ES2850849T3 - Dispositivo de conversión de energía, dispositivo de control y método de control del mismo, y sistema de generación de energía - Google Patents

Dispositivo de conversión de energía, dispositivo de control y método de control del mismo, y sistema de generación de energía Download PDF

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Tomomichi Ito
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Abstract

Un dispositivo de conversión de energía que comprende: - una unidad de circuito principal (1) que incluye - una pluralidad de brazos (3) a los que se conectan en serie las salidas de una pluralidad de convertidores (2), cada uno de la pluralidad de convertidores (2) está adaptado para incluir una pluralidad de elementos de conmutación semiconductores y un condensador y está configurado para recibir un voltaje de CC del condensador y para controlar un voltaje de salida mediante la activación/desactivación de los elementos de conmutación de semiconductores, y la unidad de circuito principal (1) que incluye un lado de CA conectable a una diana (5) a controlar; - una unidad de activación (105) configurada para recibir un comando de voltaje, para generar una señal de activación para activar la pluralidad de elementos conmutadores de semiconductores en la unidad de circuito principal (1) en función del comando de voltaje, y para enviar la señal de activación a la pluralidad de elementos conmutadores de semiconductores; - una unidad de control de CA (102) configurado para generar comandos de voltaje de CA (Vacur, Vacvr, Vacwr) para el número de fases en el lado de CA para controlar la energía de CA de la diana a controlar; y - una unidad de control DC (103) configurado para generar un comando de voltaje DC (Vdcr) para establecer un valor medio de los voltajes DC (Vcjk) de los condensadores de cada uno de la pluralidad de convertidores (2) en la unidad de circuito principal (1) a un valor predeterminado, basado al menos en los voltajes de CC del condensador detectados (Vcjk) de cada uno de la pluralidad de convertidores (2) y un valor nominal de voltaje de CC (VdcO) de una línea de CC a la que los brazos (3) están conectados; - un sumador (104) configurado para agregar el comando de voltaje DC (Vdcr) generado por la unidad de control DC (103) a los comandos de voltaje de CA (Vacur, Vacvr, Vacwr) generados por la unidad de control de CA (102), para generar un comando de voltaje que comprende una onda de modulación, y para proporcionar el comando de voltaje al unidad de activación (105).

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo de conversión de energía, dispositivo de control y método de control del mismo, y sistema de generación de energía
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
1. Campo de la Invención
La presente invención se refiere a un dispositivo de conversión de energía que incluye un brazo al que se conecta una pluralidad de convertidores de unidades, un llamado convertidor modular de varios niveles, un dispositivo de control y un método de control del mismo, y un sistema de generación de energía que utiliza el dispositivo de conversión de energía.
2. Descripción de Técnica Relacionada
En un primer sistema de excitación (convertidor completo) que controla directamente la entrada y salida de CA de una máquina giratoria (generador o motor eléctrico) con un dispositivo de conversión de energía, la eficiencia de la máquina giratoria se mejora mediante el control del variador de velocidad. Como resultado, se puede lograr la reducción de CO2 y el ahorro de energía. Además, se puede esperar una mejora adicional en la eficiencia mediante el uso de un convertidor modular de varios niveles (denominado en lo sucesivo MMC) que tenga una pequeña pérdida de conversión de energía (por ejemplo, consulte JP-A-2015-12769) como dispositivo de conversión de energía.
En el MMC, los brazos que incluyen convertidores monofásicos conectados en serie (denominado en lo sucesivo celdas) y cada uno con un condensador se proporcionan para tres fases. Por lo tanto, para generar el voltaje de CA y el voltaje de CC deseados, el voltaje del condensador se controla de manera que el voltaje del condensador entre las celdas y entre los brazos esté equilibrado, y el voltaje medio de los condensadores de todos los brazos trifásicos se mantenga en un valor nominal (por ejemplo, consulte el Comité de Investigación y Desarrollo sobre Convertidores CA/CC de nueva fuente de voltaje para sistemas eléctricos, «Technical Trends in New-Type Voltage Source AC/DC Converters for Power Systems: with Special Focuses on Modular Multilevel Converter (MMC)», informe técnico del Instituto de Ingenieros Eléctricos de Japón, Instituto de Ingenieros Eléctricos de Japón, Vol. 1374, abril de 2016, págs.
13 a 15, y Patente Japonesa No. 5993675).
En el MMC, para operar la máquina giratoria con alta eficiencia, es necesario controlar la energía de CA de la máquina giratoria en función del estado de la cantidad de energía mecánica y la velocidad de rotación. Sin embargo, en un MMC de la técnica relacionada, dado que la corriente CA (corriente activa) en el convertidor se controla de manera que el voltaje medio de los condensadores de todos los brazos trifásicos se mantenga en un valor nominal, es difícil controlar de forma independiente la salida de la máquina giratoria.
El documento JP 2016 197940 A describe un sistema de conversión de energía que incluye un primer convertidor de energía, un segundo convertidor de energía, un primer dispositivo de control y un segundo dispositivo de control.
El documento EP 2560275 A1 describe un convertidor de energía que tiene un convertidor de varios niveles en cascada (CMC) conectado en estrella a un sistema de suministro de energía.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Un objeto de la presente invención es proporcionar un dispositivo de conversión de energía y un método de control correspondiente capaz de controlar de forma independiente la energía de CA y el voltaje de un condensador.
Este objeto se resuelve mediante las características de la reivindicación 1 del dispositivo y la reivindicación 11 del método. Las reivindicaciones dependientes mencionan una forma de realización ventajosa de la invención.
Según la presente invención, es posible controlar de forma independiente la energía de CA y el voltaje del condensador. Por lo tanto, es posible operar un sistema de máquina rotativa y un sistema de generación de energía con alta eficiencia.
Los problemas, configuraciones y efectos descritos anteriormente serán más evidentes a partir de la descripción de las siguientes realizaciones.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La FIGURA 1 ilustra una configuración general de un dispositivo de conversión de energía según una realización de la presente invención;
La FIGURA 2 ilustra un ejemplo de una configuración de circuito de una celda en una unidad de circuito; La FIGURA 3 ilustra un ejemplo de una configuración de circuito de una celda en una unidad de circuito principal;
La FIGURA 4 es un diagrama de bloques funcional que ilustra una configuración de una unidad de cálculo del valor de salida diana de una máquina giratoria;
La FIGURA 5 es un diagrama de bloques funcional que ilustra una configuración de una unidad de control de corriente alterna CA;
La FIGURA 6 es un diagrama de bloques funcional que ilustra una configuración de una unidad de control de voltaje medio de condensador; y
La FIGURA 7 ilustra ejemplos de formas de onda de valores de comando de voltaje de CA trifásicos y un valor de comando de voltaje de CC.
DESCRIPCIÓN DE LAS REALIZACIONES
A continuación, se describirán las realizaciones de la presente invención con referencia a los dibujos. En cada dibujo, aquellos con los mismos números de referencia indican los mismos requisitos constitutivos o requisitos constitutivos que tienen funciones similares.
La FIGURA 1 ilustra una configuración general de un sistema de generación de energía que incluye un dispositivo de conversión de energía según una realización de la presente invención.
En una unidad de circuito principal 1 del dispositivo de conversión de energía, los brazos 3 en los que una pluralidad de celdas 2, que son convertidores de unidades, están conectadas en serie, se proporcionan para un número de fases de CA, en la realización, trifásico (UVW). Es decir, el dispositivo de conversión de energía de la realización tiene una configuración MMC.
La celda 2 está constituida por un circuito chopper conocido o un circuito de puente completo (por ejemplo, consulte el documento JP-A-2015-12769 y la patente japonesa N.° 5993675) que incluye un condensador que sirve como fuente de voltaje de CC. Los lados de salida de la pluralidad de celdas 2 están conectados en serie para constituir los brazos 3. En la realización, se utiliza un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) como elemento conmutador de semiconductor que constituye el circuito de la celda 2.
Las respectivas porciones extremas de ambas porciones extremas de cada uno de los brazos trifásicos 3, es decir, tres brazos 3, en el lado de bajo potencial se convierten en puntos de conexión U, V y W con devanados del estator de una máquina giratoria G en un sistema de máquina giratoria 5. Estos puntos de conexión están conectados eléctricamente a terminales de CA trifásicos de los devanados del estator de la máquina giratoria G a través de un sensor de corriente 4. Además, las respectivas porciones extremas de ambas porciones extremas de cada uno de los brazos trifásicos 3 en el lado de alto potencial están comúnmente conectadas y se convierten en un punto neutro de los brazos trifásicos 3. Es decir, los brazos trifásicos 3 están conectados en Y (o conectados en estrella) en estos lados de alto potencial, y se dibuja el punto neutro de la conexión Y.
El punto neutro de los brazos trifásicos 3 y el punto neutro del devanado del estator a conectar en Y de la máquina giratoria (o en estrella) están conectados respectivamente a un punto de conexión del lado de alto potencial P y a un punto de conexión del lado de bajo potencial N de la línea de CC. La línea de CC está conectada al lado de CC de un convertidor de energía 6 para la interconexión del sistema. El lado de CA del convertidor de energía 6 está conectado a un sistema de energía de CA comercial (no mostrado).
Por consiguiente, la unidad de circuito principal 1 del MMC está conectado a una unidad de circuito principal (no mostrado) del convertidor de energía 6 y la energía se intercambia entre ambos unidades de circuito principal.
En esta realización, se dibuja el punto neutro del devanado del estator conectado en Y, pero en lugar de esto, se puede conectar un reactor de dibujo de punto neutro bien conocido (por ejemplo, consulte el documento JP-A-2015-12769) a los puntos de conexión U, V y W, y el punto neutro del reactor de extracción de punto neutro se puede dibujar y conectar al punto de conexión del lado de bajo potencial N. En este caso, los devanados del estator pueden estar conectados en triángulo.
Además, la configuración del circuito de la unidad de circuito principal del MMC puede adoptar un método conocido de MMC de doble estrella (por ejemplo, consulte la página 19 del Comité de investigación y desarrollo de nuevos convertidores CA/CC de fuente de voltaje para sistemas eléctricos, «Technical Trends in New-Type Voltage Source AC/DC Converters for Power Systems: with Special Focuses on Modular Multilevel Converter (MMC)», informe técnico del Instituto de
Ingenieros Eléctricos de Japón, Instituto de Ingenieros Eléctricos de Japón, vol. 1374, abril de 2016, págs.13 a 15). Este método MMC de doble estrella tiene seis brazos 3 en la Figura 1, y seis brazos 3 están conectados en una configuración de puente completo trifásico.
En la realización, la máquina giratoria G en el sistema de máquina giratoria 5 es un generador de energía para la generación de energía hidroeléctrica. Una turbina de agua T está conectada mecánicamente a este generador de energía. Cuando la turbina de agua T recibe el flujo de agua y gira, la máquina giratoria G, es decir, el generador de energía convierte la energía mecánica de la turbina de agua en energía de CA trifásica y emite la energía del devanado del estator. La salida de energía eléctrica del generador de energía se suministra al sistema de energía como CA trifásica con un voltaje constante a una frecuencia constante a través del dispositivo de conversión de energía del método MMC y el convertidor de energía de interconexión del sistema 6. En la realización, la salida de generación de energía es controlada directamente por el dispositivo de conversión de energía equipado con la unidad de circuito principal 1 del método MMC. Por lo tanto, el generador de energía se puede operar a velocidad variable con alta eficiencia.
La FIGURA 2 muestra un ejemplo de una configuración de circuito de la celda 2 en la unidad de circuito principal 1. En el ejemplo, la celda 2 está constituida por un circuito chopper. En este circuito chopper, se introduce el voltaje de CC del condensador y el voltaje de salida se controla mediante la activación/desactivación del elemento conmutador de semiconductor (IGBT en la FIGURA 2). El elemento conmutador de semiconductor se enciende y apaga mediante una señal de activación (señal de pulso de puerta en la FIGURA 2) para aplicarse a un terminal de control (el terminal de puerta del IGBT en la FIGURA 2). Un valor detectado Vcjk (j = u, v, w; k = 1,..., N) del voltaje de CC de ambos extremos del condensador en cada celda 2 se introduce en una unidad de control de voltaje medio de condensador 103 que se describirá a continuación (FIGURA 1).
La FIGURA 3 muestra un ejemplo de una configuración de circuito de la celda 2 en la unidad de circuito principal 1. En el ejemplo, la celda 2 está constituida por un circuito de puente completo monofásico. En este circuito de puente completo monofásico, se introduce el voltaje de CC del condensador y el voltaje de salida se controla mediante la activación/desactivación del elemento conmutador de semiconductor (IGBT en la FIGURA 3). Como se muestra en el ejemplo de la FIGURA 2, el elemento conmutador de semiconductor se enciende y apaga mediante una señal de activación (señal de pulso de puerta) que se aplica al terminal de control. Además, como en el ejemplo de la FIGURA 2z el valor detectado Vcjk del voltaje de CC a través del condensador en cada celda 2 se introduce en la unidad de control de voltaje medio del condensador 103 (FIGURA 1).
El elemento conmutador de semiconductor (IGBT) indicado por un símbolo de circuito en la FIGURA 2 y FIGURA 3 puede estar constituido por una conexión en serie-paralelo de una pluralidad de chips semiconductores. Además, tal pluralidad de chips semiconductores puede acomodarse en un paquete o caja.
A continuación, se describirá un dispositivo de control 100 (figura 1). En la realización, un dispositivo de procesamiento aritmético tal como un microordenador opera como cada unidad funcional del dispositivo de control 100, descrito a continuación, ejecutando un programa predeterminado. En el dispositivo de control 100, se utiliza un método denominado de control de vectores.
Una unidad de cálculo del valor de salida diana de la máquina giratoria 101 calcula y envía los valores de comando de corriente (Idr e Iqr) que se darán a una unidad de control de corriente CA 102 y un valor de comando de frecuencia Fr utilizando la cantidad de energía mecánica y la velocidad de rotación del sistema de máquina giratoria 5 detectada por el sensor 7 (en la FIGURA 1, la velocidad de rotación de la turbina de agua T) como entrada. Aquí, en la realización, la cantidad de energía mecánica es el caudal [m3/ s] y la diferencia de altura [m] que se utilizará para la generación de energía hidroeléctrica.
La unidad de control de corriente CA 102 calcula y genera valores de comando de voltaje trifásico Vacur, Vacvr y Vacwr para controlar la corriente CA contenida en una corriente de brazo de fase U Iau, una corriente de brazo de fase V lav y una ley de corriente de brazo de fase W detectada por el sensor de corriente 4 en función de los valores de comando (Idr, Iqr yFr) de la unidad de cálculo del valor de salida diana de la máquina giratoria 101.
La unidad de control de voltaje medio del condensador 103 crea un símbolo de operador del valor detectado del voltaje del condensador de cada celda 2 (Vcjk en las Figuras 2 y 3), es decir, el valor de voltaje medio de los voltajes Vcul, Vcu2,..., VcuN de N celdas del brazo de fase U, voltajes Vcvl, Vcv2,..., VcvN de N celdas del brazo de fase V y voltajes Vcwl, Vcw2,..., VcwN de N celdas del brazo de fase W; y calcula y emite un valor de comando de voltaje de CC Vdcr para controlar el voltaje medio calculado para que sea un valor de voltaje predeterminado, por ejemplo, un valor de voltaje nominal del condensador. Aquí, el valor de voltaje medio es, por ejemplo, un valor medio aritmético (= (Vcul ... VcuN Vcvl ... -f VcvN Vcwl ... VcwN)/3N).
En la realización, se calcula el valor medio de los voltajes de los condensadores de todas las celdas (N por brazo y un total de 3N) que constituyen la unidad del circuito principal 1. Sin embargo, no hay limitación para ello, se puede seleccionar la pluralidad de celdas cuyo número total es menor, y se puede calcular el valor medio de los voltajes de condensador de estas celdas.
En la realización, el valor medio de los voltajes de los condensadores de las celdas se controla a un valor predeterminado, y este control es un control colectivo de los voltajes de los condensadores de la pluralidad de celdas que constituyen la unidad del circuito principal 1.
El sumador 104 suma el valor de comando de voltaje de CC Vdcr a cada uno de los valores de comando de voltaje de CA trifásicos Vacur, Vacvr y Vacwr, y genera un comando de voltaje para dar al unidad de control PWM 105, es decir, una onda de modulación.
La unidad de control 105 genera y emite la señal de excitación para excitar cada celda 2 que constituye la unidad de circuito principal 1 del MMC -la señal de pulso de puerta del IGBT de cada celda en la realización- a partir de la onda portadora y la onda modulada generada por el sumador 104, denominado modulación de ancho de pulso (PWM). La FIGURA 4 es un diagrama de bloques funcional que ilustra una configuración de la unidad de cálculo del valor de salida diana de la máquina giratoria 101 en la FIGURA 1.
Como se muestra en la FIGURA 4, una unidad de cálculo de comando Id 101A calcula un comando de corriente ldr del eje d basándose en el comando de salida y la cantidad de energía mecánica (caudal y altura). En la realización, el comando de salida es, por ejemplo, un valor de comando de energía activa para la máquina giratoria G (generador de energía). Además, la unidad de cálculo del comando Iq 101 calcula un comando de corriente lqr del eje q en función de la velocidad de rotación de la turbina de agua T o la máquina giratoria G. Aquí, los términos «eje d» y «eje q» son ejes de coordenadas de coordenadas de rotación utilizadas en el control de vectores conocido. Si la máquina giratoria G es un generador de inducción, hasta que la velocidad de rotación alcanza el valor nominal, el comando de corriente lqr del eje q se establece en un valor constante predeterminado, y en una región donde la velocidad de rotación excede el valor nominal, el comando de corriente lqr del eje q se calcula para reducir el comando de corriente lqr del eje q en función de la velocidad de rotación.
Si la máquina giratoria G es un generador síncrono, el comando de corriente lqr del eje q se establece en cero. Es decir, la salida del generador de energía se establece en el factor de energía 1. Sin embargo, por ejemplo, al ajustar el factor de energía, el comando de corriente del eje q Iqr puede calcularse de modo que fluya la corriente de campo débil.
Una unidad de cálculo de comandos de frecuencia 101C en la FIGURA 4 calcula y envía el valor de comando de frecuencia Fr al dispositivo de conversión de energía (MMC) basándose en el comando de salida y la velocidad de rotación de la turbina de agua T o la máquina giratoria G.
Si la máquina giratoria G es un generador de inducción, se calcula una frecuencia de ángulo de deslizamiento a partir del comando de salida (el deslizamiento toma un valor negativo en el área de operación de generación de energía de la máquina de inducción), y una frecuencia de sincronización, es decir, el valor de comando de frecuencia Fr se calcula a partir de la frecuencia calculada del ángulo de deslizamiento y la velocidad de rotación.
Si la máquina giratoria G es un generador síncrono, el valor de comando de frecuencia Fr se calcula en base a la velocidad de rotación.
La FIGURA 5 es un diagrama de bloques funcional que ilustra una configuración de la unidad de control de corriente alterna CA 102 en la FIGURA 1.
Como se muestra en la FIGURA 5, una unidad de conversión de coordenadas de corriente 102A realiza una conversión trifásica o bifásica en las corrientes de brazo Iau, lav y law en el sistema de coordenadas estacionario utilizando la Ecuación (1) y convierte además los valores obtenidos en una corriente de eje d Id (corriente activa) y una corriente de eje q Iq (corriente reactiva) en el sistema de coordenadas de rotación usando la Ecuación (2). En las ecuaciones (1) y (2), Ia e Ip representan componentes de corriente sometidos a conversión trifásica o bifásica, Fr representa un valor de comando de frecuencia y t representa el tiempo.
Figure imgf000005_0001
El controlador de corriente del eje d 102B calcula el comando de voltaje del eje d Vdr en función de una diferencia entre Idr e Id de modo que la corriente Id del eje d se corresponda con el comando de corriente del eje d Idr. Además, el controlador de corriente del eje q 102C calcula un comando de voltaje del eje q Vqr en función de una diferencia entre Iqr e Iq, de modo que la corriente Iq del eje q se corresponde con el comando de corriente del eje q Iqr.
Una unidad de conversión de coordenadas de voltaje 102D convierte el comando de voltaje del eje d Vdr y el comando de voltaje del eje q Vqr calculados respectivamente por el controlador de corriente del eje d 102B y el controlador de corriente del eje q 102C del sistema de coordenadas de rotación al sistema de coordenadas estacionario usando la Ecuación (3) y además convierte los valores en valores de voltaje de corriente CA trifásicos Vacur, Vacvr y Vacwr mediante conversión bifásica o trifásica en el sistema de coordenadas estacionario.
En las ecuaciones (3) y (4), Var y Vpr representan valores de comando de voltaje sujetos a conversión bifásica o trifásica en el sistema de coordenadas estacionario, Fr representa un valor de comando de frecuencia y t representa el tiempo.
Figure imgf000006_0001
La FIGURA 6 es un diagrama de bloques funcional que ilustra una configuración de la unidad 103 de control de voltaje medio del condensador en la FIGURA 1.
Como se muestra en la Figura 6, una unidad de cálculo de valor medio 103A calcula el voltaje medio Vcave de los condensadores en los brazos trifásicos, es decir, toda la unidad del circuito principal 1 a partir de los voltajes del condensador Vcul,..., VcuN, Vcvl,... r VcvN, Vcwl,..., VcwN de cada celda 2.
El controlador de voltaje 103B genera una cantidad de operación (cantidad de variación de voltaje, es decir, incremento o decremento) del voltaje de CC de la línea de CC (la corriente de CC entre P y N en la FIGURA 1) en función de una diferencia entre Vcave y Vcr, de modo que el voltaje medio Vcave calculada por la unidad de cálculo de valor medio 103A se corresponda con el comando de voltaje Vcr. Un valor nominal de voltaje de CC VdcO (valor fijo) de la línea de CC (entre P y N) se suma a la cantidad de operación generada y se genera un valor de comando de voltaje de CC Vdcr.
La FIGURA 7 muestra ejemplos de formas de onda de valores de comando de voltaje de CA trifásicos Vacur, Vacvr y Vacwr y un valor de comando de voltaje de CC Vdcr.
La FIGURA 7 muestra las formas de onda de los valores de comando de voltaje de CA trifásicos Vacur, Vacvr, Vacwr y el valor de comando de voltaje de CD Vdcr individualmente, pero una onda modulada de la forma de onda en la que estas formas de onda se superponen se ingresa en la unidad de control 105 PWM (FIGURA 1). Por consiguiente, dependiendo de la amplitud, fase y frecuencia del componente de CA de la onda modulada, es decir, el valor de comando de voltaje de CA trifásico (Vacur, Vacvr y Vacwr), se obtiene una salida de CA deseada de la máquina giratoria G (generador de energía) y el voltaje medio de los voltajes del condensador de la unidad del circuito principal, es decir, todos los brazos trifásicos, se controla para que sea el valor nominal por el componente de CC de la onda modulada, es decir, la amplitud del valor nominal de voltaje de CC Vdcr.
Como se describió anteriormente, en la realización, el valor del comando de voltaje de CC generado a partir del valor detectado del voltaje del condensador se suma al valor de corriente de CA trifásico y un comando de voltaje a la unidad de control PWM, es decir, se genera una onda modulada. Por lo tanto, es posible controlar de forma independiente la salida de CA y el voltaje del condensador. Por consiguiente, la salida de CA del generador de energía, es decir, la entrada de CA y el voltaje del condensador al dispositivo de conversión de energía (MMC) se pueden controlar con alta precisión. Por lo tanto, se mejora la eficiencia operativa de la máquina giratoria y el sistema de generación de energía.
Cabe señalar que la presente invención no se limita a la realización descrita anteriormente, sino que incluye varios ejemplos modificados. Por ejemplo, la realización descrita anteriormente se ha descrito en detalle para explicar la presente invención de una manera fácil de entender, y no se limita necesariamente a aquellas que tienen todas las configuraciones descritas. Además, es posible agregar, eliminar o reemplazar otros componentes con respecto a parte de la configuración de la realización.
El dispositivo de conversión de energía (MMC) en la realización no se limita al sistema de generación de energía hidroeléctrica de velocidad variable (Figura1) en el que la máquina giratoria está dedicada a la generación de energía, sino también se puede aplicar a un sistema de generación de energía de bombeo de velocidad variable utilizando la máquina giratoria como motor generador de energía. En este caso, el lado de CA del MMC está conectado a un devanado del rotor y el MMC se utiliza como un dispositivo de excitación de CA.
Además, el dispositivo de conversión de energía (MMC) en la realización no se limita a un sistema de generación de energía hidroeléctrica y también se puede aplicar a un sistema de generación de energía eólica o un sistema de generación de energía solar. En el sistema de generación de energía eólica, en la FIGURA 1, la «cantidad de energía mecánica» corresponde a la «velocidad del viento [m / s]».
Además, en la realización, el dispositivo de conversión de energía (MMC) puede usarse como un inversor para impulsar un motor de CA. En este caso, el comando de salida de la FIGURA 2 es un valor de comando de par eléctrico.
La máquina giratoria puede ser una máquina de inducción o una máquina síncrona. Si la máquina giratoria es un motor de inducción, Fr en la FIGURA 2 se calcula restando el deslizamiento. Si la máquina giratoria es un motor síncrono, se calcula un valor de comando de frecuencia Fr basado en la velocidad de rotación.
Además, en la realización, el voltaje del condensador puede controlarse mediante el control colectivo de todos los voltajes del condensador y el conocido «control de equilibrio del brazo» o «control de equilibrio individual» (por ejemplo, consulte el Comité de investigación y desarrollo sobre nuevos convertidores CA/CC de fuente de voltaje para sistemas eléctricos, "Technical Trends in New-Type Voltage Source AC/DC Converters for Power Systems: with Special Focuses on Modular Multilevel Converter (MMC)", informe técnico del Instituto de Ingenieros Eléctricos de Japón, Instituto de Ingenieros Eléctricos de Japón, vol. 1374, abril de 2016, págs.13 a 15).

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Un dispositivo de conversión de energía que comprende:
- una unidad de circuito principal (1) que incluye
- una pluralidad de brazos (3) a los que se conectan en serie las salidas de una pluralidad de convertidores (2), cada uno de la pluralidad de convertidores (2) está adaptado para incluir una pluralidad de elementos de conmutación semiconductores y un condensador y está configurado para recibir un voltaje de CC del condensador y para controlar un voltaje de salida mediante la activación/desactivación de los elementos de conmutación de semiconductores, y la unidad de circuito principal (1) que incluye un lado de CA conectable a una diana (5) a controlar;
- una unidad de activación (105) configurada para recibir un comando de voltaje, para generar una señal de activación para activar la pluralidad de elementos conmutadores de semiconductores en la unidad de circuito principal (1) en función del comando de voltaje, y para enviar la señal de activación a la pluralidad de elementos conmutadores de semiconductores;
- una unidad de control de CA (102) configurado para generar comandos de voltaje de CA (Vacur, Vacvr, Vacwr) para el número de fases en el lado de CA para controlar la energía de CA de la diana a controlar; y
- una unidad de control DC (103) configurado para generar un comando de voltaje DC (Vdcr) para establecer un valor medio de los voltajes DC (Vcjk) de los condensadores de cada uno de la pluralidad de convertidores (2) en la unidad de circuito principal (1) a un valor predeterminado, basado al menos en los voltajes de CC del condensador detectados (Vcjk) de cada uno de la pluralidad de convertidores (2) y un valor nominal de voltaje de CC (VdcO) de una línea de CC a la que los brazos (3) están conectados;
- un sumador (104) configurado para agregar el comando de voltaje DC (Vdcr) generado por la unidad de control DC (103) a los comandos de voltaje de CA (Vacur, Vacvr, Vacwr) generados por la unidad de control de CA (102), para generar un comando de voltaje que comprende una onda de modulación, y para proporcionar el comando de voltaje al unidad de activación (105).
2. El dispositivo de conversión de energía según la reivindicación 1, en el que
la unidad motriz (105) está configurado para generar la señal de activación mediante modulación de ancho de pulso utilizando el comando de voltaje como onda portadora.
3. El dispositivo de conversión de energía según la reivindicación 1, en el que
la unidad de control de CA (102) está configurado para generar los comandos de voltaje de CA en base a un valor detectado de una corriente CA que fluye al lado de CA y valores de comando de corriente.
4. El dispositivo de conversión de energía según la reivindicación 3, en el que
los valores de comando de corriente son un valor de comando de corriente del eje ad y un valor de comando de corriente del eje q en un sistema de coordenadas giratorio; y
la unidad de control de CA (102) está configurado para convertir los valores detectados de la corriente CA en la corriente del eje ad y la corriente del eje aq en el sistema de coordenadas de rotación, y para generar
los comandos de voltaje de CA en respuesta a una diferencia entre el valor de comando de corriente del eje d y la corriente del eje d y una diferencia entre el valor de comando de corriente del eje q y la corriente del eje q.
5. El dispositivo de conversión de energía según la reivindicación 3 ó 4, en el que
una unidad de cálculo del valor de salida diana de la máquina giratoria (101) está configurado para generar los valores de comando de corriente basándose en un estado de funcionamiento de la diana (5) a controlar.
6. El dispositivo de conversión de energía según la reivindicación 1, en el que
la unidad de control de CC (103) está configurado para calcular el valor medio del voltaje de CC de la pluralidad de condensadores en la unidad de circuito principal (1) y para generar el comando de voltaje de CC en respuesta a una diferencia entre el valor medio calculado y un valor de comando de voltaje del condensador que da el valor predeterminado.
7. El dispositivo de conversión de energía según la reivindicación 6, en el que
el valor de comando de voltaje del condensador es un valor nominal de voltaje del condensador.
8. El dispositivo de conversión de energía según la reivindicación 6, en el que
la unidad de control de CC (103) está configurado para generar el comando de voltaje de CC obteniendo una cantidad de variación en un voltaje de CC de una línea de CC en función de la diferencia entre el valor medio y el valor de comando del voltaje del condensador y sumar un valor nominal de voltaje CC de la línea de CC a la cantidad de variación a.
9. El dispositivo de conversión de energía según la reivindicación 1, en el que
el convertidor está constituido por un circuito chopper o un circuito de puente completo monofásico.
10. El dispositivo de conversión de energía según la reivindicación 1, en el que
la diana (5) a controlar es una máquina giratoria.
11. Un método de control de un dispositivo de conversión de energía que incluye una unidad de circuito principal (1) que tiene una pluralidad de brazos (3) a los que se conectan en serie salidas de una pluralidad de convertidores (2), cada uno de la pluralidad de convertidores está adaptado para incluir una pluralidad de elementos conmutadores de semiconductores y un condensador y que está configurado para recibir un voltaje de CC del condensador y para controlar un voltaje de salida mediante la activación/desactivación de los elementos conmutadores de semiconductores, y la unidad de circuito principal (1) que incluye un lado de CA conectado a una diana (5) a controlar, el método comprende:
generar comandos de voltaje de CA (Vacur, Vacvr, Vacwr) para el número de fases en el lado de CA para controlar la energía de CA de la diana (5) a controlar;
generar un comando de voltaje CC (Vdcr) para establecer un valor medio de los voltajes CC (Vcjk) de los condensadores de cada uno de la pluralidad de convertidores (2) en la unidad de circuito principal (1) a un valor predeterminado, basado al menos en los voltajes de CC del condensador detectados (Vcjk) de cada uno de la pluralidad de convertidores (2) y un valor nominal de voltaje de CC (VdcO) de una línea de CC a la que están conectados los brazos (3); y
generar una señal de excitación que comprende una onda de modulación para excitar la pluralidad de elementos conmutadores de semiconductores en la unidad de circuito principal (1) añadiendo el comando de voltaje CC (Vdcr) a los comandos de voltaje CA (Vacur, Vacvr, Vacwr).
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