ES2255837B1 - ELECTRONIC CONTROLLER FOR POWER CONVERTER, BIDIRECTIONAL, BASED ON TWO MULTI-LEVEL INVESTORS. - Google Patents

ELECTRONIC CONTROLLER FOR POWER CONVERTER, BIDIRECTIONAL, BASED ON TWO MULTI-LEVEL INVESTORS. Download PDF

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Abstract

Controlador electrónico para convertidor de potencia, bidireccional, basado en dos inversores multinivel. La presente invención se refiere al desarrollo de un controlador electrónico para un convertidor de potencia, bidireccional, basado en dos inversores multinivel, dando lugar a un conjunto formado por un convertidor de potencia y un sistema electrónico digital de control. El convertidor electrónico está formado por dos convertidores de tres niveles (NPC) conectados a través de un DC-bus común y con conexión a la red eléctrica y a la máquina de corriente alterna. El controlador electrónico está formado por un hardware de dos tarjetas comerciales (DSP y FPGAs) y otra tarjeta diseñada específicamente para el control de interface. Se incorpora el software avanzado correspondiente con el desarrollo de nuevos algoritmos que permite el control del convertidor conectado a la red y el del conectado a la maquinaría, capacitando al sistema para entregar o consumir energía de la red eléctrica cumpliendo con las normas de calidad exigidas.Electronic controller for power converter, bidirectional, based on two multilevel inverters. The present invention relates to the development of an electronic controller for a power converter, bidirectional, based on two multilevel inverters, resulting in a set consisting of a power converter and a digital electronic control system. The electronic converter consists of two three-level converters (NPCs) connected through a common DC-bus and connected to the mains and to the AC machine. The electronic controller consists of two commercial card hardware (DSP and FPGAs) and another card designed specifically for interface control. The corresponding advanced software is incorporated with the development of new algorithms that allow the control of the converter connected to the network and that of the connected to the machinery, enabling the system to deliver or consume energy from the electricity network complying with the required quality standards.

Description

Controlador electrónico para convertidor de potencia, bidireccional, basado en dos inversores multinivel.Electronic controller for converter Power, bidirectional, based on two multilevel inverters.

Sector de la técnicaTechnical sector

La invención se encuadra en el sector técnico de los controladores electrónicos. Más concretamente en los controladores electrónicos destinados al control de convertidores electrónicos de potencia, para optimizar la calidad de la energía demandada o entregada a la red eléctrica.The invention falls within the technical sector of Electronic controllers More specifically in the electronic controllers for converter control power electronics, to optimize energy quality demanded or delivered to the electricity grid.

Estado de la técnicaState of the art

Los convertidores multinivel existentes en el mercado difícilmente cumplen la normativa actual sobre calidad de energía inyectada en la red eléctrica, en especial en lo relativo a los huecos de tensión. En este invento se presenta un controlador electrónico que permite controlar, de manera bidireccional, un convertidor basado en dos inversores multinivel, cumpliendo, al mismo tiempo, con las exigencias actuales de calidad de señal.The multilevel converters existing in the market hardly meet current regulations on quality of energy injected into the electricity grid, especially as regards The tension gaps. In this invention a controller is presented electronic that allows bi-directional control of a converter based on two multilevel investors, complying with same time, with the current requirements of signal quality.

Si bien el controlador objeto de este invento se basa en sistemas electrónicos digitales conocidos (DSP's -Digital Signal Processing- y FPGA's Field Programming Gate Array), presenta la novedad de permitir la interconexión de ambos, haciendo posible la ejecución de los algoritmos de control diseñados en el invento, de forma paralela, lo que supone una solución nueva que los distintos fabricantes no aportan.While the controller object of this invention is based on known digital electronic systems (DSP's -Digital Signal Processing- and FPGA's Field Programming Gate Array), presents the novelty of allowing the interconnection of both, making possible the execution of the control algorithms designed in the invention, in parallel, which is a new solution that Different manufacturers do not contribute.

Por otro lado, para controlar un convertidor electrónico de media y alta potencia, se precisan sistemas de interface entre los procesadores de control (basados en DSP's y FPGA's) y los dispositivos electrónicos de potencia. En esta invención se presenta también un sistema electrónico que realiza esta tarea. En el mercado, resulta fácil conseguir tarjetas procesadoras de DSP's o FPGA's, pero el conjunto del sistema controlador de este invento, con alta capacidad de proceso, fácil configuración y adaptación a un controlador de media potencia, no existe.On the other hand, to control a converter medium and high power electronics, systems of interface between control processors (based on DSP's and FPGA's) and power electronic devices. In this invention is also presented an electronic system that performs this task. In the market, it is easy to get cards DSP's or FPGA's processors, but the whole system controller of this invention, with high process capacity, easy configuration and adaptation to a medium power controller, not exists.

Finalmente los controladores de los convertidores de potencia requieren de algoritmos de control adecuados para cumplir los objetivos de calidad de energía entregada. Aunque son muchos los algoritmos existentes, en este invento, formando parte del programa de controlador. se incluyen nuevos algoritmos para conseguir la bidireccionalidad de la transferencia de energía entre la carga y la red, cumpliendo las normas de calidad. El conjunto controlador más convertidor, que recibe el nombre CONDOR CONVERTER, optimiza la calidad de las corrientes demandadas o entregadas a la red eléctrica, por lo que es muy útil para sistemas de conversión de energías renovables.Finally the drivers of the Power converters require control algorithms suitable to meet energy quality objectives delivered. Although there are many existing algorithms, in this invention, being part of the controller program. are included new algorithms to achieve bidirectionality of the energy transfer between the load and the network, complying with the Quality standards. The controller set plus converter, which receives the name CONDOR CONVERTER, optimizes the quality of currents demanded or delivered to the electricity grid, so it is Very useful for renewable energy conversion systems.

Descripción de la invenciónDescription of the invention

La invención se encuadra en el sector técnico de los controladores electrónicos destinado al control de sistemas electrónicos de potencia. La Fig. 1 representa el diagrama de bloques del Sistema Electrónico de Control diseñado (referenciado como módulo II en la Fig. 1) y del Sistema de Electrónica de Potencia al que se conecta (referenciado como módulo I en la Fig. 1). La estructura completa recibe el nombre del CONDOR CONVERTER.The invention falls within the technical sector of electronic controllers intended for system control power electronics Fig. 1 represents the diagram of Electronic Control System blocks designed (referenced as module II in Fig. 1) and of the Electronics System of Power to which it is connected (referenced as module I in Fig. one). The complete structure is called CONDOR CONVERTER

Como se muestra en la Fig. 1, el módulo II se divide en seis bloques, conformando, por un lado, un sistema coprocesador (bloques 4, 5 y 6), de otro, una interface (bloques 1, 2 y 3) entre el sistema coprocesador y el sistema de Electrónica de Potencia (módulo I) y por último de un bloque (7) para comunicarse vía USB con un sistema exterior de supervisión y generación de consignas.As shown in Fig. 1, module II is divide into six blocks, forming, on the one hand, a system coprocessor (blocks 4, 5 and 6), of another, an interface (blocks 1, 2 and 3) between the coprocessor system and the Electronics system of Power (module I) and finally of a block (7) to communicate via USB with an external monitoring and generation system slogans

Los bloques 1, 2 y 3 de la figura 1 han sido desarrollados completamente por los inventores, y realiza: la conversión analógica-digital de todas las señales empleadas por el controlador, la transmisión y recepción óptica de las señales de los driver's de los IGBT's, y el resto de funciones relacionadas con el interface entre el sistema de control y el sistema de electrónica de potencia.Blocks 1, 2 and 3 of Figure 1 have been fully developed by the inventors, and performs: the analog-digital conversion of all signals used by the controller, optical transmission and reception of the signals of the drivers of the IGBT's, and the rest of the functions related to the interface between the control system and the power electronics system.

Para el sistema coprocesador (bloques 4, 5 y 6 de la Fig. 1), la solución propuesta emplea una tarjeta comercial de evaluación del DSP TMS6713 (bloque 6) y otra tarjeta comercial de una FPGA SPARTAN II (bloque 4). Los inventores han desarrollado la tarjeta de comunicación entre las dos tarjetas anteriores (bloque 5) y la tarjeta para comunicaciones por puerto USB (bloque 7) con un sistema exterior de supervisión.For the coprocessor system (blocks 4, 5 and 6 of Fig. 1), the proposed solution uses a business card of evaluation of the TMS6713 DSP (block 6) and other business card of a FPGA SPARTAN II (block 4). The inventors have developed the communication card between the two previous cards (block 5) and the card for communications via USB port (block 7) with an external monitoring system.

Además el software que permite el correcto funcionamiento de los bloques 4, 5, 6 y 7 ha sido realizado completamente por los inventores.In addition the software that allows the correct operation of blocks 4, 5, 6 and 7 has been performed completely by the inventors.

El módulo II se conecta al módulo I según se muestra en la Fig. 1. En el módulo I se representa la estructura de los dos convertidores empleados. VSC1 y VSC2 son los dos inversores multinivel de 3 niveles, con topología NPC (Neutral-Point-Clamped). Estos inversores están conectados a través de un DC-bus común. La Fig. 2 muestra el diagrama de bloques de la parte del convertidor electrónico de potencia. PCC es el punto de conexión del convertidor con la red eléctrica. El conjunto formado por los contactores auxiliar y principal (indicado como CAP en la Fig. 2) más la resistencia facilita la carga suave de los condensadores del DC-bus. El filtro de conexión a la red eléctrica es un filtro LCL, el cual reduce el contenido armónico de las corrientes que se entregan a la red eléctrica. En la Fig. 2 también se representa un rectificador auxiliar (RA), que tiene varias aplicaciones. En el caso de usar el sistema únicamente para excitar el Motor AC, el rectificador se emplea como convertidor conectado a la red eléctrica y el sistema pasa a ser unidireccional, con lo que el VSC 1 no trabaja con este estructura. Otra opción es desconectar el rectificador del DC-bus (puntos P-N). y emplearlo como carga no lineal. De esta forma, el VSC1 trabaja como inversor controlado. Con esta estructura, si se le conecta una carga genérica al rectificador auxiliar, se puede usar el sistema para realizar ensayos del convertidor como filtro activo.Module II connects to module I as it is shown in Fig. 1. Module I represents the structure of The two converters used. VSC1 and VSC2 are the two inverters 3-level multilevel, with NPC topology (Neutral-Point-Clamped). These inverters are connected through a DC-bus common. Fig. 2 shows the block diagram of the part of the electronic power converter. PCC is the connection point of the converter with the mains. The set formed by auxiliary and main contactors (indicated as CAP in Fig. 2) more resistance facilitates the smooth charging of the capacitors of the DC-bus The power grid connection filter is an LCL filter, which reduces the harmonic content of the currents that are delivered to the electricity grid. In Fig. 2 also an auxiliary rectifier (RA) is represented, which has several Applications. In the case of using the system only to excite The AC Motor, the rectifier is used as a converter connected to the electrical network and the system becomes unidirectional, which VSC 1 does not work with this structure. Another option is to disconnect the DC-bus rectifier (points P-N). and use it as a non-linear load. This The VSC1 works as a controlled inverter. With this structure, if a generic load is connected to the rectifier auxiliary, the system can be used to perform tests of the converter as active filter.

Características técnicas del convertidorTechnical characteristics of the converter

Potencia del convertidor:Power of converter: 100KVA100KVA Tensión nominal:Tension nominal: 400VAC400VAC Valor de los componentes del filtro LCL: Value of the components of the LCL filter: L_{1} = 0.5 mH / 175 ArmsL_ {1} = 0.5 mH / 175 Arms L_{2} = 0.25 mH / 150 ArmsL_ {2} = 0.25 mH / 150 Arms C_{o} = 100 \muF / 400 VACC_ {o} = 100 µF / 400 VAC

C_{dc1} = C_{dc2} =C_ {dc1} = C_ {dc2} = 700 \muF / 750 Vdc700 µF / 750 Vdc IGBT's:IGBT's: FD300R12KE3FD300R12KE3 DF300R12KE3DF300R12KE3

Aplicaciones Applications

La estructura del CONDOR CONVERTER optimiza la calidad de las corrientes demandadas o entregadas a la red eléctrica, por lo que es muy útil para sistemas de conversión de energías renovables.CONDOR CONVERTER structure optimizes the quality of the currents demanded or delivered to the network electrical, so it is very useful for conversion systems renewable energy.

La aplicación fundamental de este tipo de convertidores es la conversión de energías renovables, fundamentalmente energía eólica. Al conectarse el VSC2 al estátor del motor AC éste manejará toda la potencia puesta en juego por el sistema. Esto tiene la ventaja de controlar toda la energía entregada a la red. Además, y gracias al software desarrollado para el VSC conectado a la red eléctrica, el sistema es capaz de entregar o consumir energía de la red eléctrica cumpliendo las normativas vigentes sobre calidad de energía entregada a la red.The fundamental application of this type of converters is the conversion of renewable energy, mainly wind energy. When VSC2 is connected to the stator of the AC motor this will handle all the power put into play by the system. This has the advantage of controlling all the energy delivered to the network. In addition, and thanks to the software developed for the VSC connected to the power grid, the system is capable of deliver or consume power from the power grid complying with the current regulations on energy quality delivered to the net.

Otra posible aplicación es como prototipo para tareas de investigación de excitación y control de convertidores de media potencia. Por un lado el sistema de potencia es capaz de manejar media potencia, con lo cual los resultados obtenidos se pueden aproximar sin cometer excesivos errores al de un sistema de alta potencia. Por otro lado, el sistema electrónico digital de control empleado está sobredimensionado, tiene una capacidad de cálculo muy elevada, y además resulta fácil conectarlo a un PC como herramienta de depuración de software. Todo esto le convierte en una herramienta ideal para investigar el resultado de diferentes algoritmos de control aplicados al convertidor de potencia.Another possible application is as a prototype for tasks of investigation of excitation and control of converters of medium power On the one hand the power system is capable of handle medium power, whereby the results obtained are they can approximate without committing excessive errors to that of a system of High power. On the other hand, the digital electronic system of employee control is oversized, has a capacity to very high calculation, and it is also easy to connect it to a PC as software debugging tool. All this makes him an ideal tool to investigate the result of different control algorithms applied to the power converter.

Otras aplicaciones del sistema implementado son tracción eléctrica (trenes, tranvías, coches híbridos, etc.), conversión de energía a partir de células de hidrógeno, etc.Other applications of the implemented system are electric traction (trains, trams, hybrid cars, etc.), conversion of energy from hydrogen cells, etc.

Ventajas del inventoAdvantages of the invention

La solución de control propuesta, que resulta ser una mezcla de tarjetas desarrolladas por los inventores, tarjetas comerciales y software desarrollado por los inventores permite resolver de forma óptima el problema del control de los convertidores electrónicos de potencia de media y alta potencia. Gracias a la potencia de cálculo y la capacidad de adquisición del sistema, permite que la fase de desarrollo del sistema sea rápida y fácil.The proposed control solution, which results be a mix of cards developed by the inventors, business cards and software developed by the inventors allows to optimally solve the problem of the control of medium and high power electronic power converters. Thanks to the computing power and acquisition capacity of the system, allows the system development phase to be fast and easy.

Este sistema tiene un campo de aplicación muy importante, debido a que como se ha indicado en el apartado de las aplicaciones, se destina al control de convertidores electrónicos de potencia para energías renovables. Las energías renovables al final de esta década supondrán un 12% de la energía total consumida en España.This system has a very wide scope important, because as indicated in the section on applications, is intended for the control of electronic converters of power for renewable energies. Renewable energy at At the end of this decade they will represent 12% of the total energy consumed in Spain.

Otro hecho importante de este invento es que soluciona de forma óptima el problema del control de convertidores electrónicos de potencia. En el mercado, resulta fácil conseguir tarjetas procesadoras de DSP's o FPGA's, pero el conjunto del sistema controlador desarrollado, con las prestaciones descritas, no existe.Another important fact of this invention is that optimally solves the converter control problem power electronics In the market, it is easy to get DSP or FPGA's processing cards, but the whole of the controller system developed, with the benefits described, does not exist.

Además, el invento descrito incorpora un canal de comunicación de alta velocidad para intercambiar consignas y muestras de las señales que se están controlando, con un sistema exterior de supervisión, como por ejemplo un PC. Por extensión, el invento dispone de todo lo necesario para permitir una supervisión remota a través de Internet, empleando los estándares de comunicación vigentes en la actualidad o que se desarrollen en un futuro.In addition, the described invention incorporates a channel High speed communication to exchange slogans and samples of the signals that are being controlled, with a system External supervision, such as a PC. By extension, the invention has everything necessary to allow supervision remote over the Internet, using the standards of communication currently in force or developed in a future.

Breve descripción de las figurasBrief description of the figures

La figura 1 muestra el esquema general del invento, separado en dos módulos. El módulo I se corresponde con el Sistema Electrónico de Potencia y el módulo II con el Sistema Electrónico de Control.Figure 1 shows the general scheme of invention, separated into two modules. Module I corresponds to the Electronic Power System and module II with the System Electronic Control

La figura 2 muestra el diagrama de bloques del Sistema Electrónico de Potencia objeto del control.Figure 2 shows the block diagram of the Electronic Power System subject to control.

Modo de realizaciónEmbodiment

El objeto del invento es el controlador electrónico, denominado módulo II en la Fig. 1.The object of the invention is the controller electronic, called module II in Fig. 1.

Este módulo está formado por:This module consists of:

\bullet?
"Tarjeta Coprocesadora" (bloques 4, 5, 6 y 7 de la Fig. 1)."Coprocessor Card" (blocks 4, 5, 6 and 7 of Fig. 1).

\bullet?
"Tarjeta interface coprocesador-Sistema de Electrónica de Potencia" (bloques 1, 2 y 3 de la Fig. 1)."Interface card coprocessor-Power Electronics System " (blocks 1, 2 and 3 of Fig. 1).

La "Tarjeta Coprocesador" está basada en una tarjeta comercial de evaluación del DSP TMS6713 y otra tarjeta comercial de una FPGA SPARTAN II. El DSP y la FPGA de cada una de las tarjetas son dispositivos programables. Las funciones que realizan los algoritmos desarrollados son las siguientes:The "Coprocessor Card" is based on a commercial TPS6713 DSP evaluation card and another card commercial of a FPGA SPARTAN II. The DSP and the FPGA of each of The cards are programmable devices. The functions that The algorithms developed are as follows:

\bullet?
En el DSP se ejecutan todos los algoritmos de control tanto del VSC1 (control de corriente, control del DC-bus. etc.) como el del VSC2 (control vectorial del motor AC, etc.).In the DSP, all Control algorithms of both VSC1 (current control, control of the DC-bus. etc.) like the VSC2 (control AC motor vector, etc.).

\bullet?
Los algoritmos de control están desarrollados en el sistema operativo en tiempo real DSP BIOS.The control algorithms are developed in the DSP real-time operating system BIOS

\bullet?
En el DSP se ejecutan los algoritmos necesarios para enviar por el canal de comunicación de alta velocidad las muestras de las señales más significativas del módulo de potencia (módulo I en la Fig. 1) de modo que puedan visualizarse en un ordenador de supervisión exterior.In the DSP the algorithms needed to send through the communication channel of high speed samples of the most significant signals of the power module (module I in Fig. 1) so that they can Displayed on an external monitoring computer.

La FPGA genera las señales PWM de los convertidores y además genera todas señales de control de los periféricos empleados en el sistema de control. También genera las temporizaciones del sistema y el software de comunicación con el DSP.The FPGA generates the PWM signals of the converters and also generates all control signals of the peripherals used in the control system. It also generates the system timings and communication software with the DSP

La "Tarjeta interface coprocesador-Sistema de Electrónica de Potencia" (módulos 1, 2 y 3 de la Fig. 1) se construye con ADC's (Analog Digital Converter), transmisores y receptores ópticos y relés. Los ADC's realizan la adquisición de las señales del convertidor. Los transmisores y receptores ópticos se usan para transmitir las señales de los driver's de los IGBT's con la tarjeta coprocesadora. Éstos aseguran un correcto aislamiento entre el convertidor y el sistema de control. Los relés actúan sobre la puesta en marcha del convertidor, carga de condensadores, etc.The "interface card coprocessor-Power Electronics System " (modules 1, 2 and 3 of Fig. 1) is built with ADC's (Analog Digital Converter), optical transmitters and receivers and relays. The ADC's acquire the converter signals. The optical transmitters and receivers are used to transmit the IGBT driver's signals with the coprocessor card. These ensure proper insulation between the converter and the control system. The relays act on the start-up of the converter, capacitor charge, etc.

Claims (6)

1. Controlador electrónico para convertidor de potencia, bidireccional, basado en dos inversores multinivel, caracterizado porque está formado por cuatro tarjetas hardware para procesado, control y adquisición de señales de convertidores, incorporando un nuevo sistema coprocesador.1. Electronic controller for power converter, bidirectional, based on two multilevel inverters, characterized in that it consists of four hardware cards for processing, control and acquisition of converter signals, incorporating a new coprocessor system. 2. Controlador electrónico para convertidor de potencia, bidireccional, basado en dos inversores multinivel, según la reivindicación 1, que se caracteriza por un sistema coprocesador capaz de enlazar dos tarjetas comerciales, una basada en DSP y la otra en FPGAs (Fig. 1) y por otra tarjeta diseñada específicamente para control de interface (Fig. 1).2. Electronic controller for power converter, bidirectional, based on two multilevel inverters, according to claim 1, characterized by a coprocessor system capable of linking two commercial cards, one based on DSP and the other on FPGAs (Fig. 1) and by another card designed specifically for interface control (Fig. 1). 3. Controlador electrónico para convertidor de potencia, bidireccional, basado en dos inversores multinivel, según las reivindicaciones 1 y 2, que se caracteriza por disponer de un software avanzado, con incorporación de nuevos algoritmos, que realiza tres funciones principales: control del convertidor conectado a la red, control del convertido conectado al generador y control del sistema de análisis y procesado de las señales.3. Electronic controller for power converter, bidirectional, based on two multilevel inverters, according to claims 1 and 2, characterized by having advanced software, incorporating new algorithms, which performs three main functions: control of the connected converter to the network, control of the convert connected to the generator and control of the signal analysis and processing system. 4. Controlador electrónico para convertidor de potencia, bidireccional, basado en dos inversores multinivel, según las reivindicaciones 1, 2 y 3, que comprende dos convertidores de tres niveles (NPC) conectados a través de un DC-bus común, uno de ellos está conectado a la red eléctrica a través de un filtro LCL y el otro está conectado a una máquina de corriente alterna.4. Electronic controller for converter power, bidirectional, based on two multilevel inverters, according to claims 1, 2 and 3, comprising two converters of three levels (NPC) connected through a DC-bus common, one of them is connected to the power grid through one LCL filter and the other one is connected to a current machine alternate 5. Controlador electrónico para convertidor de potencia, bidireccional, basado en dos inversores multinivel, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque es un sistema de control para convertidor multinivel bidireccional de media potencia, capaz de entregar o consumir energía de la red eléctrica y estar orientado a la interconexión de generados eólicos a la red, cumpliendo las normativas vigentes sobre calidad de energía entregada a la red.5. Electronic controller for power converter, bidirectional, based on two multilevel inverters, according to the preceding claims, characterized in that it is a control system for bi-directional multilevel converter of medium power, capable of delivering or consuming power from the power grid and being oriented to the interconnection of wind power generated to the network, complying with current regulations on the quality of energy delivered to the network. 6. Controlador electrónico para convertidor de potencia, bidireccional, basado en dos inversores multinivel, según las reivindicaciones anteriores, cuyas aplicaciones más importantes son: interconexión de generadores eólicos, energía fotovoltaica, tracción eléctrica, células de hidrógeno y aplicación a la investigación y desarrollo tecnológico en laboratorios.6. Electronic controller for converter power, bidirectional, based on two multilevel inverters, according to the preceding claims, whose most important applications they are: interconnection of wind generators, photovoltaic energy, electric traction, hydrogen cells and application to the Research and technological development in laboratories.
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