados no estado ligado no braço associado e N é o número de submódulos no braço.
[032] Ao regular conjuntamente a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC e a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado e, assim, regulando a energia interna do conversor, é possível atuar sobre a estabilidade da rede de fornecimento de energia DC.
[033] Isso torna possível conter potenciais distúrbios de energia que aparecem de repente na rede de fornecimento de energia DC e que podem levar a grandes variações na tensão da referida rede.
[034] De forma não limitativa, a regulação conjunta da tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC e das tensões em todos os terminais de cada capacitor modelado pode ser realizada por servo comando (servo-control) em circuito fechado dessas magnitudes por meio de valores de ponto de ajuste, em particular um ponto de ajuste para a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC. O módulo de controle é dito como sendo “lento” em contraste com outros módulos de controle que são usados para controlar e que apresenta tempos de comutação que são muito curtos.
[035] Além disso, o ponto de ajuste
Figure img0003
para a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado, quando quadrado, é proporcional ao ponto de ajuste
Figure img0004
para a energia interna fornecida pelo usuário, usando a expressão:
Figure img0005
[036] O referido ponto de ajuste para a energia interna do conversor e, portanto, o referido ponto de ajuste para a tensão em todos os terminais de cada capacitor, quando quadrado, possibilita o servo comando da tensão da rede de fornecimento de energia DC e da tensão em todos os terminais de cada modelado capacitor.
[037] De forma vantajosa, o parâmetro de entrada ajustável é um coeficiente de inércia virtual ajustável kVI. A modificação do kVI equivale, assim, a modificar virtualmente a magnitude da capacitância do capacitor virtual e, assim, a contribuir para a estabilidade da rede de fornecimento de energia DC. A vantagem é proporcionar um grau adicional de liberdade no controle da energia interna do MMC. A capacitância do capacitor virtual pode, em particular, ter valores que são muito altos, sem que isso exija restrições de hardware adicionais.
[038] De preferência, o computador é configurado de modo a calcular o ponto de ajuste de energia interna
Figure img0006
para o conversor usando a função:
Figure img0007
em que Ctot é uma capacitância total do capacitor modelado, o vdc é uma tensão medida da rede de fornecimento de energia DC, vdc0 é um valor nominal da tensão da rede de fornecimento de energia DC e
Figure img0008
é um ponto de ajuste nominal para o valor da energia armazenada nos capacitores do conversor.
[039] Pode ser entendido que a capacitância CVI do capacitor virtual é expressa da seguinte forma:
Figure img0009
[040] Além disso, o termo
Figure img0010
representa uma diferença de tensão na rede de fornecimento de energia DC, resultante de um distúrbio de tensão. Pode ser observado que, atuando sobre o coeficiente de inércia virtual ajustável kVI, é possível atuar sobre a variação da tensão entre os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC.
[041] De preferência, o módulo de controle inclui um regulador, para regular a energia interna do conversor, o regulador tendo como entrada o resultado de uma comparação entre o referido ponto de ajuste para a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado, quando quadrado, e uma média dos quadrados das tensões em todos os terminais dos capacitores modelados, e fornecendo um ponto de ajuste de energia para os capacitores do referido conversor.
[042] Por meio do regulador de energia interna, é possível servo comandar a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado, quando quadrado, com base em um valor de ponto de ajuste para essa tensão. Uma vez que a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado, quando quadrado, é proporcional à energia interna do conversor, armazenada nos capacitores dos submódulos dos braços, a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado é assim servo comandada com base no ponto de ajuste para a energia interna do conversor, armazenada nos capacitores dos submódulos dos braços fornecidos pelo computador.
[043] De forma vantajosa, o módulo de controle é configurado para executar uma mudança de variável, de modo a controlar variáveis de corrente e tensão intermediárias idiff, igd e vdiff, vgd, em que idiff e vdiff estão associados à rede de fornecimento de energia DC e igd e vgd estão associados à rede de fornecimento de energia AC.
[044] As variáveis de corrente intermediária idiff e igd podem ser controladas de forma independente.
[045] De forma não limitativa, para um conversor que converte energia DC em energia AC, essas variáveis permitem que a variação da energia interna do conversor seja expressa da seguinte forma:
Figure img0011
[046] Esta expressão representa, em particular, a subdivisão do MMC em uma entrada de porção DC imaginária, que é conectada à rede DC e que está associada ao termo
Figure img0012
que corresponde à potência da porção DC, e uma porção AC imaginária de saída que está conectada à rede AC e que está associada ao termo igd vgd, o que corresponde à potência da porção AC.
[047] De preferência, o módulo de controle inclui um regulador, para regular o igd de corrente e tendo como entrada um ponto de ajuste correspondente ao igd de corrente. O regulador servo comanda o igd de corrente, fazendo com que ele atinja seu ponto de ajuste. A regulação da variável igd equivale a regular as transferências de energia AC de entrada ou saída dependendo da configuração do conversor.
[048] De preferência, o módulo de controle inclui um regulador, para regular o idiff de corrente e tendo como entrada um ponto de ajuste correspondente ao i*diff de corrente. O regulador servo comanda o idiff de corrente, fazendo com que ele tenda para seu ponto de ajuste i*diff. A regulação da variável idiff equivale a regular as transferências de entrada ou saída de energia DC dependendo da configuração do conversor.
[049] De forma não limitativa, as variáveis igd e idiff podem ser controladas de forma independente. Pode assim ser entendido que a regulação de igd e idiff permite regular as transferências de energia de entrada e de saída, e assim controlar a energia interna do conversor, armazenada nos capacitores dos submódulos.
[050] De acordo com um aspecto particularmente vantajoso da invenção, o módulo de controle inclui um regulador, para regular a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC, o regulador tendo como entrada o resultado de uma comparação entre um ponto de ajuste para a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC, quando quadrado, e um valor retirado da rede de fornecimento de energia DC, da mesma forma quando quadrado, e a entrega de um ponto de ajuste para a energia de operação (operating power) do referido conversor.
[051] Por meio deste regulador, é possível servo comandar a tensão vdc em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC, fazendo com que seu valor, quando quadrado, tenda para o ponto de ajuste v*dc para a tensão em todos os pontos de acoplamento comuns entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC, quando quadrado.
[052] De preferência, o módulo de controle inclui um elemento para ajustar o ganho do regulador, para regular a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC, como uma função do valor do coeficiente de inércia virtual kVI. Especificamente, quando o coeficiente de energia virtual kVI é ajustado de modo a modificar o grau de contribuição da energia interna do conversor sobre a estabilidade da rede de fornecimento de energia DC, a inércia total do MMC é modificada. Isso possui a consequência de interromper o funcionamento do regulador em regular a tensão entre os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC.
[053] Em particular, o ajuste do coeficiente de inércia virtual tem como consequência a modificação da constante de tempo T associada ao referido regulador, para regular a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC. O elemento para ajustar o ganho do regulador de tensão permite assim corrigir as mudanças na constante de tempo e no ganho do regulador de tensão que surgem como resultado da modificação do coeficiente de inércia virtual kVI, de modo a calibrar o referido regulador de tensão.
[054] Além disso, o elemento para ajustar o ganho do regulador, para regular a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC recebe como entrada o coeficiente de inércia virtual kVI de modo a ajustar o ganho em tempo real, como uma função das modificações feitas no kVI.
[055] De forma vantajosa, o módulo de controle inclui um limitador, para limitar a energia interna do conversor, o limitador tendo como entrada a energia interna do conversor, um ponto de ajuste para a energia interna máxima do conversor e um ponto de ajuste para a energia interna mínima do conversor e fornecendo um ponto de ajuste de energia limite.
[056] A vantagem é poder conter a energia interna do conversor entre o valor máximo W+ para o ponto de ajuste de energia interna e o valor mínimo W - para o ponto de ajuste de energia interna do conversor, conforme definido pelo operador. Ao manter a energia interna do conversor entre esses valores de ponto de ajuste máximo e mínimo, a proteção é fornecida, em particular, para os elementos de comutação eletrônica, como os transistores. Sem essa proteção, os elementos de comutação podem ser ameaçados por tensão excessiva em todos os terminais dos capacitores dos submódulos, enquanto que as tensões que são muito pequenas em todos os terminais dos capacitores dos submódulos podem ser prejudiciais ao funcionamento do MMC.
[057] Em particular, o ponto de ajuste de limite de energia fornecido pelo limitador é adicionado ao ponto de ajuste de energia de operação do conversor para obter o ponto de ajuste de energia para a rede de fornecimento de energia AC, regulando assim o nível de energia interna do conversor. No entanto, o limite de energia aparece como um distúrbio do controle de energia. É por isso que é necessário corrigir o ponto de ajuste nominal para o valor da energia armazenada nos capacitores do conversor, conforme fornecido ao computador para calcular o ponto de ajuste de energia interna
Figure img0013
, por exemplo, usando um corretor integral.
[058] A invenção também proporciona um método para controlar um conversor de tensão modular de múltiplos níveis, o conversor servindo para converter uma tensão AC em uma tensão DC, e vice-versa, e incluindo uma porção DC para conexão a uma rede de fornecimento de energia DC e uma porção AC para conexão a uma rede de fornecimento de energia AC, o conversor possuindo uma pluralidade de pernas, cada perna compreendendo um braço superior e um braço inferior, cada braço possuindo uma pluralidade de submódulos que são controláveis individualmente por um elemento de controle do submódulo e compreendendo um capacitor conectado em série no braço, quando o elemento de controle do submódulo está em um estado ligado, sendo cada braço adequado para ser modelado por uma fonte de tensão modelada associada a uma taxa de operação dependendo de um número de capacitores conectados em série no braço, cada fonte de tensão modelada está associada, em paralelo, com um capacitor modelado correspondente a uma capacitância total do braço, o método compreendendo ainda o controle lento do conversor, em que a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado de cada perna é regulada e a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC é regulada controlando os referidos elementos de controle dos submódulos do conversor.
[059] De maneira característica, o método compreende o cálculo de um ponto de ajuste para a energia interna do conversor, armazenada nos capacitores dos submódulos dos braços através do uso de uma função que possui um parâmetro de entrada ajustável e calculando um ponto de ajuste para a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado do referido ponto de ajuste para a energia interna do conversor, o ponto de ajuste para a tensão em todos os terminais de cada conversor modelado sendo usado para regular a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC e a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado.
[060] Em uma variante, o parâmetro de entrada ajustável é um coeficiente de inércia virtual ajustável kVI.
[061] Em uma variante, o ponto de ajuste
Figure img0014
para a energia interna do conversor é calculado a partir da seguinte função:
Figure img0015
em que Ctot é a capacitância total do capacitor modelado em um braço, vdc é a tensão medida da rede de fornecimento de energia DC, vdc0 é o valor nominal da tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC, e
Figure img0016
é um ponto de ajuste nominal para o valor da energia armazenada nos capacitores do conversor.
[062] Em uma variante, o método de controle inclui a regulação da tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC usando como entrada o resultado de uma comparação entre um ponto de ajuste para a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC, quando quadrado, e um valor retirado da rede de fornecimento de energia DC, da mesma forma quando quadrado, e fornecendo um ponto de ajuste para a energia de operação desse conversor.
[063] Em uma variante, o método de controle inclui o ajuste do ganho para regular a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC, como uma função do valor do coeficiente de inércia virtual.
[064] Este método torna possível utilizar as várias formas de realização acima descritas do conversor.
[065] A invenção também fornece um módulo de controle para um conversor modular de múltiplos níveis como definido acima, o módulo de controle inclui um computador para calcular um ponto de ajuste de energia interna para o conversor armazenado nos capacitores dos submódulos dos braços, aplicando uma função que possui um parâmetro de entrada ajustável. Além disso, o módulo de controle é configurado para deduzir deste ponto de ajuste de energia um ponto de ajuste para a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado, usado para regular a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC e a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[066] A invenção pode ser melhor compreendida a partir da leitura da seguinte descrição de uma forma de realização da invenção, dada a título de exemplo não limitativo, e com referência aos desenhos anexos, nos quais: a Figura 1, descrita acima, ilustra um conversor modular de múltiplos níveis trifásico do estado da técnica; a Figura 2, descrita acima, ilustra um submódulo de um conversor modular de múltiplos níveis do estado da técnica; a Figura 3, descrita acima, ilustra um circuito equivalente para um braço de um MMC do estado da técnica; a Figura 4, descrita acima, ilustra uma configuração que é equivalente a um conversor modular de múltiplos níveis do estado da técnica; a Figura 5 é uma representação diagramática equivalente a um conversor modular de múltiplos níveis da invenção; a Figura 6 ilustra um conversor modular de múltiplos níveis proporcionado com um módulo de controle da invenção; a Figura 7 ilustra um exemplo de implementação para ajustar o regulador, para regular a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC; a Figura 8 ilustra um circuito simplificado para ajustar o regulador, para regular a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC; a Figura 9A ilustra uma etapa de energia imposto em uma rede AC para simular o funcionamento do conversor da invenção; a Figura 9B ilustra a resposta de tensão de uma rede DC para uma etapa de energia na rede AC, em função do tempo para diferentes valores de kVI; a Figura 9C ilustra a variação da energia total de um conversor em resposta a uma etapa de energia na rede AC, em função do tempo e de diferentes valores de kVI; a Figura 9D ilustra a resposta de energia de uma rede DC para uma etapa de energia em uma rede AC, em função do tempo para diferentes valores de kVI; a Figura 10A ilustra a resposta de tensão de uma rede DC para um primeiro sistema de simulação consistindo em um MMC da invenção possuindo uma capacitância virtual e para um segundo sistema de simulação consistindo em um conversor do estado da técnica, possuindo um capacitor real, em paralelo, com a rede DC; a Figura 10B ilustra as variações na energia total do conversor para os dois sistemas de simulação; a Figura 10C ilustra a resposta de energia na rede AC para os dois sistemas de simulação; a Figura 10D ilustra a resposta de energia na rede DC para os dois sistemas de simulação; e a Figura 11 ilustra um MMC da invenção em que o módulo de controle é fornecido com um limitador, para limitar a energia interna do conversor.
DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO
[067] A invenção refere-se a um conversor modular de múltiplos níveis com um módulo de controle, com um circuito de comportamento equivalente sendo ilustrado na Figura 5. De forma não limitativa, esta figura ilustra um MMC (2) para converter energia DC em energia AC. Neste exemplo, deve-se observar que o conversor (2) tem uma porção AC (2A) conectada à rede de fornecimento de energia AC (110) no lado esquerdo do diagrama. No lado direito do diagrama, é possível ver que o conversor (2) tem uma porção DC (2C) conectada à rede de fornecimento DC (120).
[068] É possível ver que um capacitor virtual CVI de capacitância ajustável CVI (por abuso de linguagem e por razões de simplicidade, a mesma notação é usada para designar o capacitor e sua capacitância) está associado, em paralelo, com a rede de fornecimento de energia DC (2C). O termo “virtual” é usado para significar que este capacitor não está fisicamente presente no conversor. Em contraste, o módulo de controle da invenção permite obter o funcionamento do conversor que é análogo à operação que seria obtido por um conversor com o capacitor virtual: o capacitor virtual CVI representa o comportamento do conversor (2) e de seu módulo de controle (4) da invenção. Especificamente, ao regular um coeficiente de inércia virtual kVI, a estabilidade da rede de fornecimento de energia DC (120) é melhorada e o comportamento do conversor é análogo ao comportamento de um conversor em que um capacitor virtual CVI de capacitância ajustável CVI está conectado, em paralelo, com a rede de fornecimento de energia DC (120).
[069] O diagrama da Figura 5 também ilustra transferências de energia entre o conversor (2) e as redes de fornecimento DC e AC (120) e (110). Assim, PI é a energia proveniente de outras estações da rede de fornecimento de energia DC e simboliza uma distúrbio repentina de energia na Rede DC, Pdc é a energia extraída da rede de fornecimento de energia DC (120), Pac é a energia transmitida para a rede de fornecimento de energia AC (110), Pc é a energia absorvida pela capacitância Cdc da rede de fornecimento de energia DC (120), Pm é a energia de operação do conversor (2) e Pw pode ser considerado como a energia absorvida pelo capacitor virtual CVI de capacitância ajustável CVI. Além disso, vdc é a tensão entre os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC.
[070] No MMC (2) da invenção, e ao contrário do MMC do estado da técnica, a energia excedente da rede de fornecimento de energia DC (120), escrito Pw, é absorvida pelo conversor virtual CVI e permite que o conversor armazene a energia interna W∑.
[071] O exemplo da Figura 6 ilustra um conversor modular de múltiplos níveis (2) com um módulo de controle (4) da invenção. O MMC é configurado para usar servo comando em circuito fechado para regular a tensão vdc em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC (120) e a tensão vc∑ em todos os terminais de cada capacitor modelado.
[072] O módulo de controle (4) inclui um computador (10) que calcula um ponto de ajuste
Figure img0017
de energia interna para o conversor (2) que é armazenado nos capacitores dos submódulos dos braços, com base em um coeficiente de inércia virtual ajustável kVI, de um ponto de ajuste
Figure img0018
nominal para o valor da energia armazenada nos capacitores do conversor, de uma tensão medida vdc da rede de fornecimento de energia DC e de um valor nominal vdc0 para a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC.
[073] A partir do diagrama da Figura 5, é possível ver que:
Figure img0019
em que Wdc é a energia da rede de fornecimento de energia DC.
[074] Ainda com referência à Figura 5, assumindo que Pm é igual a Pac, também pode ser visto que:
Figure img0020
em que Ctot é a capacitância do capacitor modelado em um braço.
[075] Ao combinar as duas equações acima, a seguinte expressão pode ser obtida:
Figure img0021
[076] Esta expressão mostra, em particular, que, ao controlar a energia interna W∑ do MMC, é possível distribuir a energia Pl - Pm entre a capacitância Cdc da rede de fornecimento de energia DC e os capacitores dos submódulos dos braços.
[077] O computador possibilita calcular o ponto de ajuste
Figure img0022
de energia interna apropriado usando a função:
Figure img0023
[078] O referido ponto de ajuste
Figure img0024
de energia interna do conversor possibilita fornecer um ponto de ajuste
Figure img0025
para a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado. Este ponto de ajuste
Figure img0026
para a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado, quando quadrado, é comparado com a média dos quadrados das tensões em todos os terminais dos capacitores modelados.
[079] Sem ultrapassar o escopo da invenção, a média pode ser calculada de qualquer maneira. No exemplo não limitativo ilustrado na Figura 6, a média é calculada como sendo a soma dos quadrados das tensões dos capacitores modelados em cada braço, dividido por seis (uma vez que o conversor possui seis braços). A comparação é fornecida a um regulador de energia interna (20) do conversor, que entrega um ponto de ajuste
Figure img0027
de energia para os capacitores do referido conversor (2).
[080] Além disso, assumindo que a regulação da energia é suficientemente rápida, obtém-se o seguinte:
Figure img0028
ou mesmo:
Figure img0029
[081] É assim possível expressar o coeficiente de inércia virtual kVI da seguinte forma:
Figure img0030
[082] Esta expressão ilustra que, ao regular o coeficiente de energia virtual kVI, é possível modificar o valor da capacitância virtual CVI.
[083] Na Figura 6, também é possível ver que o módulo de controle (4) inclui um regulador (30), para regular a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC (120), tendo como entrada o resultado de uma comparação entre o ponto de ajuste
Figure img0031
para a tensão em todos os pontos do acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC, quando quadrados, e um valor vdc retirado da rede de fornecimento de energia DC e que também é quadrado. O regulador (30), para regular a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC (120) fornece um ponto de ajuste
Figure img0032
de energia de operação para o referido conversor (2).
[084] Além disso, o módulo de controle (4) possui um regulador (40), para regular a igd de corrente AC, tendo como entrada um ponto de ajuste
Figure img0033
, e um regulador (50), para regular o idiff de corrente, tendo como entrada um ponto de ajuste
Figure img0034
[085] A partir da Figura 3, sabe-se que é possível modelar os submódulos de um braço por respectivas fontes de tensão modeladas, cada um associado, em paralelo, com um capacitor modelado, de modo que as fontes de tensão modeladas tenham uma tensão vmxi em todos os seus terminais (em quex indica se o braço é um braço superior ou braço inferior e onde i indica a perna). Os reguladores de corrente (40) e (50) fornecem pontos de ajuste
Figure img0035
e
Figure img0036
de tensão, que são usados, seguindo uma mudança de variável, por um elemento modulador (60) e dois elementos de equilíbrio (70a) e (70b), fazendo uso de um algoritmo de controle de equilíbrio (BCA) para fornecer as tensões vmxi em todos os terminais das fontes de tensão modeladas. Isso permite que os submódulos dos braços sejam ligados ou desligados. Isso controla a tensão vc∑xi em todos os terminais dos capacitores modelados e também a tensão vdc em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC.
[086] Variando a entrada de kVI do coeficiente de inércia virtual para o computador, é possível influenciar diretamente a tensão vdc da rede de fornecimento de energia DC e a inércia daquela rede DC.
[087] Neste exemplo não limitativo, o módulo de controle (4) também possui um elemento (100), para ajustar o ganho do regulador, para regular a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC (120) como uma função do valor kVI do coeficiente de inércia virtual. Por razões de simplicidade, este elemento é ilustrado como fora do módulo de controle (4), mesmo que esteja incluído no módulo de controle (4).
[088] A Figura 7 ilustra um exemplo de ajuste do regulador, para regular a tensão vdc em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC usando um corretor integral proporcional (PI) no circuito servo comando para vdc e W∑. Neste exemplo não limitativo, o corretor PI é ajustado por um método convencional de alocação de pólo.
[089] Este circuito inclui, em particular, circuitos (42) e (52) para regular as correntes idiff e igd em direção a seus respectivos pontos de ajuste
Figure img0037
e
Figure img0038
[090] Ao simplificar, é possível obter uma representação equivalente do circuito para regular a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC (120) com ajuste do regulador da referida tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede DC usando um corretor PI. Essa representação é fornecida na Figura 8.
[091] As Figuras 9A a 9D mostram os resultados de uma simulação do comportamento de um conversor modular de múltiplos níveis (2) que possui um módulo de controle (4) da invenção e, em particular, uma simulação controlando a energia. Nesta simulação, é criado um sistema de teste em que a porção DC do conversor está conectada a uma fonte de energia DC ideal, simulando uma rede de fornecimento de energia DC (120), enquanto a porção AC do conversor é conectada a uma fonte de fornecimento AC, simulando uma rede de fornecimento de energia AC (110). Uma etapa de energia é então imposta na rede AC simulada, o coeficiente de inércia virtual kVI é variado e os resultados em outras magnitudes do sistema são observados.
[092] Como pode ser visto na Figura 9A, a curva representa uma etapa de energia de 0,03 por unidade (pu) imposta na rede AC simulada por 0,1 segundos antes de retornar a energia AC ao seu valor zero inicial. Esse comportamento simula uma transferência de energia ativa do MMC (2) para a rede de fornecimento de energia AC (110).
[093] A resposta de tensão da rede DC simulada para diferentes valores de kVI é mostrada na Figura 9B. Cada uma dessas curvas corresponde a um valor de kVI, de tal forma que as curvas a, b, c, d e e correspondem a kVI com valores respectivos iguais a 0, 0,5, 1, 2 e 3. Pode ser observado que para valores de kVI maiores, as variações na rede DC simulada são menores. Isto concorda com o princípio da invenção, uma vez que, aumentando o kVI, aumenta a inércia do conversor, permitindo assim que a rede DC contenha os distúrbios melhor e estabilize a tensão da rede DC.
[094] A Figura 9C ilustra a variação na energia total do conversor para vários valores de kVI. As curvas g, h, i, j e k correspondem a kVI com valores respectivos iguais a 0, 0,5, 1, 2 e 3. Ao aumentar o coeficiente de inércia virtual kVI, o valor da capacitância virtual é aumentado, implicando assim que a contribuição do conversor aumenta e que mais energia é extraída do capacitor virtual. Este aumento na contribuição da energia do conversor conduz a uma queda na energia total do conversor ao aumentar o coeficiente de inércia virtual.
[095] A consequência disso pode ser vista na Figura 9D, que ilustra como a energia varia na rede DC simulada, como uma função de valores para o coeficiente de inércia virtual kVI. Neste exemplo, as curvas m, n, o, p e q correspondem a kVI com valores respectivos iguais a 0, 0,5, 1, 2 e 3. É possível ver que quando o valor do coeficiente de inércia virtual kVI aumenta, o impacto na energia da rede DC simulada da variação de energia na rede AC simulada é reduzido. Em particular, menos energia é extraída dos capacitores da rede de fornecimento de energia DC. Isto é devido ao fato de que mais energia é extraída do capacitor virtual. A capacitância virtual serve para estabilizar e melhorar a inércia da rede DC.
[096] As Figuras 10A a 10D mostram uma simulação ao controlar a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede DC, nos quais os comportamentos de dois sistemas são comparados. O primeiro sistema consiste em um conversor modular de múltiplos níveis da invenção, configurado como na simulação acima. O coeficiente de inércia virtual é ajustado e configurado de modo que kVI = 1. O segundo sistema consiste em um MMC do estado da técnica na qual a porção DC também está conectada a uma fonte de energia DC ideal, enquanto a porção AC do conversor está conectada a uma fonte de tensão AC. Neste segundo sistema, um capacitor real é conectado, em paralelo, com a rede DC simulada. O valor da capacitância deste capacitor real é selecionado para ser igual à capacitância do capacitor virtual CVI do primeiro sistema. A comparação é, portanto, entre as influências de um capacitor de CVI virtual e de um capacitor real associado a um MMC, em paralelo, com uma rede DC simulada.
[097] Uma etapa de distúrbio de energia é imposta pela fonte de energia DC em ambos os sistemas, como pode ser visto na curva z de linha tracejada na Figura 10D.
[098] Na Figura 10A, as curvas r e s representam a variação na tensão da rede DC simulada para o primeiro e segundo sistema, respectivamente. É possível ver que a variação na tensão da rede DC simulada é a mesma para ambos os sistemas.
[099] Uma vez que esses sistemas são configurados para que os valores das capacitâncias reais e virtuais sejam iguais, a resposta de energia da rede AC simulada é a mesma para ambos os sistemas. Na Figura 10C, esta resposta é representada pela curva v, enquanto a curva w representa a etapa de distúrbio de energia na rede DC simulada.
[0100] Através da curva t, a Figura 10B ilustra um aumento na energia total no primeiro sistema com uma capacitância virtual, representando a energia armazenada no capacitor virtual. Em contraste, no segundo sistema, que é representado pela curva u, nenhuma variação pode ser observada na energia total, dado que para este conversor não há contribuição de energia interna para a rede DC simulada.
[0101] Na Figura 10D, as curvas y e x representam a energia de rede DC simulada para o primeiro e segundo sistema, respectivamente, e é possível ver que a presença de uma capacitância virtual melhora a resposta de energia a um distúrbio de energia na rede simulada, conforme representado pela curva z. O distúrbio, portanto, tem menos impacto na rede DC simulada e a energia da referida rede DC é melhor controlada.
[0102] Uma variante do conversor da invenção é mostrada na Figura 11, na qual o módulo de controle inclui um limitador de energia (80) que recebe como entrada a energia interna W∑ do conversor, um ponto de ajuste
Figure img0039
de energia interna máxima para o conversor e um ponto de ajuste
Figure img0040
de energia interna mínima para o conversor. O limitador de energia (80) fornece um ponto de ajuste
Figure img0041
de energia limite associado a uma energia limite PEL. Este limitador de energia serve para colocar um limite na energia interna W∑ entre os valores máximos e mínimos de ponto de ajuste de energia interna para o conversor.
[0103] A energia limite PEL aparece como um distúrbio no controle de energia. O ponto de ajuste
Figure img0042
nominal do valor para a energia armazenada nos capacitores do conversor é assim corrigido de modo a fornecer ao computador (10) para calcular o ponto de ajuste de energia interna com um ponto de ajuste
Figure img0043
nominal corrigido para o valor da energia armazenada nos capacitores.
[0104] Isto dá:
Figure img0044
de tal modo que:
Figure img0045
[0105] Além disso, o ponto de ajuste
Figure img0046
nominal corrigido para o valor da energia armazenada nos capacitores é expresso da seguinte forma:
Figure img0047
[0106] Ao substituir nas equações acima, obtém-se o seguinte:
Figure img0048
ou seja,
Figure img0049
[0107] Verifica-se assim que o limitador de energia (80) não modifica o comportamento do conversor dentro dos limites de energia interna máxima e mínima. O comportamento do conversor é análogo ao comportamento de um conversor, no qual um capacitor virtual CVI de capacitância ajustável CVI está conectado, em paralelo, com a rede de fornecimento de energia DC (120).

Claims (16)

1. CONVERSOR DE TENSÃO MODULAR de múltiplos níveis (2), para converter uma tensão AC em uma tensão DC e vice-versa, o conversor (2) compreende uma porção DC (2C) para conexão a uma rede de fornecimento de energia DC (120) e uma porção AC (2A) para conexão a uma rede de fornecimento de energia AC (110), o conversor (2) compreendendo uma pluralidade de pernas, cada perna compreendendo um braço superior e um braço inferior, cada braço compreendendo uma pluralidade de submódulos que são controláveis individualmente por um elemento de controle específico para cada submódulo e cada submódulo compreende um capacitor que é conectável em série no braço, quando o elemento de controle do submódulo está em um estado ligado, sendo cada braço apropriado para modelagem como uma fonte de tensão modelada associada a uma taxa de operação dependendo de uma série de capacitores conectados em série no braço, sendo cada fonte de tensão modelada associada, em paralelo, com um capacitor modelado correspondente a uma capacitância total do braço, o conversor (2) compreendendo ainda um módulo de controle de conversor (4) configurado para regular a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado de cada perna e para regular a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor (2) e a rede de fornecimento de energia DC (120), controlando os elementos de controle dos submódulos do conversor (2), caracterizado pelo módulo de controle do conversor (4) compreender um computador (10) para calcular um ponto de ajuste para a energia interna do conversor (2), armazenado nos capacitores dos submódulos dos braços, através da aplicação de uma função que possui um parâmetro de entrada ajustável, sendo o módulo de controle (4) configurado para deduzir deste ponto de ajuste de energia um ponto de ajuste para a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado usado para regular a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor (2) e a rede de fornecimento de energia DC (120) e a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado.
2. CONVERSOR (2), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo parâmetro de entrada ajustável ser um coeficiente de inércia virtual ajustável kVI.
3. CONVERSOR (2), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo computador (10) ser configurado para calcular o ponto de ajuste de energia interna
Figure img0050
para o conversor, usando a função:
Figure img0051
onde Ctot é a capacitância total do capacitor modelado em um braço, vdc é a tensão medida da rede de fornecimento de energia DC (120), vdc0 é o valor nominal da tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor (2) e a rede de fornecimento de energia DC (120), e
Figure img0052
é um ponto de ajuste nominal para o valor da energia armazenada nos capacitores do conversor (2).
4. CONVERSOR (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo módulo de controle (4) incluir um regulador (20) para regular a energia interna do conversor (2), tendo o regulador (20) como entrada o resultado de uma comparação entre o ponto de ajuste para a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado, quando quadrados, e uma média dos quadrados das tensões em todos os terminais dos capacitores modelados e fornecendo um ponto de ajuste de energia para os capacitores do conversor.
5. CONVERSOR (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo módulo de controle (4) ser configurado para executar uma mudança de variável, de modo a controlar variáveis de tensão e corrente intermediárias idiff, igd e vdiff, vgd, em que idiff e vdiff estão associados com a rede de fornecimento de energia DC (120) e igd e vgd estão associados com a rede de fornecimento de energia AC (110).
6. CONVERSOR (2), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo módulo de controle (4) incluir um regulador (40) para regular o igd de corrente e tendo como entrada um ponto de ajuste i*gd correspondente ao igd de corrente.
7. CONVERSOR (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 6, caracterizado pelo módulo de controle (4) incluir um regulador (50) para regular o idiff de corrente e tendo como entrada um ponto de ajuste i*diff correspondente ao idiff de corrente.
8. CONVERSOR (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo módulo de controle (4) incluir um regulador (30) para regular a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor e a rede de fornecimento de energia DC (120), o regulador (30) tendo como entrada o resultado de uma comparação entre um ponto de ajuste para a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor (2) e a rede de fornecimento de energia DC (120), quando quadrados, e um valor retirado da rede de fornecimento de energia DC (120), da mesma forma quando quadrado, e fornecendo um ponto de ajuste para a energia de operação do conversor (2).
9. CONVERSOR (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 e 8, caracterizado pelo módulo de controle (4) incluir um elemento (100) para ajustar o ganho do regulador (30) para regular a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor (2) e a rede de fornecimento de energia DC (120), como uma função do valor do coeficiente de inércia virtual kVI.
10. CONVERSOR (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo módulo de controle (4) incluir um limitador (80), para limitar a energia interna do conversor (2), o limitador (80) tendo como entrada a energia interna do conversor (2), um ponto de ajuste para a energia interna máxima do conversor (2) e um ponto de ajuste para a energia interna mínima do conversor (2) e fornecendo um ponto de ajuste de energia limite.
11. MÉTODO PARA CONTROLAR UM CONVERSOR DE TENSÃO modular de múltiplos níveis (2), o conversor (2) serve para converter uma tensão AC em uma tensão DC e vice-versa, e inclui uma porção DC (2C) para conexão a uma rede de fornecimento de energia DC (120) e uma porção AC (2A) para conexão a uma rede de fornecimento de energia AC (110), o conversor (2) possuindo uma pluralidade de pernas, cada perna compreendendo um braço superior e um braço inferior, cada braço possuindo uma pluralidade de submódulos que são controláveis individualmente por um elemento de controle do submódulo e compreendendo um capacitor conectado em série no braço quando o elemento de controle do submódulo está em um estado ligado, sendo cada braço adequado para ser modelado por uma fonte de tensão modelada associada a uma taxa de operação dependendo do número de capacitores conectados em série no braço, sendo cada fonte de tensão modelada associada, em paralelo, com um capacitor modelado correspondente a uma capacitância total do braço, o método compreendendo ainda o controle lento do conversor (2), em que a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado de cada perna é regulado e a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor (2) e a rede de fornecimento de energia DC (120) é regulada controlando os elementos de controle dos submódulos do conversor (2), caracterizado pelo método compreender o cálculo de um ponto de ajuste para a energia interna do conversor (2), armazenado nos capacitores dos submódulos dos braços, através do uso de uma função que possui um parâmetro de entrada ajustável e calculando um ponto de ajuste para a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado, a partir do ponto de ajuste para a energia interna do conversor (2), o ponto de ajuste para a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado sendo usado para regular a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor (2) e a rede de fornecimento de energia DC (120) e a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado.
12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo parâmetro de entrada ajustável ser um coeficiente de inércia virtual ajustável kVI.
13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo ponto de ajuste
Figure img0053
para a energia interna do conversor (2) ser calculado a partir da seguinte função:
Figure img0054
em que Ctot é a capacitância total do capacitor modelado em um braço, vdc é a tensão medida da rede de fornecimento de energia DC (120), vdc0 é o valor nominal da tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor (2) e a rede de fornecimento de energia DC (120), e
Figure img0055
é um ponto de ajuste nominal para o valor da energia armazenada nos capacitores do conversor (2).
14. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, caracterizado pelo método incluir a regulação da tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor (2) e a rede de fornecimento de energia DC (120), usando como entrada o resultado de uma comparação entre um ponto de ajuste para a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor (2) e a rede de fornecimento de energia DC (120), quando quadrados, e um valor retirado da rede de fornecimento de energia DC (120), da mesma forma quando quadrado, e fornecendo um ponto de ajuste para a energia de operação do conversor (2).
15. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 14, caracterizado pelo método incluir o ajuste do ganho para regular a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor (2) e a rede de fornecimento de energia DC (120), como uma função do valor do coeficiente de inércia virtual.
16. MÓDULO DE CONTROLE (4) PARA CONTROLAR UM CONVERSOR MODULAR de múltiplos níveis (2), conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo módulo (4) compreender o computador (10) para calcular um ponto de ajuste para a energia interna do conversor (2), armazenada nos capacitores dos submódulos do braços, através da aplicação de uma função que possui um parâmetro de entrada ajustável e em que o módulo (4) é configurado para deduzir deste ponto de ajuste de energia um ponto de ajuste para a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado usado para regular a tensão em todos os pontos de acoplamento em comum entre o conversor (2) e a rede de fornecimento de energia DC (120) e a tensão em todos os terminais de cada capacitor modelado.
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