ES2834852T3 - Procedimiento, dispositivo y sistema de control distribuido de submódulos - Google Patents

Procedimiento, dispositivo y sistema de control distribuido de submódulos Download PDF

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ES2834852T3 ES15866788T ES15866788T ES2834852T3 ES 2834852 T3 ES2834852 T3 ES 2834852T3 ES 15866788 T ES15866788 T ES 15866788T ES 15866788 T ES15866788 T ES 15866788T ES 2834852 T3 ES2834852 T3 ES 2834852T3
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Abstract

Un procedimiento de control distribuido de submódulos, en el que todos los submódulos de cada brazo puente de una válvula convertidora son agrupados en M grupos, siendo M > 1, todos los submódulos comprenden submódulos defectuosos y submódulos normales, los submódulos respectivos en cada grupo son iguales o desiguales en número, los submódulos normales en cada grupo pueden cambiar dinámicamente en número, cada grupo corresponde a un controlador basado en válvulas, cada controlador basado en válvulas funciona por separado, un controlador de nivel superior entrega el número de submódulos de entrada al controlador basado en válvulas y administra uno o más brazos puente, y el número de submódulos de entrada se calcula de la siguiente manera: (1) encontrar, por cada controlador basado en válvulas, un voltaje promedio Ui de los submódulos normales administrados por el controlador basado en válvulas, contar el número**(Ver fórmula)** de los submódulos normales, y enviar el voltaje promedio y el número al controlador de nivel superior; (2) adquirir, por medio del controlador de nivel superior, una corriente de brazo puente Iarm y determinar una dirección; (3) resolver, por medio del controlador de nivel superior, una ponderación Bi de cada controlador basado en válvulas administrado de acuerdo con el voltaje promedio Ui de los submódulos normales administrados por cada controlador basado en válvulas, el número **(Ver fórmula)**de los submódulos normales, y la dirección de la corriente de brazo puente, en el que cuando la corriente de brazo puente está en una dirección de carga, **(Ver fórmula)** y cuando la corriente de brazo puente está en una dirección de descarga, , y **(Ver fórmula)** (4) calcular, por medio del controlador de nivel superior de acuerdo con el número total **(Ver fórmulade los submódulos a ingresar en un brazo puente correspondiente y la ponderación Bi de cada controlador basado en válvulas, el número **(Ver fórmula)**de los submódulos que están siendo ingresados en cada controlador basado en válvulas, en la que round es una función de redondeo.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento, dispositivo y sistema de control distribuido de submódulos
Antecedentes de la invención
Campo de la invención
La presente invención se refiere al campo de las tecnologías de la electrónica de potencia y, en particular, a un procedimiento, dispositivo y sistema de control distribuido de submódulos.
Descripción de la técnica relacionada
Con el desarrollo de las tecnologías de la electrónica de potencia, una tecnología de transmisión de potencia de corriente continua (CC) flexible basada en un convertidor modular multinivel gana una atención extremadamente amplia y es aplicada ampliamente. Para los brazos puente de esta topología, las unidades de operación básica están en cascada y es evitada la conexión en serie directa de una gran cantidad de elementos de conmutación, sin un problema tal como la consistencia de conducción, lo que reduce en gran medida las barreras técnicas de la transmisión de potencia de CC. Sin embargo, debido a que en dicha topología, la energía es dispersada y almacenada en los condensadores de los submódulos de los brazos puente, una de las dificultades de implementación es cómo implementar rápidamente un control equilibrado sobre los voltajes de los condensadores de los submódulos durante el funcionamiento.
En la actualidad, en una política de equilibrio de voltajes entre submódulos, generalmente es usado un procedimiento de secuenciación y activación de voltajes de los condensadores de los submódulos. Sin embargo, cuando hay un número excesivo de submódulos en los brazos puente, los gastos generales de tiempo invertidos en un algoritmo de secuenciación representan una gran proporción, y la tasa de carga de un controlador basado en válvulas es excesivamente alta y el número (el número de enlaces) de los submódulos debe crecer de manera correspondiente a medida que aumenta el nivel de voltaje, de forma que los gastos generales de tiempo empleados en el algoritmo de secuenciación aumentan exponencialmente.
Por otro lado, debido a que cada submódulo necesita comunicarse con el controlador basado en válvulas, el número de interfaces de comunicación entre los controladores basados en válvulas y los submódulos aumenta a medida que aumenta el número de enlaces. Sin embargo, la expansión del hardware puede dar como resultado un aumento sustancial en los costos y también en el período de desarrollo, lo que dificulta la expansión del controlador basado en válvulas.
La patente No. CN201210451946 propone un “Control Method for Grouping and Voltage Balancing of Submodules of Modular Multilevel Converted’ (“Procedimiento de Control para el Agrupamiento y Balanceo de Voltaje de Submódulos de Convertidor Modular Multinivel”. En esta invención, los submódulos son agrupados por igual, y es calculado un voltaje total de cada grupo y es calculado un factor de equilibrio energético de cada grupo, por lo que es calculado el número de submódulos a ser ingresados en cada grupo. Tal algoritmo requiere agrupar por igual los submódulos, sin considerar situaciones, tales como un fallo o una derivación que ocurre en los submódulos durante el funcionamiento, que conduce a un cambio dinámico en el número de submódulos normales. Además, el procedimiento en el cual es calculado el factor de equilibrio de energía de cada grupo por el uso del voltaje total de cada grupo en esta invención puede conducir a una divergencia de voltaje de submódulo cuando los submódulos normales en cada grupo difieren mucho en número, y probablemente puede dar como resultado que el número calculado de submódulos de entrada es mayor que el número de submódulos normales.
El documento US 2014/078797 A1 desvela que un inversor multinivel en cascada es controlado en la operación de derivación de fallos. En lugar de depender de aproximaciones o formas de retroalimentación, los voltajes de referencia son generados como una solución analítica. La solución analítica y su implementación no se ven afectadas por la frecuencia de salida del inversor y son capaces de proporcionar el máximo voltaje de línea a línea balanceado posible a un motor trifásico. Además, la solución analítica proporciona límites exactos para la región de operación permitida del factor de potencia del motor con el fin de evitar condiciones de sobretensión del inversor de celda.
ILVES KALLE ET. AL., “Predictive sorting algorithm for modular multilevel converters minimizing the spread in the submodule capacitor voltages” (“Algoritmo de clasificación predictiva para convertidores modulares multinivel que minimizan la dispersión en los voltajes del condensador del submódulo”), 2013 IEEE ECCE ASIA DOWNUNd Er , IEEE, doi:10.1109/ECCE-ASIA.2013.6579116, ISBN 978-1-4799-0483-9, (20130603), páginas 325 a 331, (20130813), Capítulo III, desvela una estrategia de equilibrio de voltaje de condensador en la que los submódulos son insertados y derivados de una manera que los voltajes de condensador son equilibrados cuando vce alcanza sus valores máximo y mínimo.
Por lo tanto, es necesario buscar una solución factible en la aplicación de ingeniería para reducir la tasa de carga del controlador basado en válvulas, mejorar la capacidad de expansión del controlador basado en válvulas y lograr un efecto excelente de equilibrio de los voltajes entre los submódulos.
Sumario de la invención
Problema técnico
Un objeto de la presente invención es proporcionar un procedimiento, dispositivo y sistema de control distribuido de submódulos, que evite un aumento en la tasa de carga de un controlador basado en válvulas provocado por un aumento en el número de enlaces, que evite un aumento en los costos y el período de desarrollo provocado por la expansión del hardware del controlador basado en válvulas y logre un efecto excelente de equilibrio de los voltajes entre los submódulos.
Solución técnica
Para lograr el objetivo anterior, la presente invención adopta las siguientes soluciones técnicas:
Un procedimiento de control distribuido de submódulos, caracterizado porque todos los submódulos de cada brazo puente de una válvula convertidora son agrupados en M grupos, siendo M > 1, todos los submódulos incluyen submódulos defectuosos y submódulos normales, los submódulos respectivos en cada grupo son iguales o desiguales en número, los submódulos normales en cada grupo pueden cambiar dinámicamente en número, cada grupo corresponde a un controlador basado en válvulas, cada controlador basado en válvulas funciona por separado, un controlador de nivel superior entrega el número de submódulos de entrada al controlador basado en válvulas y administra uno o más brazos puente, y el número de submódulos de entrada es calculado de la siguiente manera:
(1) encontrar, por cada controlador basado en válvulas, un voltaje promedio U, de los submódulos normales administrados por el controlador basado en válvulas, contar el número N lok de los submódulos normales, y enviar el voltaje promedio y el número al controlador de nivel superior
(2) adquirir, por medio del controlador de nivel superior, una corriente de brazo puente Iarm y determinar una dirección;
(3) resolver, por medio del controlador de nivel superior, una ponderación B, de cada controlador basado en válvulas administrado de acuerdo con el voltaje promedio 0, de los submódulos normales administrados por cada controlador basado en válvulas, el número N iok de los submódulos normales, y la dirección de la corriente de brazo puente, en el que cuando la corriente de brazo puente está en una dirección de carga,
Figure imgf000003_0001
(4) calcular, por medio del controlador de nivel superior de acuerdo con el número total No t on t a , l ’ ^Q |os submódulos a ingresar en un brazo puente correspondiente y la ponderación B, de cada controlador basado
en válvulas, el número NP * n=vound ( vB; 1 ) lu lu i ✓ ¿e los submódulos que están siendo ingresados en cada controlador basado en válvulas, en el que round es una función de redondeo.
En la solución anterior, los submódulos normales son submódulos que pueden participar en la conmutación normal. En la solución anterior, los submódulos defectuosos incluyen submódulos que están en un estado de derivación y un estado bloqueado, y una ranura libre en una torre de válvulas del convertidor.
En la solución anterior, un valor del subíndice i de todas las variables oscila entre 1 y M.
En la solución anterior, la dirección de carga en la etapa (3) se refiere a una dirección de la corriente de brazo puente cuando aumenta el voltaje del submódulo, y la dirección de descarga se refiere a una dirección de la corriente de brazo puente cuando baja el voltaje del submódulo.
La presente invención además proporciona un dispositivo de control distribuido de submódulos, que incluye una unidad de determinación de la dirección, una unidad de solución de ponderación, una unidad del interruptor de selección, una unidad de cálculo de entrada del brazo puente y una unidad de cálculo de entrada del controlador basado en válvulas, en el que
la unidad de determinación de la dirección está configurada para determinar una dirección de acuerdo con la corriente de brazo puente Iarm adquirida;
la unidad de solución de ponderación está configurada para resolver una ponderación B, de cada controlador basado en válvulas administrado de acuerdo con un voltaje promedio 0¡, de submódulos normales administrados por cada N ok
controlador basado en válvulas, el número t de los submódulos normales, y la dirección de la corriente de brazo puente, en el que cuando la corriente de brazo puente está en una dirección de carga,
Figure imgf000004_0001
la unidad del interruptor de selección está configurada para seleccionar la ponderación B, del controlador basado en válvulas administrado de acuerdo con un resultado de determinación de la unidad de determinación de la dirección, y enviar la ponderación a la unidad de cálculo de entrada del controlador basado en válvulas; y
la unidad de cálculo de entrada del controlador basado en válvulas está configurada para calcular, de acuerdo con la N on
ponderación B, y el número total to ta l 'calculado por la unidad de cálculo de entrada del brazo puente, de los submódulos que serán ingresados en un brazo puente correspondiente, el ound ( v S 1 iA C lu l t - alu i ) ' de los submódulos que están siendo ingresados en cada controlador basado en válvulas, en el que round es una función de redondeo.
La presente invención además proporciona un sistema de control distribuido de submódulos, que incluye una válvula convertidora, un controlador de nivel superior y un controlador basado en válvulas, en el que todos los submódulos de cada brazo puente de la válvula convertidora son agrupados en M grupos, siendo M > 1, el controlador de nivel superior está configurado para administrar uno o más brazos puente, todos los submódulos incluyen submódulos defectuosos y submódulos normales, los submódulos respectivos en cada grupo son iguales o desiguales en número, los submódulos normales en cada grupo pueden cambiar dinámicamente en número, cada grupo corresponde a un controlador basado en válvulas, y cada controlador basado en válvulas funciona por separado; y el controlador de nivel superior incluye un dispositivo de control distribuido de submódulos como fue definido anteriormente y está configurado para calcular el número de submódulos de entrada y entregar el número al controlador basado en válvulas.
Efecto ventajoso
Mediante el uso de las soluciones anteriores, la presente invención logra los siguientes efectos beneficiosos:
(1) se reduce significativamente la tasa de carga del controlador basado en válvulas y se mejora la confiabilidad del controlador basado en válvulas;
(2) se evita la expansión del hardware del controlador basado en válvulas, para de ese modo disminuir el período de desarrollo y los costos de desarrollo;
(3) la información sobre un voltaje promedio de los submódulos en cada grupo es introducida en la ponderación, por lo que puede ser garantizado que el voltaje esté bien equilibrado entre los grupos; y (4) la información sobre el número de submódulos normales en cada grupo es introducida en la ponderación, por lo que puede ser garantizado que el número calculado de submódulos que son ingresados en cada grupo no exceda el número de submódulos normales en el grupo.
Breve descripción de los dibujos
La FIG. 1 es un diagrama de una estructura de control distribuido de submódulos, en el que VBC indica un controlador basado en válvulas y SM indica un submódulo;
La FIG. 2 es un diagrama esquemático de una lógica de control distribuido de submódulos; y
La FIG. 3 es un diagrama estructural esquemático de un dispositivo de control distribuido de submódulos de la presente invención.
Descripción detallada de la invención
Las soluciones técnicas de la presente invención se describen en detalle a continuación con referencia a los dibujos adjuntos y realizaciones específicas.
En un procedimiento de control distribuido de submódulos, todos los submódulos de cada brazo puente de una válvula convertidora son agrupados en M grupos, siendo M > 1, todos los submódulos incluyen submódulos defectuosos y submódulos normales, los submódulos respectivos en cada grupo pueden ser iguales o desiguales en número, los submódulos normales en cada grupo pueden cambiar dinámicamente en número, cada grupo corresponde a un controlador basado en válvulas, cada controlador basado en válvulas funciona por separado, un controlador de nivel superior entrega el número de submódulos de entrada al controlador basado en válvulas, y el número de submódulos de entrada es calculado de la siguiente manera:
(1) encontrar, porcada controlador basado en válvulas, un voltaje promedio U, de los submódulos normales administrados por el controlador basado en válvulas, contar el número N?k de los submódulos normales, y enviar el voltaje promedio y el número al controlador de nivel superior;
(2) adquirir, por medio del controlador de nivel superior, una corriente de brazo puente Iarm y determinar una dirección;
(3) resolver, por medio del controlador de nivel superior, una ponderación B, de cada controlador basado en válvulas administrado de acuerdo con el voltaje promedio 0, de los submódulos normales administrados por N ok
cada controlador basado en válvulas, el número l de los submódulos normales, y la dirección de la corriente de brazo puente, en el que cuando la corriente de brazo puente está en una dirección de carga,
Figure imgf000005_0001
o n
(4) calcular, por medio del controlador de nivel superior de acuerdo con el número total t o t a l ' de los submódulos a ingresar en un brazo puente correspondiente y la ponderación B/de cada controlador basado en válvulas, el número N i 0U= round ( vB¡ 1 N l Z u l n u ] i j ) de los submódulos que están siendo ingresados en cada controlador basado en válvulas, en el que round es una función de redondeo.
El controlador de nivel superior puede administrar uno o más brazos puente de la válvula convertidora.
Los submódulos normales son submódulos que pueden participar en la conmutación normal.
Los submódulos defectuosos incluyen submódulos que están en un estado de derivación y un estado bloqueado, y una ranura libre en una torre de válvulas del convertidor.
Un valor del subíndice i de todas las variables oscila entre 1 y M.
La dirección de carga se refiere a una dirección de la corriente de brazo puente cuando aumenta el voltaje del submódulo, y la dirección de descarga se refiere a una dirección de la corriente de brazo puente cuando baja el voltaje del submódulo.
La presente invención además proporciona un dispositivo de control distribuido de submódulos, que incluye, como es mostrado en la FIG. 3, una unidad de determinación de la dirección, una unidad de solución de ponderación, una unidad del interruptor de selección, una unidad de cálculo de entrada del brazo puente y una unidad de cálculo de entrada del controlador basado en válvulas, en el que
la unidad de determinación de la dirección está configurada para determinar una dirección de acuerdo con la corriente de brazo puente Iarm adquirida;
la unidad de solución de ponderación está configurada para resolver una ponderación B, de cada controlador basado en válvulas administrado de acuerdo con un voltaje promedio 0, de submódulos normales administrados por cada N ° k
controlador basado en válvulas, el número l de los submódulos normales, y la dirección de la corriente de brazo puente, en el que cuando la corriente de brazo puente está en una dirección de carga,
Figure imgf000006_0001
cuando la corriente de brazo puente está en una dirección de descarga,
la unidad del interruptor de selección está configurada para seleccionar la ponderación B, del controlador basado en válvulas administrado de acuerdo con un resultado de determinación de la unidad de determinación de la dirección, y enviar la ponderación a la unidad de cálculo de entrada del controlador basado en válvulas; y
la unidad de cálculo de entrada del controlador basado en válvulas está configurada para calcular, de acuerdo con la
ponderación B, y el número total N toon ta , l, ’ calculado por la unidad de cálculo de entrada del brazo puente, de los submódulos que serán ingresados en un brazo puente correspondiente, el número N onl.=round (B i Nfnt-nl ) de los submódulos que están siendo ingresados en cada controlador basado en válvulas, en el que round es una función de redondeo.
La presente invención además proporciona un sistema de control distribuido de submódulos, que incluye una válvula convertidora, un controlador de nivel superior y un controlador basado en válvulas, en el que todos los submódulos de cada brazo puente de la válvula convertidora son agrupados en M grupos, siendo M > 1, todos los submódulos incluyen submódulos defectuosos y submódulos normales, los submódulos respectivos en cada grupo son iguales o desiguales en número, los submódulos normales en cada grupo pueden cambiar dinámicamente en número, cada grupo corresponde a un controlador basado en válvulas, y cada controlador basado en válvulas funciona por separado; y el controlador de nivel superior incluye un dispositivo de control distribuido de submódulos de la presente invención y está configurado para calcular el número de submódulos de entrada y entregar el número al controlador basado en válvulas.
La realización anterior simplemente describe la idea técnica de la presente invención, pero no pretende limitar el ámbito de protección de la presente invención. Cualquier modificación llevada a cabo en base a las soluciones técnicas y de acuerdo con la idea técnica proporcionada por la presente invención cae dentro del ámbito de protección de la presente invención.

Claims (7)

    REIVINDICACIONES1. Un procedimiento de control distribuido de submódulos, en el que todos los submódulos de cada brazo puente de una válvula convertidora son agrupados en M grupos, siendo M > 1, todos los submódulos comprenden submódulos defectuosos y submódulos normales, los submódulos respectivos en cada grupo son iguales o desiguales en número, los submódulos normales en cada grupo pueden cambiar dinámicamente en número, cada grupo corresponde a un controlador basado en válvulas, cada controlador basado en válvulas funciona por separado, un controlador de nivel superior entrega el número de submódulos de entrada al controlador basado en válvulas y administra uno o más brazos puente, y el número de submódulos de entrada se calcula de la siguiente manera:
  1. (1) encontrar, por cada controlador basado en válvulas, un voltaje promedio 0, de los submódulos normales N ? k
    administrados por el controlador basado en válvulas, contar el número l de los submódulos normales, y enviar el voltaje promedio y el número al controlador de nivel superior;
    (2) adquirir, por medio del controlador de nivel superior, una corriente de brazo puente Iarm y determinar una dirección;
    (3) resolver, por medio del controlador de nivel superior, una ponderación B, de cada controlador basado en válvulas administrado de acuerdo con el voltaje promedio 0, de los submódulos normales administrados por ¡\ J °k
    cada controlador basado en válvulas, el número l de los submódulos normales, y la dirección de la corriente de brazo puente, en el que cuando la corriente de brazo puente está en una dirección de carga,
    Figure imgf000007_0001
    (4)calcular, por medio del controlador de nivel superior de acuerdo con el número total N t o on t a l , ’ |os submódulos a ingresar en un brazo puente correspondiente y la ponderación B, de cada controlador basado
    en válvulas, el número jV l :°n=round ( KB; 1 lu lu i i ) j de los submódulos que están siendo ingresados en cada controlador basado en válvulas, en la que round es una función de redondeo.
  2. 2. El procedimiento de control distribuido de submódulos de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los submódulos normales son submódulos que pueden participar en la conmutación normal.
  3. 3. El procedimiento de control distribuido de submódulos de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los submódulos defectuosos comprenden submódulos que están en un estado de derivación y un estado bloqueado, y una ranura libre en una torre de válvulas convertidoras.
  4. 4. El procedimiento de control distribuido de submódulos de acuerdo con la reivindicación 1, en el que un valor del subíndice i de todas las variables varía entre 1 y M.
  5. 5. El procedimiento de control distribuido de submódulos de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la dirección de carga en la etapa (3) se refiere a una dirección de la corriente de brazo puente cuando aumenta el voltaje del submódulo, y la dirección de descarga se refiere a una dirección de la corriente de brazo puente cuando baja el voltaje del submódulo.
  6. 6. Un dispositivo de control distribuido de submódulos para entregar números de submódulos de entrada a controladores basados en válvulas administrados, comprendiendo el dispositivo una unidad de determinación de la dirección, una unidad de solución de ponderación, una unidad del interruptor de selección, una unidad de cálculo de entrada del brazo puente y una unidad de cálculo de entrada del controlador basado en válvulas, en el que
    la unidad de determinación de la dirección está configurada para determinar una dirección de una corriente de brazo puente Iarm adquirida;
    la unidad de solución de ponderación está configurada para resolver una ponderación B, de cada controlador basado en válvulas administrado de acuerdo con los valores recibidos de los respectivos controladores basados en válvulas, siendo los valores un voltaje promedio U¡ de submódulos normales administrados por cada ok
    controlador basado en válvulas y el número N i de los submódulos normales, y la dirección de la corriente de brazo puente, en el que cuando la corriente de brazo puente está en una dirección de carga,
    Figure imgf000008_0001
    ponderación B, del controlador basado en válvulas administrado de acuerdo con un resultado de determinación de la unidad de determinación de la dirección, y enviar la ponderación a la unidad de cálculo de entrada del controlador basado en válvulas; y
    la unidad de cálculo de entrada del controlador basado en válvulas está configurada para calcular, de acuerdo N ° n
    con la ponderación B, y el número total to ta l ’ calculado por la unidad de cálculo de entrada del brazo puente, de los submódulos que serán ingresados en un brazo puente correspondiente, el número
    N?n=round (Bj N°ntnl ) de los submódulos que están siendo ingresados en cada controlador basado en válvulas, en la que round es una función de redondeo.
  7. 7. Un sistema de control distribuido de submódulos, que comprende una válvula convertidora, un controlador de nivel superior y un controlador basado en válvulas, en el que todos los submódulos de cada brazo puente de la válvula convertidora son agrupados en M grupos, siendo M > 1, el controlador de nivel superior está configurado para administrar uno o más brazos puente, todos los submódulos comprenden submódulos defectuosos y submódulos normales, los submódulos respectivos en cada grupo son iguales o desiguales en número, los submódulos normales en cada grupo pueden cambiar dinámicamente en número, cada grupo corresponde a un controlador basado en válvulas, y cada controlador basado en válvulas funciona por separado; y el controlador de nivel superior comprende un dispositivo de control distribuido de submódulos como se define en la reivindicación 6 y está configurado para calcular el número de submódulos de entrada y entregar el número al controlador basado en válvulas.
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