ES2632890A1 - Un sistema de conversión de energía trifásica de media tensión para aplicaciones de lazo cerrado - Google Patents

Abstract

Un sistema de conversión de energía trifásica de media tensión para aplicaciones de lazo cerrado. El sistema (13) comprende un convertidor 3L-NPC (23) cuyo sistema de conmutación (27) se basa en patrones SHE-PWM. El sistema de regulación (25) del convertidor 3L-NPC (23) comprende un controlador (21) y un módulo de interfaz (29) entre el controlador (21) y el sistema de conmutación (27) que está configurado para suministrar al sistema de conmutación (27) muestras de referencias de tensión a una tasa L veces más rápida que la tasa de muestreo de referencias de tensión gestionada por el controlador (21).

Description

5 10 UN SISTEMA DE CONVERSiÓN DE ENERGíA TRIFÁSICA DE MEDIA TENSiÓN PARA APLICACIONES DE LAZO CERRADO CAMPO DE LA INVENCiÓN La invención se refiere a sistemas de conversión de energía para aplicaciones de lazo cerrado. ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN En la actualidad la tecnología electrónica disponible para convertidores de energía trifásica de media tensión (MT) (> 1.000 V) limita drásticamente la frecuencia de conmutación en comparación con el nivel de baja tensión (BT) y, por lo tanto, degrada la calidad de la energía. 15 Con el fin de optimizar la calidad de la energía con una frecuencia de conmutación mínima y cumplir con las normas existentes en convertidores de energía MT, la técnica anterior sugiere la combinación de filtros de alto orden, tecnologías de conversión multinivel y Eliminación Selectiva de Armónicos-Modulación por Ancho de Pulsos (SHE-PWM, iniciales de "Selective Harmonic Elimination -Pulse-Width Modulation"). 20 En particular, se considera que el convertidor diodo anclado de tres niveles (3L-NPC, iniciales de "3Level-Neutral Point Clamped"), donde los tres niveles de tensión se consiguen mediante un bus OC dividido en dos condensadores conectados en serie, es una topología adecuada para convertidores de energía MT. Aunque se conocen sistemas de conversión de energía MT para aplicaciones de lazo 25 abierto, la industria eléctrica demanda crecientemente sistemas de conversión de energía MT para aplicaciones de lazo cerrado. 30 Esta invención está dirigida a la atención de esa demanda. SUMARIO DE LA INVENCiÓN La invención proporciona un sistema de conversión de energía trifásica MT que comprende un convertidor 3L-NPC para el acoplamiento de un dispositivo de consumo de energía a una fuente de energía en modo de lazo cerrado. El sistema de conmutación del convertidor 3L-NPC está basado en patrones SHE-PWM para la optimización de la calidad de la energía con una frecuencia de conmutación mínima. El sistema de regulación del convertidor 3L-NPC comprende un controlador y un 5 módulo de interfaz entre el controlador y el sistema de conmutación que está configurado para suministrar al sistema de conmutación muestras de referencias de tensión a una tasa L-veces más rápida que la tasa de muestreo de referencias de tensión gestionada por el controlador. El controlador está configurado de acuerdo a un nuevo Modelo de Ecualización (EM, 10 iniciales de "Equalization Model") del convertidor 3L-NPC con los patrones SHE-PWM. Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de la descripción detallada que sigue de realizaciones ilustrativas de su objeto en relación con las figuras que se acompañan. 15 BREVE DESCRIPCiÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es un diagrama de bloques de un sistema de conversión de energía trifásica MT para el acoplamiento, en un modo de lazo cerrado, de un dispositivo de consumo de energía a una fuente de energía según la invención. 2 O La Figura 2 ilustra el principio de funcionamiento del módulo de interfaz de la invención. DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION El sistema de conversión de energía trifásica MT 13 de la invención comprende: 25 -Un dispositivo de consumo de energía 15 (tal como una red de suministro eléctrico o un motor); -Una fuente de energía 11 (tal como un aerogenerador o una red de suministro eléctrico ); -Un convertidor 3L-NPC 23 que tiene un sistema de regulación 25, comprendiendo un 30 controlador 21 y un módulo de interfaz 29, y un sistema de conmutación 27. El sistema de conmutación 27 se basa en patrones SHE-PWM para la optimización de la calidad de la energía con una frecuencia de conmutación mínima. En aplicaciones de lazo cerrado SHE-PWM se enfrenta a algunas dificultades técnicas que no están presentes en aplicaciones de lazo abierto. En primer lugar, la capacidad de cancelación de armónicos depende de la precisión de la conmutación y esto está fuertemente sujeto a la tasa de actuación del controlador 21. El aumento de la tasa de actuación en un sistema de lazo cerrado conduce a una mayor conversión analógica digital y una mayor tasa de ejecución. En general, los 5 recursos disponibles en la plataforma digital de control no permiten esta carga extra de computación. En el caso de aplicaciones de lazo abierto se obtiene la referencia de tensión directamente y no se necesita controlador, por lo que la carga de computación es inexistente. En segundo lugar, los dos condensadores OC del convertidor 3L-NPC 23 deben estar 10 cargados con tensiones similares, en otro caso cabe esperar un fallo prematuro del dispositivo de conmutación, un disparo del equipo y una degradación de la calidad de la energía. La naturaleza no lineal de SHE-PWM no permite la aplicación de técnicas de ecualización convencionales. Con el fin de romper el equilibrio entre la eliminación de armónicos y la gran carga de 15 computación, el sistema de conversión de energía 13 comprende un módulo de interfaz 29 entre el sistema de conmutación 27 y el controlador 21 que predice L-1 muestras de la referencia de tensión para cada muestra recibida del controlador 21. De esta manera se suministra al sistema de conmutación 27 una tasa de muestreo L-veces más rápida mientras que el controlador 21 sólo se ejecuta una vez. La carga de computación se 2 O alivia pues L veces y el rendimiento de eliminación de armónicos no sólo no se degrada sino que se mejora. La Figura 2 ilustra el principio de funcionamiento del módulo de interfaz 29 que ejecuta un algoritmo de predicción basado en información histórica en la que las L-1 muestras extra de la referencia de tensión se calculan a través de una extrapolación de un 25 número dado M de muestras anteriores suministradas por el controlador 21, siendo L y M números naturales. El valor máximo de L está limitado por la precisión de la predicción, que está directamente relacionada con la cancelación de armónicos. El valor máximo de M está limitado por la dinámica del sistema. En el lado izquierdo de la Figura 2 se muestran los valores de las referencias de tensión 30 de las M muestras suministradas por el controlador 21 al módulo de interfaz 29 en los tiempos (k-M+1)xTs, ... , (k-2)xTs, (k-1)xTs, kxTs, siendo k una variable de tiempo y Ts el intervalo de muestreo del controlador 21. En el lado derecho de la Figura 2 se muestran los valores de las referencias de tensión de las L-1 muestras predichas por el módulo de interfaz 29 para los intervalos de tiempo 35 que comienzan en los tiempos (k-1)xTs y kxTs (el instante actual) teniendo en cuenta, para cada intervalo de tiempo, la evolución de los valores de las referencia de tensión de las M muestras previas. Las L-1 muestras están distribuidas uniformemente a lo largo del intervalo de muestreo Ts del controlador. 5 El módulo de interfaz 29 también se ocupa del no deseado fenómeno de "imaging", común en los procesos de sobre-muestreo, y su influencia sobre la regulación está totalmente modelada con el fin de garantizar el correcto funcionamiento. El módulo de interfaz 29 permite trabajar con tasas de muestreo casi analógicas en el sistema de conmutación 27 mientras la rutina de control se ejecuta en el controlador 21 10 con una tasa convencional, por lo que es suficiente una tarjeta de control digital típica. De esta manera la capacidad de cancelación de armónicos alcanza el máximo impuesto por el convertidor 3L-NPC 23 y, de hecho, se optimiza la calidad de la energía con frecuencias de conmutación bajas. En cuanto a la igualación de las tensiones de los condensadores OC del convertidor 3L-15 NPC 23 que tiene un sistema de conmutación 27 basado en patrones SHE-PWM, el controlador 21 está configurado según el enfoque del modelo de ecualización (EM). El EM se construye mediante el estudio de la inyección y la retroalimentación de la Secuencia Negativa de Segundo Orden (SONS, de "Second Order Negative Sequence"). Una corriente SONS es inyectada naturalmente por el convertidor 3L-NPC 2 O 23 en sí mismo cada vez que se produce un desequilibrio de tensión. El controlador 21 lo detecta e inserta una tensión SON S que modifica la corriente previa. La iteración de la corriente SONS con los patrones de conmutación SHE-PWM tiene un impacto directo sobre la diferencia de tensión entre los condensadores OC. Con la ayuda del EM es posible configurar el controlador 21 para asegurar una igualación estable, aumentar la 25 dinámica del proceso y controlar la inyección transitoria de secuencias adicionales. La invención es aplicable a sistemas de generación de energía distribuida basados en Media Tensión y otros campos como minería, bombas o motores MT. La principal ventaja de la invención es que no sólo hace posible el uso de un sistema de conmutación 27 basado en patrones SHE-PWM con un convertidor de 3L-NPC 23 en 30 aplicaciones de lazo cerrado, sino que también lleva su rendimiento al límite óptimo. Por consiguiente, el sistema de conversión de energía 13 propuesto es altamente competitivo en términos de eficacia y costes. Aunque se ha descrito la presente invención en conexión con varias realizaciones, puede apreciarse a partir de la descripción que pueden hacerse varias combinaciones de elementos, variaciones o mejoras en ellas y que están dentro del alcance de la invención definido en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES 1. Un sistema de conversión de energía trifásica de media tensión (13) para el acoplamiento de un dispositivo de consumo de energía (15) a una fuente de 5 alimentación (11) en un modo de lazo cerrado, a través de un convertidor 3L-NPC (23) que tiene un sistema de regulación (25) con un controlador (21) y un sistema de conmutación (27), caracterizado porque: -el sistema de conmutación (27) está basado en patrones SHE-PWM; -el sistema de regulación (25) también comprende un módulo de interfaz (29) entre el 10 controlador (21) y el sistema de conmutación (27) que está configurado para suministrar al sistema de conmutación (27) muestras de referencias de tensión a una tasa L veces más rápida que la tasa de muestreo de referencias de tensión gestionada por el controlador (21). 15 2. Un sistema de conversión de energía trifásica de media tensión (13) según la reivindicación 1, en el que el módulo de interfaz (29) suministra al sistema de conmutación (27) L-1 muestras por cada muestra de referencia de tensión recibida desde el controlador (21) que se generan de acuerdo con un modelo predictivo basado en información histórica. 20 25 3. Un sistema de conversión de energía trifásica de media tensión según la reivindicación 2, en el que dicho modelo predictivo para cada conjunto de L-1 muestras está basado en los valores de un número dado M de muestras previas recibidas desde el controlador (21). 4. Un sistema de conversión de energía trifásica de media tensión (13) según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que el controlador (21) está configurado según un enfoque EM para la inyección de una corriente SONS en el convertidor 3L-NPC (23) cuando la tensión de sus dos condensadores DC no está equilibrada de 30 forma iterativa hasta que se equilibren.