ES2403551A2 - Disposicion de convertidores o inversores multinivel de potencia que utiliza puentes h. - Google Patents

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Abstract

Disposición de tensión de múltiples niveles que tiene un transformador y un convertidor o inversor de energía que comprende uno o más enlaces de CC comunes que se pueden conectar a una fuente de energía, comprendiendo dicha disposición una primera serie de puentes H que están conectados a dicho enlace de CC común, en la que cada uno de dichos puentes H comprende al menos dos nodos conectados a los extremos de cableados en el lado primario de un transformador, en la que unos medios de control están configurados para controlar los puentes H para conseguir una señal de tensión de múltiples niveles entre el primer nodo y el segundo nodo de dichos puentes H.

Description

DISPOSICION DE CONVERTIDORES O INVERSORES MULTINIVEL DE POTENCIA QUE UTILIZA PUENTES H
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a una topología
de
convertidores multinivel de potencia y a una
disposición
para generadores, preferiblemente para
aplicaciones
en turbinas eólicas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Se conocen varios convertidores de fuente de tensión para la utilización de topologías de puentes H. Los puentes H se utilizan para obtener formas de ondas de múltiples niveles. Los puentes H se activan mediante una pluralidad de diferentes células de conmutación. Los estados abierto y cerrado de dichos conmutadores determinan la tensión de salida para un bobinado de carga conectada a los mismos. Sin embargo, su utilización está limitada a aplicaciones en sistemas de conversión CC/CC o aplicaciones de CA de fase única.
Se conocen aplicaciones de tres fases que tienen topologías de puentes H y arquitecturas que utilizan transformadores de aislamiento de lado CA para aplicaciones relacionadas con filtros activos en serie, restauradores de tensión dinámicos y compensadores sincrónicos estáticos (statcom).
Estas aplicaciones se han descrito en varias divulgaciones. Filtros activos en serie se encuentran en la publicación de F. Z . Peng, H. Agaki, A. Nabase, "A new approach to harmonic compensation in power systems a combined system of shunt passive and series active filters", IEEE Trans. on Ind. Applications, Vol. 26, No. 6 páginas 983-990, Noviembre/Diciembre 1990.
Restauradores de tensión dinámicos se describen en otra publicación de H. Kim, S. K. Sul "Compensation voltage control in dynamic restorers by use of feed forward and state feedback scheme", IEEE Trans. on power electronics, vol. 20 No.5, páginas 1169-1177, Septiembre 2005.
Ejemplos de la técnica anterior muestran topologías de conversión de tensión de múltiples niveles que requieren un gran número de componentes y son difíciles de implementar y controlar. Además, dichas
disposiciones
requieren la interacción de enlaces de CC
comunes
con valores de CC de alta tensión.
Dos
topologías de nivel de tensión utilizadas en
la
técnica anterior muestran un exceso de comportamiento
de harmónicos. La distorsión de harmónicos total (THD) es entonces menos que óptima para estos sistemas. Es un objeto de la presente invención proponer una topología de conversión de energía y una disposición para generadores, preferiblemente para aplicaciones de turbinas eólicas que muestre una reducción óptima de harmónicos y también que tenga una construcción y una disposición de la topología simples.
Es otro obj eto de la presente invención proponer un convertidor de múltiples niveles y una topología de inversión que pueda utilizar algoritmos, procedimientos y hardware de control independientemente del número de niveles de tensión elegidos. Así, es una ventaja adicional que los sistemas de control ya existentes se puedan reutilizar para esta nueva topología.
Es todavía otro obj eto de la presente invención presentar una disposición de múltiples niveles que requiera un número reducido de buses de CC. Idealmente, es suficiente un único bus de CC, dispuesto como un enlace de CC común.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención está relacionada con una disposición de tensión de múltiples niveles que tiene un transformador y un convertidor o inversor de energía que comprende uno o más enlaces de CC comunes que se pueden conectar a una fuente de energía, en la que dicha disposición comprende por lo menos una primera serie de puentes H que están conectados a dicho enlace de CC común. Cada uno de dichos puentes H comprende por lo menos un primer nodo y un segundo nodo, y por lo menos un transformador comprende un lado primario que tiene por lo menos un bobinado con un primer extremo y un segundo extremo en una configuración de extremo abierto accesible desde el exterior del transformador. La disposición también tiene el primer extremo de dicho bobinado conectado al primer nodo de dicho puente H, y que tiene el segundo extremo de dicho bobinado conectado a dicho segundo nodo de salida. También están presentes unos medios de control y están configurados para controlar los puentes H para conseguir una señal de tensión de múltiples niveles entre el primer nodo y el segundo nodo de dichos puentes H.
El término convertidor de energía debe entenderse normalmente que abarca inversores de energía. En general, cualquier conversión entre sistemas de CC y CA está
incluida
en los términos de esta definición
independien
temen te de la frecuencia y la forma de onda
relativa
a las entradas de energía o a las salidas de
energía.
La disposición de energía también puede incluir medios de control configurados para conseguir una salida de tensión de tres niveles entre el primer nodo y el segundo nodo de dichos puentes H. Además, la disposición de energía del sistema puede construirse como un único bus de CC. Además, el enlace de CC común puede tener entradas
configuradas para conectarse a una fuente de energía de CC, preferiblemente construida como una o más células solares.
Se pueden instalar filtros inductivos entre el primer y segundo nodos de dicha primera serie de puentes H y el primer y segundo extremos de dichos cableados del transformador. Dichos filtros reducen los transitorios, los picos y el comportamiento harmónico no deseado o THD.
Las topologías montadas en oposición son particularmente ventaj osas. Tienen una segunda serie de puentes H con los primeros nodos y los segundos nodos que se pueden conectar al primer y segundo extremos de los cableados correspondientes a un generador, en el que dicha segunda serie de puentes H está conectada a dicho enlace de CC común para conseguir una configuración de montaje en oposición con dicha primera serie de puentes H.
El transformador generalmente tiene un lado secundario, que comprende preferiblemente cableado en una configuración de delta o estrella, que se puede conectar directamente a una línea o red de distribución de energía.
La presente topología es también útil para aplicaciones statcom. En estas aplicaciones el lado secundario del transformador está conectado a dicha red y está configurado para recibir energía desde el mismo, en el que los medios de control están configurados para almacenar energía en condensadores o acumuladores comprendidos en dicho enlace de CC común y dichos medios de control están configurados para suministrar dicha energía almacenada de vuelta sobre la red. Así, dicho convertidor puede funcionar como una fuente de energía reactiva o como un depósito de energía reactiva.
Son igualmente posibles sistemas de control en la presente invención. Una disposición de control para un generador de energía o inversor comprende una disposición de energía tal como se ha explicado previamente, medios para medir el nivel de tensión en el enlace de ce común, medios para medir niveles de corriente y tensión en las salidas desde una primera serie de puentes H, en la que dichos medios de control para controlar la operación de conmutación de dicha primera serie de puentes H están
configurados
para basarse en niveles de tensión medidos en
el enlace de
ce común, y en niveles de corriente y tensión
medidos
en las salidas desde dicha primera serie de
puentes
H.
FIGURAS
La figura 1 muestra m fases dispuestas en paralelo de un convertidor de energía completo montado en oposición de tres niveles de tensión conectado a un generador.
La figura 2 muestra un convertidor de energía completo montado en oposición de tres niveles de tensión. La figura 3 muestra un convertidor de energía de tres niveles de tensión para un sistema fotovoltaico. La figura 4 muestra un sistema inversor de energía de tres niveles de tensión para aplicaciones statcom.
La figura 5 muestra una arquitectura de control para un convertidor de energía montado en oposición de tres niveles.
DESCRIPCIÓN DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS
La figura 1 muestra una disposición con m fases en paralelo, siendo m un número natural, configurada para la generación y la conversión de energía. Muchas aplicaciones requieren la manipulación de grandes cantidades de energía generada. Ejemplos no limitativos incluyen aplicaciones de accionamiento directo, en las que un árbol de una turbina eólica transmite energía directamente a un convertidor de energía eléctrica desde el rotor. Para hacer frente a los
grandes valores de energía, varios convertidores eléctricos están colocados en paralelo. Cada una de las m fases tomará una fracción de la energía total para no sobrepasar sus valores nominales, especialmente aquellos relacionados con los conmutadores semiconductores, que podrían resultar en fallos de componentes.
El generador (gen) es preferiblemente una turbina eólica. Los bobinados del estator desde el convertidor están conectados a un segundo convertidor de fuente de tensión (VSC2) que está construido como un puente H de múltiples niveles. Se pueden colocar filtros de red en la salida de los bobinados del estator para limitar dv/dt, concretamente, grandes valores de la derivada de la tensión del generador (gen) con respecto al tiempo.
Los
bobinados en el estator adoptan una
configuración
de extremo abierto. Esto significa que los
extremos
de los bobinados son visibles y se pueden
conectar
directamente a circuitos fuera del estator. Esta
disposición difiere de las configuraciones de cableado en estrella o delta usuales.
El segundo convertidor de fuente de tensión (VSC2) está conectado a un enlace de CC común. Dicho enlace está normalmente implementado como un único bus de CC (OC bus) . El módulo puede tener ventajosamente un módulo de protección contra sobretensiones o sobrecorrientes, concretamente un circuito limitador.
El enlace de CC común (OC bus) está conectado a un primer convertidor de fuente de tensión (VSC1), implementado como un puente H de múltiples niveles, y especialmente como un convertidor de tensión de tres niveles. La disposición topológica de dicho puente H es en una configuración de montaje en oposición con los puentes H del segundo convertidor de tensión (VSC2). El primer
(VSC1) y segundo (VS2) convertidores de tensión están conectados al mismo enlace de CC común, preferiblemente en
bus de CC.
El primer convertidor de fuente de tensión (VSC1) está conectado al lado primario de un transformador (T). Dicho lado primario recoge por lo menos un bobinado desde cada una de las m fases en paralelo con una disposición de bobinado de extremo abierto. Esto significa que los extremos de dichos bobinados se pueden conectar todos a circuitos y/o módulos eléctricos fuera del transformador
(T). Ventajosamente, están dispuestos filtros de red, la mayoría construidos como circuitos de inductancia, antes del transformador.
El lado secundario de dicho transformador, que tiene normalmente una configuración de delta o estrella,
está
preferiblemente conectado a la red eléctrica de
distribución de
energía.
La
figura 2 muestra una realiz ación preferida de
una
de las m fases de la figura l. La figura 2 muestra un
convertidor de energía completo de montaje en oposición de tres niveles en tres fases. Los generadores tienen preferiblemente tres bobinados de extremo abierto. Así, 2 cables de cada bobinado se pueden conectar a módulos y circuitos fuera del generador.
Los bobinados relacionados con un generador (gen), especialmente para un generador de turbina eólica, están conectados a una segunda serie de puentes H. Dicha segunda serie tiene m de dichos puentes H, siendo m un número natural.
Preferiblemente, los bobinados relacionados con un generador están fij ados al ej e o árbol del generador o forman parte de los bobinados del estator que rodean el rotor. Hay preferiblemente m bobinados en una disposición de extremo abierto. Esto significa que cada uno de los extremos de los bobinados es accesible desde la salida del generador. Varios tipos de generadores son igualmente posibles en la presente invención: generadores sincrónicos de imán permanente, generadores sincrónicos de rotor bobinado y máquinas de inducción de jaula de ardilla.
Un primer extremo de cada bobinado está conectado a un primer nodo de salida (H2a) de un puente H desde la segunda serie (H2) de puentes H. A su vez, un segundo extremo de dicho bobinado está conectado a un segundo nodo de entrada (H2b) de dicho puente H desde la segunda serie
(H2) de puentes H.
La segunda serie (H2) de puentes H está dispuesta en paralelo. Todas las salidas desde dicha segunda serie (H2) de puentes H están conectadas a un enlace de CC común, que constituye preferiblemente un único bus de C. El enlace de CC común está construido como uno o más condensadores o acumuladores en paralelo y funcionan como un colector o almacenamiento de potencia y energía.
A su vez, dicho enlace de CC común está conectado en paralelo con una primera serie (Hl) de puentes. Dicha primera serie tiene m puentes, siendo m un número natural.
Cada puente H de dicha primera serie (Hl) tiene un primer nodo de salida conectado a un primer extremo de cada bobinado en el lado primario de un transformador (T) y un segundo nodo de salida conectado a un segundo extremo de dicho bobinado desde el lado primario de dicho transformador (T).
La conexión entre el primer y segundo nodos de salida desde cada puente H y los extremos de los cableados puede hacerse directamente o mediante la intermediación de filtros de red (Filtro de Red L)
El lado primario del transformador tiene una configuración de bobinado abierto. El primer extremo de cada bobinado (wla, w2a, w3a) está conectado al primer nodo de salida (Hla) desde la primera serie (Hl) de puentes, mientras que el segundo extremo de cada bobinado está conectado al segundo nodo (lb, 2b, 3b) desde dicho puente H correspondiente desde la primera serie (Hl).
Unos
medios de control están dispuestos para
controlar
el estado de la operación de activación y
desactivación
presente en los puentes H. Dichos
conmutadores
están hechos típicamente de un tipo
semiconductor
tal como IGBTs, IGCTs, GTOs, tiristores y
similares.
El número de niveles de tensión entre fases en la presente realización es tres, concretamente +Udc, -Udc, O. Dichas tensiones aparecen entre el primer y segundo extremos de cada bobinado. La topología de tres niveles consigue el efecto inesperado de ser extremadamente eficiente cuando se mitiga el número y la intensidad de harmónicos no deseados (THD) e incluso se consigue una construcción simple del circuito electrónico y del sistema de control.
Hay tres puentes H dispuestos en paralelo en la figura 3. Esta realización es particularmente simple cuando transporta energía a la red eléctrica a través de un transformador de tres fases.
La potencia nominal para dicha realización varía entre 0,5 MVA y 20 MVA. Los semiconductores IGBTs son la opción preferida para los conmutadores de los puentes H. Los conmutadores se activan mediante los medios de control a un rango de frecuencia operativa entre 0,1 KHz y 10 KHz, dependiendo del tipo de semiconductor y su tensión de trabajo.
El valor de la tensión rms para la línea varía entre 400 voltios y 4350 voltios. El valor de la tensión de CC del enlace común tiene igualmente un rango operativo entre 400 voltios y 4350 voltios.
Cuando se aplica a una aplicación de turbina
eólica, el sistema puede implementarse en media tensión (MV). Entonces consigue la ventaja de requerir menos corriente, comparada con la utilizada para sistemas de baj a tensión (LV).
La figura 3 muestra la aplicación de la topología de puentes H de múltiples niveles a un sistema fotovoltaico. En este caso, la fuente de energía está construida como uno o más paneles solares fotovoltaicos. Dichos paneles están preferiblemente amontonados entre sí en una configuración de conexión en serie para conseguir una diferencia de tensión. Los paneles fotovoltaicos están conectados a un enlace de CC común, normalmente un único bus de CC. Dicha fase de enlace de CC común se puede disponer como un único condensador capaz de acumular la energía eléctrica desde los paneles solares o como una pluralidad de acumuladores o condensadores distribuidos conectados en paralelo a través del único bus de CC.
El enlace de CC común está conectado en paralelo a un número n de puentes H. Cada puente H tiene un primer nodo (Hla) conectado a un primer extremo de cada bobinado en el lado primario del transformador y un segundo nodo
(Hlb) conectado al segundo extremo de cada bobinado.
La conexión entre los nodos de cada puente H y los extremos de los cableados se puede hacer directamente o mediante la intermediación de filtros de red (L) .
El lado primario del transformador tiene una configuración de bobinado abierto. El primer extremo de cada bobinado está conectado al primer nodo (Hla) del puente H correspondiente, mientras que el segundo extremo de cada bobinado está conectado al segundo nodo (H2b) de dicho puente correspondiente.
Unos medios de control están dispuestos para
controlar el estado de la operación de activación y desactivación presente en los puentes H. Dichos conmutadores están hechos típicamente de tipo semiconductor tal como IGBTs, IGCTs, GTOs, tiristores y similares.
El número de niveles de tensión en la presente realización es tres, concretamente +Udc, -Udc, O. Dichas
tensiones aparecen entre el primer y segundo extremos de
cada bobinado.
Hay
tres puentes H dispu estos en paralelo en la
figura
3. Esta realización es particularmente simple
cuando
se transporta energía a la red a través de un
transformador de
tres fases.
La potencia nominal para dicha realización varía entre 0,5 MVA y 20 MVA. Los semiconductores IGBTs son la opción preferida para los conmutadores de los puentes H. Los conmutadores se accionan mediante unos medios de control en un rango de frecuencia operativa entre 0,1 KHz y 10 KHz dependiendo del tipo de semiconductor y de la tensión de trabajo.
El valor de la tensión rms para la línea varía entre 400 voltios y 4350 voltios. El valor de la tensión de CC del enlace común tiene igualmente un rango operativo entre 400 voltios y 4350 voltios.
Otra ventaja de la presente invención, especialmente a partir de la realización en la figura 3, es que el nivel de tensión del enlace de CC común no se requiere que sea mayor del conseguido en la línea de tensión de CA de salida. Esta topología permite entonces un nivel de tensión de enlace de CC común relativamente bajo.
La figura 4 muestra otra realización relativa a un inversor para aplicaciones statcom. La energía reactiva de la red se puede capturar en dichos inversores y se puede reutilizar en la red.
En esta realización, la red está conectada al lado
primario de un transformador (T) , típicamente con cableados que tienen una configuración de delta o de
estrella. El lado secundario de dicho transformador (T) tiene un número m de cableados en una configuración de extremo abierto. Cada primer y segundo extremo de dichos cableados está conectado a un respectivo primer nodo (H1a) condensador o acumulador de energía. Unos medios de control, no representados en la figura 4, controlan los eventos de apertura y cierre para almacenar energía de la red y/o proporciona dicha energía de vuelta a la red o a la línea de distribución de red. Así, el funcionamiento del inversor es doble, donde la energía se almacena y la energía se suministra. En resumen, puede actuar como depósito de energía reactiva y como fuente de energía reactiva.
y
un segundo nodo (Hlb) de una primera serie (Hl) de m
puentes
H.
Dicha
primera serie (Hl) de puentes H está
conectada
en paralelo a un enlace de CC común como un
La figura 5 muestra una realización no limitativa de una arquitectura de control para un conversor de energía conectado en oposición de tres niveles. Los sistemas de control pueden tener preferiblemente variables de entrada y variables medidas como la velocidad angular del generador, el nivel de tensión de CC en el bus de CC, los tres niveles de corriente y tensión de salida del conversor, y las mediciones de corriente y tensión de la red.
Los conmutadores de la primera serie (Hl) y de la segunda serie (H2) de puentes H están controlados. Un esquema de control puede utilizar técnicas de modulado por pulsos. Tal como se ha mencionado anteriormente, esta disposición es particularmente simple si se utilizan tensiones de tres niveles. Los harmónicos se reducen en gran medida, mientras que el hardware no necesita sufrir ningún rediseño importante.

Claims (10)

  1. REIVINDICACIONES
    1.
    Disposición de elementos de tensión de
    móltiples
    niveles que tiene un transformador (T) y un
    convertidor
    o inversor de energía, que comprende:
    por
    lo menos un enlace de CC comón (enlace CC) que
    se puede conectar directa o indirectamente a una fuente de energía (PS, gen, red),
    una primera serie (H1) de puentes H que comprende por lo menos un puente H que está conectado a dicho enlace de CC común, en la que
    cada uno de dichos puentes H comprende por lo menos un primer nodo (H1a) y un segundo nodo (H1b),
    caracterizada por el hecho de que
    por lo menos un transformador (T) que comprende un lado primario que tiene por lo menos un bobinado con un primer extremo y un segundo extremo en una configuración accesible desde el exterior del transformador (T), que tiene
    el primer extremo de dicho bobinado conectado al primer nodo de dicho puente H, y que tiene el segundo extremo de dicho bobinado conectado a dicho segundo nodo de salida, y que tiene
    medios de control configurados para controlar dichos puentes H para conseguir una señal de tensión de múltiples niveles entre el primer nodo (H1a) y el segundo nodo (H1b) de dichos puentes H.
  2. 2. Disposición de elementos de tensión según la reivindicación 1, en la que dichos medios de control están configurados para conseguir una salida de tensión de tres niveles (+Udc,
    -
    Udc, O) entre el primer nodo (H1a) y segundo nodo (H1b) de dicho puente H.
  3. 3. Disposición de elementos de tensión según las reivindicaciones 1 ó 2, en la que
    el enlace de CC comón está construido como un ónico bus de CC.
  4. 4. Disposición de elementos de tensión segón las reivindicaciones 1 ó 2, en la que
    dicho enlace de CC comón tiene entradas configuradas para conectarse a una fuente de energía de
    CC.
  5. 5. Disposición de elementos de tensión segón la reivindicación 4, en la que
    dicha fuente de energía de CC comprende una o más células solares.
  6. 6.
    Disposición de elementos de tensión segón las reivindicaciones 1 ó 2, que también tiene filtros inductivos (L) conectados entre el primer (H1a) y el segundo (H1b) nodos de dicha primera serie (H1) de puentes H y el primer y segundo extremos de dichos cableados del transformador.
  7. 7.
    Disposición de elementos de tensión segón las reivindicaciones 1 ó 2, que tiene una segunda serie (H2) de puentes H con primeros nodos (H2a) y segundos nodos
    (H2b) que se pueden conectar al primer y segundo extremos de los cableados correspondientes a un generador,
    estando dicha segunda serie (H2) de puentes H conectada a dicho enlace de CC comón para conseguir una configuración de conexión en oposición con dicha primera serie (H1) de puentes H.
  8. 8. Disposición de elementos de tensión segón la reivindicación 1 ó 2, en la que dicho transformador comprende un lado secundario, que comprende preferiblemente cableado en una configuración de delta o estrella, que se puede conectar directamente a una línea o red de distribución de energía.
  9. 9. Disposición de elementos de tensión segón la
    reivindicación 8, en la que dicho lado secundario de dicho transformador (T)
    está conectado a dicha red y está configurado para recibir energía del mismo, y dichos medios de control están configurados para almacenar dicha energía en condensadores o acumuladores 5 comprendidos en dicho enlace de ce común, y dichos medios de control están configurados para
    suministrar
    dicha energía almacenada de vuelta a dicha
    red.
  10. 10.
    Medios de control para un convertidor o
    10 inversor de
    energía, que comprende:
    una
    disposición de elementos de tensión según
    cualquiera de las reivindicaciones anteriores, y medios para medir el nivel de tensión en el enlace de ce común, y
    15 medios para medir niveles de corrientes y tensiones en las salidas de una primera serie (H1) de puentes H, en la que
    dichos medios de control para controlar el funcionamiento de los conmutadores de dicha primera serie
    20 de puentes H (H1) están configurados para basarse en dicho nivel de tensión medido en el enlace de ce común, y en niveles de corriente y tensión medidos en las salidas de dicha primera serie (H1) de puentes H.
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