ES2643896T3 - Producción de un equilibrio de potencia activa de los módulos de fase de un convertidor - Google Patents
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Abstract
Dispositivo (1) para convertir una corriente eléctrica con al menos un módulo de fase (2a,2b,2c) que presenta una conexión de tensión alterna (31,32,33) y al menos una conexión de tensión continua (p, n), donde entre cada conexión de tensión continua (p, n) y cada conexión de tensión alterna (31,32,33) se encuentra conformada una derivación del módulo de fase (6p1,6p2,6p3,6n1,6n2,6n3), y donde cada derivación del módulo de fase (6p1,6p2,6p3,6n1,6n2,6n3) dispone de un circuito en serie compuesto por submódulos (7), los cuales respectivamente presentan un acumulador de energía (8) y al menos un semiconductor de potencia (T1,T2), con sensores del submódulo para detectar una energía almacenada en el acumulador de energía (8) obteniendo valores de energía del acumulador de energía, y con medios de regulación (9) para regular el dispositivo (1) en función de los valores de energía del acumulador de energía y de valores objetivo predeterminados, caracterizado porque los medios de regulación (9) presentan una unidad de adición para sumar los valores de energía del acumulador de energía (Uc) obteniendo valores reales de energía de derivación (UcΣp1,...,UcΣn3) y medios para calcular valores objetivo de corriente de circulación (Dvb,Dhgl,Dhge) en función de los valores reales de energía de derivación (UcΣp1,...,UcΣn3), donde los medios de regulación (9) están diseñados para compensar asimetrías en los valores reales de energía de derivación (UcΣp1,...,UcΣn3) en función de los valores objetivo de corriente de circulación (Dvb,Dhgl,Dhge).
Description
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DESCRIPCION
Produccion de un equilibrio de potencia activa de los modulos de fase de un convertidor
La presente invencion hace referencia a un dispositivo para convertir una corriente electrica segun la reivindicacion 1. La invencion hace referencia ademas a un metodo para convertir una corriente mediante un convertidor segun la reivindicacion 10.
En las reivindicaciones dependientes se definen formas de ejecucion ventajosas Un dispositivo de esa clase y un metodo de esa clase se conocen por ejemplo por la contribution de A. Lesnicar y R. Marquardt "An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for a Wide Power Range", la cual fue presentada en Powertech 2003. Se describe all! un convertidor que se proporciona para una conexion en una red de tension alterna. El convertidor, para cada fase de la red de tension alterna que debe ser conectada al mismo, presenta un modulo de fase, donde cada modulo de fase dispone de una conexion de tension alterna, as! como de dos conexiones de tension continua. Entre cada conexion de tension continua y la conexion de tension alterna se extienden derivaciones del modulo de fase, de manera que se proporciona un circuito en puente de 6 pulsos. Las derivaciones del modulo se componen de un circuito en serie de submodulos, los cuales se componen respectivamente de dos semiconductores de potencia que pueden ser desconectados, a los cuales se encuentran conectados paralelamente diodos libres respectivamente en sentido opuesto. Los semiconductores de potencia que pueden ser desconectados y los diodos libres estan conectados en serie, donde un condensador se proporciona paralelamente con respecto al circuito en serie mencionado. Los componentes mencionados de los submodulos estan conectados unos con otros, de manera que en la salida bipolar de cada submodulo la tension del condensador o la tension descienden a cero.
El control de los semiconductores de potencia que pueden ser desconectados tiene lugar mediante la as! llamada modulation por ancho de pulsos. Los medios de regulation para controlar los semiconductores de potencia presentan sensores de medicion para detectar corrientes, obteniendo valores de corriente. Los valores de corriente son suministrados a una unidad de control que presenta una interfaz de entrada y una interfaz de salida. Entre la interfaz de entrada y la interfaz de salida se proporciona un modulador, por tanto, una rutina de software. Entre otras cosas, el modulador presenta una unidad de selection, as! como un generador de ancho del pulso. El generador de ancho del pulso genera las senales de control para los submodulos individuales. Los semiconductores de potencia que pueden ser desconectados, a traves de las senales de control generadas por el generador del ancho de pulso, pasan desde una position de paso, en la cual un flujo de corriente es posibilitado mediante los semiconductores de potencia que pueden ser desconectados, a una posicion de bloqueo en la cual un flujo de corriente es interrumpido mediante los semiconductores de potencia que pueden ser desconectados. De este modo, cada submodulo presenta un sensor del submodulo para detectar una tension que desciende en el condensador.
Otras contribuciones con respecto al procedimiento de control para una as! llamada topologla del convertidor multi - nivel son conocidas por R. Marquardt, A. Lesnicar, J. Hildinger, "Modulares Stromrichterkonzept fur Netzkupplungsanwendung bei hohen Spannungen", presentadas en la conferencia especializada ETG en Bad Nauenheim, Alemania, en 2002, por A. Lesnicar, R. Marquardt, "A new modular voltage source inverter topology", EPE' 03 en Toulouse, Francia, en 2003 y por R. Marquardt, A. Lesnicar "New Concept for High Voltage - Modular Multilevel Converter", PESC 2004 Conferencia en Aquisgran, Alemania.
En la solicitud de patente alemana 10 2005 045 090.3, aun no publicada, se describe un metodo para controlar un convertidor polifasico con acumuladores de energla distribuidos. El dispositivo descrito presenta igualmente una topologla del convertidor multi -nivel con modulos de fase, los cuales disponen de una conexion de tension alterna dispuesta simetricamente en el centro de cada modulo de fase y de dos conexiones de tension continua. Cada modulo de fase esta compuesto por dos derivaciones del modulo de fase que se extienden entre la conexion de tension alterna y una de las conexiones de tension continua. Cada derivation del modulo de fases comprende a su vez un circuito en serie compuesto por submodulos, donde cada submodulo se compone de semiconductores de potencia que pueden ser desconectados y de diodos libres conectados de forma antiparalela a los mismos. Ademas, cada submodulo dispone de un condensador unipolar. Para regular los semiconductores de potencia se utilizan medios de regulacion que estan disenados tambien para regular corrientes de derivacion que circulan entre los modulos de fase. A traves del control de las corrientes de derivacion pueden atenuarse por ejemplo oscilaciones de la corriente y pueden evitarse puntos de funcionamiento con frecuencias de salida mas reducidas. Ademas, puede provocarse una carga regular de todos los semiconductores que pueden ser desconectados, as! como una simetrizacion de tensiones altamente asimetricas.
El dispositivo mencionado en la introduction presenta la desventaja de que la absorcion de potencia activa de una derivacion del modulo de fase no siempre corresponde precisamente a las perdidas. De este modo, puede producirse una distribucion asimetrica de la energla almacenada respectivamente en una derivacion del modulo de fase. Los condensadores de los submodulos, por lo tanto, son cargados con diferente intensidad, con la consecuencia de efectos secundarios no deseados.
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Por consiguiente, el objeto de la presente invencion consiste en proporcionar un dispositivo y un metodo de la clase antes mencionada, con el cual se evite una carga asimetrica de los acumuladores de energla de los submodulos.
La invencion alcanza dicho objeto tomando como base el dispositivo mencionado en la introduccion, de manera que los medios de regulacion presentan una unidad de adicion para sumar los valores de energla del acumulador de energla obteniendo valores reales de energla de derivation y medios para calcular valores objetivo de corriente de circulation Dvb, Dhgl, Dhge en funcion de los valores reales de energla de derivacion, donde los medios de regulacion estan disenados para compensar asimetrlas en los valores reales de energla de derivacion, en funcion de los valores objetivo de corriente de circulacion Dvb, Dhgl, Dhge.
En base al metodo mencionado en la introduccion, la invencion alcanza el objeto gracias a que se detecta la energla almacenada en cada acumulador de energla, obteniendo un valor de energla del acumulador de energla, a que son sumados todos los valores de energla del acumulador de energla de una derivacion del modulo de fase, obteniendo valores reales de energla de derivacion y en funcion de los valores reales de energla de derivacion son determinados valores objetivo de circulacion de corriente, donde en funcion de los valores objetivo de corriente de circulacion son generadas corrientes de circulacion en los modulos de fase, para compensar asimetrlas.
En el marco de la invencion, los medios de regulacion estan disenados para compensar asimetrlas en cuanto a la energla electrica almacenada en los submodulos. Para ello se determina primero la energla acumulada en todos los acumuladores de energla para cada derivacion del modulo de fase. Lo mencionado tiene lugar a traves de la adicion de valores de energla del acumulador de energla, los cuales corresponden respectivamente a una energla almacenada en el acumulador de energla de un submodulo. A partir de la suma de los valores de energla del acumulador de energla resultan valores reales de energla de derivacion que corresponden a una suma de las energlas de todos los acumuladores de energla de una derivacion del modulo de fase. A traves de la comparacion de los valores reales de energla de derivacion, en el marco de la invencion, se determina una asimetrla. Para compensar la asimetrla, por ultimo, son generadas corrientes de circulacion mediante una regulacion. Para ello se utilizan los valores objetivo de la corriente de circulacion Dvb, Dhgl, Dhge, los cuales son determinados en funcion de la diferencia de los valores reales de energla de derivacion. Finalmente, los valores objetivo de la corriente de circulacion son suministrados a los medios de regulacion, los cuales, en base a los valores objetivo de la corriente de circulacion Dvb, Dhgl, Dhge, generan corrientes de circulacion necesarias para compensar las asimetrlas. Se procura de este modo una carga simetrica de los submodulos.
Como valor de energla del acumulador de energla de un submodulo se utiliza por ejemplo un valor de tension del acumulador de energla, el cual es obtenido a traves de la medicion de la tension descendente en el acumulador de energla. A diferencia de ello, el cuadrado del valor de tension del acumulador de energla sirve como valor de energla del acumulador de energla. En el marco de la invencion puede utilizarse en principio cualquier valor que pueda servir como medida para la energla acumulada en el respectivo acumulador de energla.
El acumulador de energla de un submodulo, en el marco de la invencion, puede estar compuesto tambien por varios acumuladores de energla secundaria. El valor de energla del acumulador de energla es entonces la suma de los valores de energla de los acumuladores de energla secundaria.
De manera conveniente, los medios de regulacion comprenden un regulador en cuya entrada se encuentran presentes los valores objetivo de la corriente de circulacion Dvb, Dhgl, Dhge y en cuya salida son captados valores objetivo de la tension de circulacion. El regulador es por ejemplo un regulador proporcional. Los medios de regulacion comprenden ademas una unidad de regulacion de corriente que combina unos con otros de forma lineal diferentes valores objetivo de tension, incluyendo los valores objetivo de la tension de circulacion, es decir a traves de adicion y de la formation de diferencias. El resultado de esa combination lineal de valores objetivo de tension son valores objetivo de la tension de derivacion, los cuales se encuentran asociados respectivamente a una derivacion del modulo de fase. El valor o los valores objetivo de tension de derivacion son suministrados a unidades de activation, las cuales igualmente se encuentran asociadas a una derivacion del modulo de fase.
De manera ventajosa, el dispositivo de acuerdo con la invencion presenta una conexion de tension continua positiva y una conexion de tension continua negativa, donde medios de adicion suman los valores reales de energla de derivacion de las derivaciones del modulo de fase, las cuales se encuentran conectadas a la conexion de tension continua positiva, para formar una suma de derivacion positiva, y los valores reales de energla de derivacion de las derivaciones del modulo de fase, las cuales se encuentran conectadas con la conexion de tension continua negativa, para formar una suma de derivacion negativa, y presenta medios de diferencia que forman la diferencia a partir de las sumas de derivacion positiva y negativa, obteniendo un valor objetivo de corriente de circulacion vertical para compensar una asimetrla vertical. Una asimetrla vertical existe cuando las derivaciones del modulo de fase que se encuentran conectadas a la conexion de tension continua positiva han absorbido mas o menos energla que las derivaciones del modulo de fase que se encuentran conectadas a la conexion de tension continua negativa. Por lo tanto, una asimetrla vertical puede determinarse a traves de la comparacion de los valores reales de energla de derivacion, donde la suma de derivacion de las derivaciones del modulo de fase que estan conectadas a la conexion
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de tension continua positiva es restada de la suma de derivacion de las derivaciones del modulo de fase, la cual se encuentra conectada a la conexion de tension continua negativa. La diferencia resultante representa una medida para la asimetria vertical, de manera que de ese modo puede deducirse un valor objetivo para la regulacion, para compensar la asimetria vertical.
De acuerdo con un perfeccionamiento conveniente a este respecto, el dispositivo de acuerdo con la invencion presenta medios para generar una tension objetivo del sistema directo Uvb1,2,3, frecuente de la red, en funcion del valor objetivo de la corriente de circulacion vertical Dvb, para compensar la asimetria vertical. La tension objetivo del sistema directo Uvb1,2,3; frecuente de la red, hace referencia a la relacion de fase de la tension alterna polifasica de la red conectada. En el caso de un sistema directo, frecuente de la red, en la representacion indicadora, la tension generada rota en la misma direction de rotation que los indicadores de la tension alterna de la red conectada. Se establece la conexion de la tension objetivo del sistema directo, del modo antes descrito, a traves de los medios de regulacion, hacia otros valores objetivo de tension.
A diferencia de ello, pueden proporcionarse medios para generar una tension asimetrica Uasym en funcion de los valores objetivo de la corriente de circulacion Dvb, para compensar la asimetria vertical. Los medios de esa clase para generar una tension de asimetria son por ejemplo reguladores simples, en cuya entrada se encuentran presentes los valores objetivo de la corriente de circulacion, donde en la salida del regulador puede obtenerse la tension de asimetria Uasym. El regulador se trata por ejemplo de un regulador proporcional simple.
De manera ventajosa se proporcionan medios para verificar una asimetria horizontal en el mismo sentido, donde los medios mencionados generan valores objetivo de la corriente de circulacion Dhgl en funcion de de la asimetria horizontal en el mismo sentido verificada. Junto con una asimetria vertical son posibles tambien asimetrias horizontales, a saber, cuando los valores reales de energia de derivacion de las derivaciones del modulo de fase, que se encuentran conectadas a la conexion de tension continua positiva, son de un tamano diferente. Lo mencionado aplica de forma correspondiente para los valores reales de energia de derivacion de las derivaciones del modulo de fase, las cuales se encuentran conectadas a la conexion de tension continua negativa. Una asimetria horizontal en el mismo sentido se encuentra presente cuando la asimetria entre las derivaciones del modulo de fase positivas es igual a la asimetria entre las derivaciones del modulo de fase negativas. En cambio, una asimetria horizontal en el sentido opuesto se produce cuando la asimetria entre las derivaciones del modulo de fase positivas es inversa con respecto a la asimetria entre las derivaciones del modulo de fase negativas.
De manera ventajosa, el dispositivo de acuerdo con la invencion presenta medios para verificar una asimetria horizontal en el mismo sentido, donde los medios mencionados generan valores objetivo de la corriente de circulacion Dhgl en funcion de de la asimetria horizontal en el mismo sentido verificada.
De acuerdo con un perfeccionamiento conveniente a este respecto se proporcionan medios para generar valores objetivo de la tension de circulacion uhgl, los cuales se encuentran asociados respectivamente a un modulo de fase. Los valores objetivo de la tension de circulacion uhgl son conectados por los medios de regulacion, a otros valores objetivo de tension.
De manera ventajosa, en el marco de la invencion, se proporcionan medios para verificar una asimetria horizontal en el sentido opuesto, donde los medios mencionados generan valores objetivo de la corriente de circulacion Dhge en funcion de la asimetria horizontal en el sentido opuesto verificada.
De acuerdo con un perfeccionamiento conveniente a este respecto se proporcionan medios para generar un sistema de tension inversa ughe, frecuente de la red, en funcion de la asimetria horizontal en el sentido opuesto verificada. El sistema de tension inversa, frecuente de la red, se caracteriza por una tension, cuyo indicador, en el modelo indicador, rota en contra de la direccion de la red de tension alterna.
De acuerdo con otro ejemplo de ejecucion se proporcionan medios para la compensation simultanea de asimetrias verticales y horizontales en el sentido opuesto.
De acuerdo con un perfeccionamiento conveniente del metodo segun la invencion son sumados los valores reales de energia de derivacion de todos los modulos de fase que se encuentran conectados a una conexion de tension continua positiva, obteniendo una suma total positiva y son sumados los valores reales de energia de derivacion de todas las derivaciones del modulo de fase que se encuentran conectadas a una conexion de tension continua negativa, obteniendo una suma total negativa, donde la diferencia entre la suma total positiva y la suma total negativa se forma mediante la obtencion de un valor objetivo de corriente de circulacion vertical Dvb. De esa manera puede determinarse una asimetria vertical y esta puede ser cuantificada con la ayuda del valor objetivo de la corriente de circulacion.
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De manera ventajosa, partiendo del valor objetivo de la corriente de circulacion vertical es generada una tension objetivo del sistema directo, frecuente de la red. De manera ventajosa, el valor objetivo de corriente continua se incluye como amplitud de una funcion periodica.
A diferencia de ello, partiendo del valor objetivo de corriente de circulacion vertical Dvb, mediante un regulador proporcional, se genera una tension objetivo de asimetrla.
La determinacion de una asimetrla horizontal en el mismo sentido, a modo de ejemplo, tiene lugar a traves de la formacion de los valores reales de energla de derivacion de todas las derivaciones del modulo de fase de un modulo de fase, obteniendo valores de adicion de energla del modulo de fase, a traves de la formacion del valor medio de todos los valores de adicion de energla del modulo de fase y a traves de la formacion de diferencias a partir del valor medio mencionado y de cada valor de adicion de energla del modulo de fase, obteniendo valores objetivo de corriente de asimetrla horizontales en el mismo sentido.
De acuerdo con un perfeccionamiento conveniente a este respecto, a partir de los valores objetivo de corriente de asimetrla horizontales en el mismo sentido Dhgl, mediante un regulador, se forman valores objetivo de tension de circulacion, los cuales son conectados como tension objetivo por los medios de regulation, a otros valores objetivo de tension.
De acuerdo con otra variante de la invention, los valores reales de energla de derivacion de todas las derivaciones del modulo de fase de un modulo de fase son sustraldos unos de otros, obteniendo valores de diferencia de energla del modulo de fase, los cuales se encuentran respectivamente asociados a una fase. A continuation, el valor medio de los valores de diferencia de energla del modulo de fase se calcula sobre todas las fases y para cada fase se calcula la diferencia a partir del valor medio mencionado y del respectivo valor de diferencia de energla del modulo de fase, obteniendo valores objetivo de corriente de asimetrla horizontales en el sentido opuesto Dhgel, Dhge2, Dhge3.
Segun un perfeccionamiento a este respecto, a partir de los valores objetivo de corriente de asimetrla horizontales en el sentido opuesto Dhgel, Dhge2, Dhge3 se determina un sistema de tension inverso, frecuente de la red, uhgel, uhge2, uhge3
De manera ventajosa, se resta el valor real de energla de derivacion de una derivacion del modulo de fase que se encuentra conectada a una conexion de tension continua negativa, del valor real de energla de derivacion de la derivacion del modulo de fase del mismo modulo de fase, la cual se encuentra conectada a la conexion de tension continua positiva, obteniendo una diferencia del modulo de derivacion de fase, donde la diferencia del modulo de derivacion de fase se utiliza como amplitud de una funcion periodica que oscila con la frecuencia de la red y se encuentra asociada a un modulo de fase, donde las funciones periodicas de los otros modulos de fase respectivamente se encuentran desplazadas en cuanto a las fases, de manera que se forma una tension objetivo del sistema directo. La tension objetivo del sistema directo se conecta nuevamente a otros valores objetivo de la regulacion.
Otras variantes convenientes y ventajas son objeto de la siguiente description de ejemplos de ejecucion de la invencion, haciendo referencia a las figuras del dibujo, donde los mismos signos de referencia remiten a componentes que actuan del mismo modo, y donde
La figura 1 muestra un ejemplo de ejecucion de un dispositivo de acuerdo con la invencion, en una representation esquematica,
La figura 2 muestra una representacion alternativa de un submodulo de un dispositivo segun la figura 1,
La figura 3 ilustra un metodo para determinar una asimetrla vertical,
La figura 4 ilustra la generation de una tension del sistema directo, frecuente de la red,
La figura 5 ilustra la generacion de una tension de asimetrla,
La figura 6 ilustra la verification de una asimetrla horizontal en el mismo sentido,
La figura 7 ilustra la verificacion de una asimetrla vertical en el mismo sentido,
La figura 8 ilustra un metodo para generar tensiones de asimetrla,
La figura 9 representa un metodo para generar una tension del sistema inverso, frecuente de la red,
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La figura 10 representa medios para la compensation simultanea de asimetrlas verticales y horizontales en el sentido opuesto,
La figura 11 muestra la estructura de los medios de regulation del dispositivo segun la figura 1; y
La figura 12 ilustra la conexion de valores objetivo de la tension de circulation a otros valores objetivo de los medios de regulacion.
La figura 1 muestra un ejemplo de ejecucion del dispositivo 1 de acuerdo con la invention, el cual se compone de tres modulos de fase 2a, 2b y 2c. Cada modulo de fase 2a, 2b y 2c esta conectado a una llnea de tension continua positiva p, as! como a una llnea de tension continua negativa n, de manera que cada modulo de fase 2a, 2b, 2c presenta dos conexiones de tension continua. Ademas, para cada modulo de fase 2a, 2b y 2c se proporciona respectivamente una conexion de tension alterna 31, 32 y 33. Las conexiones de tension alterna 31, 32 y 33 estan conectadas a una red de tension alterna trifasica 5, mediante un transformador 4. En las fases de la red de tension alterna 5, las tensiones de fase U1, U2 y U3 descienden, donde circulan corrientes de la red In1, In2 y In3. La corriente de fase del lado de tension alterna de cada modulo de fase se indica con I1, I2 y I3. La corriente de tension continua es Id. Entre cada una de las conexiones de tension alterna 31, 32 o 33 y la llnea de tension continua positiva p se extienden derivaciones del modulo de fase 6p1, 6p2 y 6p3. Entre cada conexion de tension alterna 31, 32, 33 y la llnea de tension continua negativa n se encuentran conformadas las derivaciones del modulo de fase 6n1, 6n2 y 6n3. Cada derivation del modulo de fase 6p1, 6p2, 6p3, 6n1, 6n2 y 6n3 se compone de un circuito en serie formado por submodulos, no representados en detalle en la figura 1, y de una inductancia, la cual en la figura 1 se indica con LKr.
En la figura 2 se representa con mas precision el circuito en serie de los submodulos 7 y en particular la estructura de los submodulos, a traves de un diagrama de conexion electrico alternativo, donde en la figura 2 solo fue seleccionada la derivacion del modulo de fase 6p1. No obstante, el resto de las derivaciones del modulo de fase esta estructurado de forma identica. Puede observarse que cada submodulo 7 presenta dos semiconductores de potencia T1 y T2 conectados en serie, los cuales pueden ser desconectados. Los semiconductores de potencia que pueden ser desconectados son por ejemplo IGBTs, GTOs, IGCTs conocidos, o similares. Los mismos son conocidos por el experto, de manera que no es necesaria en este punto una explication detallada. A cada semiconductor de potencia que puede ser desconectado T1, T2 se encuentra conectado de forma antiparalela un diodo libre D1, D2. De forma paralela con respecto al circuito en serie de los semiconductores de potencia que pueden ser desconectados T1, T2; as! como de los diodos libres D1 y D2, se encuentra conectado un condensador 8 como acumulador de energla. Cada condensador 8 esta cargado de forma unipolar. En los bornes de conexion bipolares X1 y X2 de cada submodulo 7 pueden generarse ahora dos estados de tension. Si desde una unidad de activation 9 es generada por ejemplo una senal de activacion, con la cual el semiconductor de potencia que puede ser desconectado T1, T2 es cambiado a su position de paso, en donde se posibilita un flujo de corriente mediante los semiconductores de potencia T2, entonces en los bornes X1, X2 del submodulo 7 la tension desciende a cero. De este modo, el semiconductor de potencia que puede ser desconectado T1 se encuentra en su posicion de bloqueo, en donde un flujo de corriente es interrumpido mediante el semiconductor de potencia que puede ser desconectado T1. Esto impide la descarga del condensador 8. En cambio, si el semiconductor de potencia que puede ser desconectado T1 es cambiado a su posicion de paso, pero el semiconductor de potencia que puede ser desconectado T2 pasa a su posicion de bloqueo, entonces en los bornes X1, X2 del submodulo 7 se aplica la tension del condensador completa Uc.
El ejemplo de ejecucion del dispositivo de acuerdo con la invencion segun las figuras 1 y 2 se denomina tambien como el as! llamado convertidor multi - nivel. Un convertidor multi - nivel de esa clase es adecuado por ejemplo para accionar maquinas electricas, como por ejemplo motores o similares. Ademas, un convertidor multi - nivel de esa clase es adecuado tambien para una utilization en el area de la distribution y la transmision de energla. De este modo, el dispositivo de acuerdo con la invencion se utiliza por ejemplo como acoplamiento apretado, el cual se compone de dos convertidores conectados uno con otro del lado de tension continua, donde los convertidores respectivamente estan conectados a una red de tension alterna. Los acoplamientos apretados de esa clase se utilizan para el intercambio de energla entre dos redes de distribucion electrica, donde las redes de distribucion electrica presentan por ejemplo una frecuencia, una relation de fase, un tratamiento del punto neutro diferentes, o similares. Se consideran ademas aplicaciones en el area de la compensacion de potencia aparente, como los as! llamados FACTS (Flexible AC Transmission Systems/ sistemas de transmision CA flexibles). Con convertidores multi - nivel de esa clase es posible tambien la transmision de corriente continua de alta tension mas alla de tramos prolongados.
Para evitar una distribucion asimetrica de la energla en los submodulos 7, por tanto, en los condensadores 8 de los submodulos 7, en el marco de la invencion, se determina primero si se encuentran presentes asimetrlas.
De manera esquematica, la figura 3 ilustra un metodo para detectar una asimetrla vertical. Para ello, de cada derivacion del modulo de fase 6p1,...,6n3 son determinados primero los valores reales de energla de derivacion
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UcZp1,...,UcZn3. Lo mencionado tiene lugar a traves de la medicion de la tension Uc que desciende en el condensador 8 para cada submodulo 7. Tal como se muestra en la figura 2 a traves de la flecha que senala hacia la derecha, el valor de tension del condensador Uc detectado por el sensor de tension es transmitido a la unidad de evaluacion 9. La unidad de evaluacion 9 suma todos los valores de tension del condensador Uc de una derivacion del modulo de fase 6p1,...,6n3, formando valores de energla de derivacion UcZp1,...,UcZn3. No se considera relevante si se encuentra conectado el submodulo del circuito en serie y si proporciona o no un aporte. Para obtener una medida para la energla almacenada es posible tambien elevar al cuadrado la tension Uc que desciende en los condensadores formando Uc2, sumando a continuacion Uc2 a los valores reales de energla de derivacion.
Los valores reales de energla de derivacion corresponden aqul por tanto a valores reales de tension de derivacion UcZp1,...,UcZn3. Estos se transforman en valores intermedios a traves de un regulador proporcional 10, y los valores intermedios de las derivaciones del modulo de fase 6p1,6p2,6p3, que estan conectadas a la conexion de tension continua positiva p son sumados unos con otros. Se procede de forma correspondiente con los valores intermedios de las derivaciones del modulo de fase 6n1,6n2,6n3, las cuales estan conectadas con la conexion de tension continua negativa n. De este modo se produce una suma de derivacion positiva, as! como una suma de derivacion negativa, las cuales son sustraldas una de otra mediante el formador de diferencias 11, debido a lo cual se forma el valor objetivo de corriente de circulation Dvb para la compensation de una asimetrla vertical.
La figura 4 ilustra la generation de una tension objetivo del sistema directo, frecuente de la red. En primer lugar se forma tanto una funcion seno como una funcion coseno, con el argumento de wt agregando un desplazamiento de fases 5. w corresponde aqul a la frecuencia de la tension de la red conectada. La funcion seno, as! como la funcion coseno, se multiplican respectivamente por una amplitud que se forma a partir del valor objetivo de corriente de circulacion Dvb, utilizando un regulador proporcional 10. A traves de la transformation subsiguiente del espacio vectorial bidimensional al espacio tridimensional resulta la tension objetivo del sistema directo uvb1, uvb2 y uvb3, frecuente de la red. Esta se conecta a otras tensiones objetivo en una unidad de regulation de corriente.
Partiendo del valor objetivo Dvb formado segun la figura 3, en lugar de la generacion de una tension objetivo del sistema directo, frecuente de la red, es posible tambien la generacion de una tension de asimetrla Uasym. Para ello, tal como se muestra en la figura 5, el valor objetivo de corriente de circulacion Dvb se aplica en la entrada de un regulador 10, donde este se trata por ejemplo de un regulador proporcional. En la salida del regulador 10 puede ser detectada la tension de asimetrla Uasym.
La figura 6 ilustra la verification de una asimetrla horizontal en el mismo sentido. Para ello, los valores reales de energla de derivacion UcZp1,...,UcZn3 de las derivaciones del modulo de fase 6p1,...6n3 del mismo modulo de fase 2a,2b,2c se suman respectivamente a valores de adicion de energla del modulo de fase, donde los valores reales de energla de derivacion son aumentados previamente de forma proporcional a traves del regulador 10, formando valores intermedios. Para la adicion se utiliza un sumador 12. A partir de los valores de adicion de energla del modulo de fase en la salida del sumador 12 se forma el valor medio a traves del formador del valor medio 13 y de cada valor de adicion de energla del modulo de fase se sustrae una fase a traves del formador de diferencias 11. En la salida de cada formador de diferencias 11 pueden detectarse valores objetivo de corriente de circulacion verticales Dhgl 1, Dhgl2, Dhgl3 para cada fase.
La figura 7 muestra como puede ser verificada una asimetrla horizontal en el sentido opuesto. Para ello, los valores reales de energla de derivacion UcZp1,...,UcZn3 primero son aumentados nuevamente a traves de un regulador 10. A continuacion, a diferencia del metodo mostrado en la figura 6, se calcula la diferencia entre valores reales de energla de derivacion UcZp1,UcZn1 de las derivaciones del modulo de fase del mismo modulo de fase 2a,2b,2c. A partir de la diferencia se forma nuevamente el valor medio sobre las tres fases, donde el valor medio se sustrae de la diferencia mencionada. En la salida del segundo formador de diferencias 11 puede detectarse finalmente el valor objetivo de corriente de asimetrla horizontal en el sentido opuesto Dhge1, Dhge2 y Dhge3, para cada fase.
La figura 8 ilustra como a partir de los valores objetivo de corriente de circulacion Dghl1, Dghl2, Dhgl3, a traves de un regulador proporcional 10, son generados valores objetivo de tension de circulacion uhgl1, uhgl2 y uhgl3. Dichos valores objetivo de tension de circulacion, del modo antes descrito, son suministrados para la regulacion, de manera que se presentan las corrientes de circulacion deseadas para compensar las simetrlas.
La figura 9 ilustra la generacion de una tension del sistema directo, frecuente de la red, uhge1, uhge2 y uhge3. Partiendo de los valores objetivo de corriente de asimetrla horizontales en el sentido opuesto Dhge1, Dhge2 y Dhge3, los valores objetivo de corriente de asimetrla mencionados son transformados primero en el espacio vectorial bidimensional y a continuacion son aumentados proporcionalmente a traves de un regulador 10. Los valores objetivo de asimetrla aumentados se utilizan como amplitud de una funcion coseno y de una funcion seno negativa con el argumento wt y el desplazamiento de fases 5. Despues de la transformacion en el espacio tridimensional se obtiene la tension objetivo del sistema inverso, frecuente de la red, uhge1,ughe2,uhge3 para suministrarla a la unidad de regulacion de corriente y para conectarla a otros valores objetivo, para la regulacion.
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La figura 10 ilustra medios para la compensacion simultanea de asimetrlas verticales y asimetrlas horizontales en el sentido opuesto. Tal como se describe con relacion a la figura 7, en primer lugar valores reales de energla de derivacion UcZp1,...,UcZn3 de las derivaciones del modulo de fase 6p1,...6n3 de un modulo de fase comun son aumentados proporcionalmente a traves de un regulador 10, donde a continuacion en el formador de diferencias 11 se forma la diferencia. Paralelamente con respecto a ello se forman funciones coseno que dependen de la frecuencia de la red co y de la fase 5. Las funciones coseno formadas a modo de fases estan desplazadas en cuanto 2r
a sus fases en ^ unas con respecto a otras. Las funciones coseno formadas desplazadas en cuanto a sus fases son multiplicadas por la diferencia del modulo de derivacion de fase que resulta en la salida del formador de diferencias 11, como amplitud, de manera que resulta una tension objetivo del sistema directo uvb1, uvb2 y Uub3.
La figura 11 ilustra la estructura de los medios de regulation. Los medios de regulation comprenden una unidad de regulation de corriente 10, as! como unidades de activation 9p1, 9p2, 9p3 y 9n1, y 9n2 y 9n3. Cada una de las unidades de activacion se encuentra asociada a una derivacion del modulo de fase 6p1, 6p2, 6p3, 6n1, 6n2, as! como 6n3. La unidad de activacion 9p1 se encuentra conectada por ejemplo a cada submodulo 7 de la derivacion del modulo de fase 6p1, generando senales de control para los semiconductores de potencia que pueden ser desconectados T1, T2. En cada submodulo 7 se proporciona un sensor de tension del submodulo, el cual no se representa en la figura. El sensor de tension del submodulo se utiliza para detectar la tension del condensador que desciende en el condensador 8, como acumulador del energla del submodulo 7, obteniendo un valor de tension del condensador Uc. El valor de tension del condensador Uc se pone a disposition de la respectiva unidad de activacion, en este caso 9p1. De este modo, la unidad de activacion 9p1 obtiene los valores de tension del condensador de todos los submodulos 7 de la derivacion del modulo de fase 6p1 asociada a la misma, y los suma para obtener un valor real de energla de derivacion o, en este caso, un valor real de tension de derivacion UcZp1, el cual igualmente se encuentra asociado a la derivacion del modulo de fase 6p1. Dicho valor real de tension de derivacion UcZp1 es suministrado a la unidad de regulacion de corriente 10.
Ademas, la unidad de regulacion de corriente 10 esta conectada a diferentes sensores de medicion no representados en la figura. De este modo, transformadores de corriente dispuestos del lado de la tension alterna de los modulos de fase 2a, 2b, 2c se utilizan para generar y suministrar valores de medicion de corriente de fase I1, I2, I3 y transformadores de corriente dispuestos en cada modulo de fase se utilizan para generar y suministrar corrientes de derivacion del modulo de fase Izwg, as! como un transformador de corriente dispuesto en el circuito de tension continua del convertidor se utiliza para proporcionar valores de medicion de corriente continua Id. Los transformadores de tension de la red de corriente alterna proporcionan valores de medicion de tension de la red U1, U2, U3 y los transformadores de tension continua proporcionan valores de medicion de tension continua positiva positivos Udp y valores de medicion de tension continua negativos Udn, donde los valores de tension continua positivos Udp corresponden a una tension continua que desciende entre la conexion de tension continua positiva p y la tierra, y los valores de tension continua negativos Udn corresponden a una tension que desciende entre la conexion de tension continua negativa y la tierra.
A la unidad de regulacion de corriente 10 son suministrados ademas valores objetivo. En el ejemplo de ejecucion mostrado en la figura 11, a la unidad de regulacion 10 son suministrados un valor objetivo de corriente activa Ipref, as! como un valor objetivo de corriente reactiva Iqref. Ademas, un valor objetivo de tension continua Udref se aplica en la entrada de la unidad de regulacion de corriente 10. En lugar de un valor objetivo de tension continua Udref, en el marco de la invention es posible tambien la utilization de un valor objetivo de corriente continua Idref.
Los valores objetivo Ipref, Iqref y Udref, as! como los valores de medicion mencionados, interaction unos con otros utilizando diferentes reguladores, donde para cada unidad de activacion 9p1, 9p2, 9p3, 9n1, 9n2 y 9n3 es generado un valor objetivo de tension de derivacion Up1ref, Up2ref, Up3ref, Un1ref, Un2ref, Un3ref. Cada unidad de activacion 9 genera senales de control para los submodulos 7 asociados a la misma, de manera que la tension Up1, Up2, Up3, Un1, Un2, Un3 que se presenta en el circuito en serie de los submodulos corresponde lo mas posible al respectivo valor objetivo de tension de derivacion Up1ref, Up2ref, Up3ref, Un1ref, Un2ref, Un3ref.
La unidad de regulacion de corriente 10, a partir de sus valores de entrada, forma valores objetivo de tension de derivacion adecuados Up1ref, Up2ref, Up3ref, Un1ref, Un2ref, Un3ref.
La figura 12 muestra que por ejemplo el valor objetivo de tension de derivacion Upref es calculado a traves de la combination lineal de un valor objetivo de tension de fases de la red Unetz1, de un valor objetivo intermedio de tension de derivacion Uzwgp1, de un valor objetivo de tension continua Udc, de un valor objetivo de tension de simetrizacion Uasym y de un valor objetivo de tension de equilibrio Ubalp1. Esto tiene lugar para cada una de las derivaciones del modulo de fase 6p1, 6p2, 6p3, 6n1, 6n2, 6n3, independientemente una de otra. Con los valores objetivo intermedios de tension de derivacion Uzwg, en combinacion con las inductancias de derivacion reguladas, las corrientes de circulation pueden ser reguladas de forma selectiva. Tambien los valores objetivo de tension de equilibrio Ubal se utilizan para compensar asimetrlas en cuanto a la energla almacenada en las derivaciones del modulo de fase 6p1, 6p2, 6p3, 6n1, 6n2, 6n3.
Claims (18)
- 5101520253035404550REIVINDICACIONES1. Dispositivo (1) para convertir una corriente electrica con al menos un modulo de fase (2a,2b,2c) que presenta una conexion de tension alterna (31,32,33) y al menos una conexion de tension continua (p, n), donde entre cada conexion de tension continua (p, n) y cada conexion de tension alterna (31,32,33) se encuentra conformada una derivation del modulo de fase (6p1,6p2,6p3,6n1,6n2,6n3), y donde cada derivation del modulo de fase (6p1,6p2,6p3,6n1,6n2,6n3) dispone de un circuito en serie compuesto por submodulos (7), los cuales respectivamente presentan un acumulador de energla (8) y al menos un semiconductor de potencia (T1,T2), con sensores del submodulo para detectar una energla almacenada en el acumulador de energla (8) obteniendo valores de energla del acumulador de energla, y con medios de regulation (9) para regular el dispositivo (1) en funcion de los valores de energla del acumulador de energla y de valores objetivo predeterminados, caracterizado porque los medios de regulacion (9) presentan una unidad de adicion para sumar los valores de energla del acumulador de energla (Uc) obteniendo valores reales de energla de derivacion (UcZp1,...,UcZn3) y medios para calcular valores objetivo de corriente de circulation (Dvb,Dhgl,Dhge) en funcion de los valores reales de energla de derivacion (UcZp1,...,UcZn3), donde los medios de regulacion (9) estan disenados para compensar asimetrlas en los valores reales de energla de derivacion (UcZp1,...,UcZn3) en funcion de los valores objetivo de corriente de circulacion (Dvb,Dhgl,Dhge).
- 2. Dispositivo (1) segun la reivindicacion 1, caracterizado por una conexion de tension continua positiva y una conexion de tension continua negativa (p, n), donde medios de adicion suman los valores reales de energla de derivacion de las derivaciones del modulo de fase, las cuales se encuentran conectadas a la conexion de tension continua positiva (p), para formar una suma de derivacion positiva, y los valores reales de energla de derivacion de las derivaciones del modulo de fase, las cuales se encuentran conectadas con la conexion de tension continua negativa (n), para formar una suma de derivacion negativa, y por medios de diferencia (11) que forman la diferencia a partir de la suma de derivacion positiva y la suma de derivacion negativa obteniendo un valor objetivo de corriente de circulacion vertical (Dvb) para compensar una asimetrla vertical.
- 3. Dispositivo (1) segun la reivindicacion 2, caracterizado por medios para generar una tension objetivo del sistema directo (Uvb1, Uvb2, Uvb3), frecuente de la red, en funcion de la corriente objetivo de circulacion vertical (Dvb) para compensar la asimetrla vertical.
- 4. Dispositivo (1) segun la reivindicacion 2, caracterizado por medios para generar una tension de asimetrla (Uasym) en funcion de los valores objetivo de corriente de circulacion (Dvb) para compensar la asimetrla vertical.
- 5. Dispositivo (1) segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por medios para verificar una asimetrla horizontal en el mismo sentido, donde los medios mencionados presentan valores objetivo de corriente de circulacion (Dhg11, Dhg12, Dhg13) en funcion de la asimetrla horizontal en el mismo sentido verificada.
- 6. Dispositivo (1) segun la reivindicacion 5, caracterizado por medios para generar valores objetivo de tension de circulacion (uhg11, uhg12, uhg13) que se encuentran asociados respectivamente a un modulo de fase (2a,2b,2c).
- 7. Dispositivo (1) segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por medios para verificar una asimetrla horizontal en el sentido opuesto, donde los medios mencionados presentan valores objetivo de corriente de circulacion (Dhge1, Dhge2, Dhge3) en funcion de la asimetrla horizontal en el sentido opuesto verificada.
- 8. Dispositivo (1) segun la reivindicacion 7, caracterizado por medios para generar una tension de circulacion del sistema inverso (uhge1, uhge2, uhge3), frecuente de la red, en funcion de los valores objetivo de corriente de circulacion (Dhge1, Dhge2, Dhge3).
- 9. Dispositivo (1) segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por medios para la compensation simultanea de asimetrlas verticales y horizontales en el sentido opuesto.
- 10. Metodo para convertir una corriente mediante un convertidor (1) que presenta al menos un modulo de fase (2a,2b,2c) con al menos una conexion de tension continua (p, n) y una conexion de tension alterna (31,32,33), donde entre cada conexion de tension continua (p, n) y la conexion de tension alterna (31,32,33) se encuentra conformada una derivacion del modulo de fase (6p1,6p2,6p3,6n1,6n2,6n3), la cual dispone de un circuito en serie compuesto por submodulos (7), los cuales respectivamente presentan un acumulador de energla (8) y al menos un semiconductor de potencia (T1, T2), donde es detectada la energla almacenada en cada acumulador de energla (8), obteniendo un valor de energla del acumulador de energla (U, c), son sumados todos los valores de energla del acumulador de energla (U, c) de una derivacion del modulo de fases obteniendo valores reales de energla de derivacion (UcZp1,...,UcZn3) y en funcion de los valores reales de energla de derivacion (UcZp1,...,UcZn3) son determinados valores objetivo de corriente de circulacion, donde en funcion de los valores objetivo de corriente de circulacion son generadas corrientes de circulacion en los modulos de fase (2a,2b,2c) para compensar asimetrlas.510152025303540
- 11. Metodo segun la reivindicacion 10, caracterizado porque son sumados los valores reales de energla de derivation (UcZp1,UcZp2, UcZp3) de todos los modulos de fase que se encuentran conectados a una conexion de tension continua positiva (p), obteniendo una suma total positiva y son sumados los valores reales de energla de derivacion (UcZn1,UcZn2,UcZn3) de todas las derivaciones del modulo de fase que se encuentran conectadas a una conexion de tension continua negativa (n), obteniendo una suma total negativa, donde la diferencia entre la suma total positiva y la suma total negativa se forma mediante la obtencion de un valor objetivo de corriente de circulation vertical (Dvb).
- 12. Metodo segun la reivindicacion 11, caracterizado porque a partir del valor objetivo de corriente de circulacion vertical (Dvb) es generada una tension objetivo del sistema directo (Uvb1, Uvb2, Uvb3), frecuente de la red.
- 13. Metodo segun la reivindicacion 11, caracterizado porque a partir del valor objetivo de corriente de circulacion vertical (Dvb), mediante un regulador proporcional (10), es generada una tension objetivo de asimetrla (Uasym).
- 14. Metodo segun una de las reivindicaciones 10 a 13, caracterizado porque son sumados los valores reales de energla de derivacion (UcZp1,UcZn1) de todas las derivaciones de modulo de fase de un modulo de fase (2a,2c,2c) obteniendo valores de adicion de energla del modulo de fase que se encuentran asociados respectivamente a una fase, es calculado el valor medio de los valores de adicion de energla del modulo de fase sobre todas las fases y para cada fase se calcula la diferencia a partir del valor medio mencionado y del respectivo valor de adicion de energla del modulo de fase, obteniendo valores objetivo de corriente de asimetrla horizontales en el mismo sentido (Dhg11, Dhg12, Dhg13).
- 15. Metodo segun la reivindicacion 14, caracterizado porque valores objetivo de tension de circulacion (Uhg11, Uhg12, Dhg13) son formados a partir de los valores objetivo de corriente de asimetrla horizontales en el mismo sentido (Dhg11, Dhg12, Dhg13), mediante reguladores, los cuales se incluyen en la regulation como tension objetivo.
- 16. Dispositivo (1) segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque son restados unos de otros los valores reales de energla de derivacion (UcZp1,UcZn1) de todas las derivaciones de modulo de fase de un modulo de fase (2a,2c,2c) obteniendo valores de diferencia de energla del modulo de fase que se encuentran asociados respectivamente a una fase, es calculado el valor medio de los valores de diferencia de energla del modulo de fase sobre todas las fases y para cada fase se calcula la diferencia a partir del valor medio mencionado y del respectivo valor de diferencia de energla del modulo de fase, obteniendo valores objetivo de corriente de asimetrla horizontales en el sentido opuesto (Dhge1, Dhge2, Dhge3) .
- 17. Dispositivo (1) segun la reivindicacion 16, caracterizado porque un sistema de tension inversa (uhge1, uhge2, uhge3), frecuente de la red, es generado a partir de los valores objetivo de corriente de asimetrla horizontales en el sentido opuesto (Dhge1, Dhge2, Dhge3).
- 18. Metodo segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se resta el valor real de energla de derivacion UcZp1 de una derivacion del modulo de fase (6n1) que se encuentra conectada a una conexion de tension continua negativa (n), del valor real de energla de derivacion UcZp1 de la derivacion del modulo de fase (6p1) del mismo modulo de fase (2a), la cual se encuentra conectada a la conexion de tension continua positiva (p), obteniendo una diferencia del modulo de derivacion de fase, donde la diferencia del modulo de derivacion de fase se utiliza como amplitud de una funcion periodica que oscila con la frecuencia de la red y se encuentra asociada a un modulo de fase, donde las funciones periodicas de los otros modulos de fase respectivamente se encuentran desplazadas en cuanto a las fases, de manera que se forma una tension objetivo del sistema directo.
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