ES2899876T3 - Convertidor modular multinivel - Google Patents

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Abstract

Un convertidor modular multinivel (300, 400) para convertir entre una tensión de CC y una tensión de CA, el convertidor modular multinivel (300, 400) que comprende - por lo menos dos unidades de fase (102, 202) conectadas en paralelo y conectables a un terminal de CC, las unidades de fase (102, 202) cada una comprende un brazo convertidor superior (108) y un brazo convertidor inferior (112), cada brazo convertidor (108, 112) que tiene una o más celdas (C, CF, CH) que se disponen en serie, en donde cada celda (C, CF, CH) comprende un elemento de almacenamiento de energía (CP) y una disposición de interruptor adaptado para conmutar el elemento de almacenamiento de energía (CP) dentro o fuera de la serie de celdas (C, CF, CH), - una unidad de control que se adapta para controlar las disposiciones de conmutador de las celdas (C, CF, CH), - un brazo convertidor medio (110) dispuesto en serie entre el brazo convertidor superior e inferior (108, 112), el brazo convertidor medio (110) tiene una o más celdas (C, CF, CH) que se disponen en serie, - un nodo superior (116) entre dicho brazo convertidor superior y medio (108, 110) y un nodo inferior (122) entre dicho brazo convertidor inferior y medio (112, 110), - un elemento de puente superior (118) dispuesto entre dicho nodo superior (116) y un terminal de CA (120), - un elemento de puente inferior (124) dispuesto entre dicho nodo inferior (122) y dicho terminal de CA (120), - un segundo elemento de puente superior (218) dispuesto entre dicho nodo superior (116) y dicho terminal de CA (120), - un segundo elemento de puente inferior (224) dispuesto entre dicho nodo inferior (122) y dicho terminal de CA (120), - un primer desconector (206) entre el punto medio (204) del elemento de puente superior e inferior (118, 124) y el terminal de CA (120) y un segundo desconector (210) entre el punto medio (208) del segundo elemento de puente superior e inferior (218, 224) y el terminal de CA (120), en donde los elementos de puente (118, 124, 218, 224) pueden encenderse o apagarse y los desconectores (206, 210) pueden abrirse para desconectar los elementos de puente particulares.

Description

DESCRIPCIÓN
Convertidor modular multinivel
La presente invención se refiere a un convertidor modular multinivel. La presente invención también se refiere a un método de operación para el convertidor modular multinivel.
Los convertidores modulares multinivel (MMC) son una solución comparativamente reciente y atractiva para la conversión de energía sin transformadores. Algunas de sus ventajas son la alta escalabilidad, la menor o nula necesidad de filtros CA o menor o nula necesidad de capacitores de enlace CC en el bus CC.
El documento "Un convertidor multinivel modular activo de conexión cruzada (AC-MMC) para un variador de motor de tensión medio", Du Sixing et al, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 63, no. 8, 1 de agosto de 2016, páginas 4707-4717 describe un convertidor multinivel modular de conexión cruzada activo basado en módulos de medio puente conectados en serie. Está destinado a mejorar el rendimiento de un sistema de accionamiento de motor de tensión medio. El circuito del convertidor multinivel muestra una conexión cruzada de las tomas intermedias del brazo superior e inferior a través de una rama de convertidores de medio puente conectados en serie, que tienen una tensión y corriente nominal idéntica a los submódulos en los brazos superior e inferior.
Una desventaja de MMC es su alta complejidad que proviene del gran número de celdas de convertidor individuales y el control de interruptor asociado y el equilibrio de carga del condensador.
El objetivo de la presente invención es proporcionar un convertidor multinivel modular mejorado con una complejidad reducida.
Un convertidor modular multinivel para convertir entre un tensión CC y un tensión CA de acuerdo con la invención comprende al menos dos unidades de fase conectadas en paralelo y conectables a un terminal de CC, cada una de las cuales comprende un brazo convertidor superior y un brazo convertidor inferior, cada brazo convertidor tiene una o más celdas dispuestas en serie, en el que cada celda comprende un elemento de almacenamiento de energía y una disposición de conmutación adaptada para conmutar el elemento de almacenamiento de energía dentro o fuera de la serie de celdas.
Además, el convertidor modular multinivel comprende una unidad de control que está adaptada para controlar las disposiciones de conmutación de las celdas,
El convertidor modular multinivel comprende un brazo convertidor medio dispuesto en serie entre el brazo convertidor superior e inferior, el brazo convertidor medio tiene una o más celdas dispuestas en serie, un nodo superior entre dicho brazo convertidor superior y medio y un nodo inferior entre dicho brazo convertidor inferior y medio, un elemento de puente superior dispuesto entre dicho nodo superior y un terminal de CA y un control de corriente de puente inferior dispuesto entre dicho nodo inferior y dicho terminal de CA.
La invención se basa en la idea de que el brazo convertidor medio puede usarse para soportar el brazo convertidor inferior o el brazo convertidor superior, dependiendo de la tensión de CA. De esta forma, el número de celdas necesarias para una determinada tensión del circuito intermedio se puede reducir en un 25%.
Existe un beneficio adicional en el tamaño del condensador. El brazo del convertidor medio soporta tanto el brazo del convertidor superior como el inferior y la ondulación de corriente resultante tiene el doble de frecuencia que la ondulación de la corriente en el brazo del convertidor superior e inferior. Debido al aumento de frecuencia, los condensadores de celda del brazo del convertidor medio se pueden reducir de tamaño sin afectar la corriente de ondulación.
Otras características que se pueden agregar solas o juntas en realizaciones ejemplares de la invención incluyen:
- Los medios de control pueden adoptar la forma de un microcontrolador como un FPGA. Puede estar adaptado para controlar dichos elementos de puente superior e inferior.
- La capacidad de tensión de cada uno de los elementos de puente puede tener una capacidad de tensión igual o superior a la del brazo convertidor intermedio.
- Los condensadores de las celdas en el brazo del convertidor medio pueden tener una capacidad menor que los condensadores del brazo del convertidor inferior o superior. En una realización adicional, los condensadores de las celdas en el brazo del convertidor medio pueden tener la mitad de la capacidad de los condensadores del brazo del convertidor inferior o superior. Una capacidad más pequeña conduce a un tamaño más pequeño de las celdas del brazo del convertidor medio.
- La capacidad de tensión del brazo convertidor medio, superior e inferior puede ser igual.
- Alternativamente, la capacidad de tensión del brazo convertidor medio puede ser más baja que la capacidad de tensión del brazo convertidor superior o inferior.
- Cada uno de los elementos puente comprende uno o más interruptores optimizados para bajas pérdidas de conducción. En una realización adicional, los conmutadores pueden ser IGCT (tiristores conmutados por puerta integrados). Esto reducirá ventajosamente las pérdidas totales, ya que los elementos de puente deben conmutar solo a una frecuencia relativamente baja del orden de la frecuencia de la red de suministro (50 Hz o 60 Hz). Los elementos de puente pueden conmutar al doble de la frecuencia de la red.
- Cada uno de los elementos de puente puede comprender uno o más diodos. Especialmente cuando el convertidor modular multinivel se utiliza como rectificador, el uso de diodos hace que el convertidor modular multinivel sea más barato y más sencillo de configurar y operar.
- Los elementos de puente puede comprender uno o más
tiristores con diodos inversos. De manera ventajosa
estos tienen bajas pérdidas de conducción.
- Uno o más de los brazos del convertidor superior, inferior y medio
pueden comprender una pluralidad de celdas.
- En una realización, las celdas del brazo convertidor superior e inferior son celdas de tipo puente completo mientras que las celdas del brazo convertidor medio son celdas de tipo medio puente. Esto puede permitir el bloqueo de fallo de CC al controlar el voltaje fase a fase entre las celdas con lo puentes completos para controlar la corriente desde el lado de CA al lado de CC.
- El convertidor modular multinivel puede comprender tres o más de dichas unidades de fase dispuestas en paralelo. Esto permite el funcionamiento trifásico del convertidor modular multinivel.
- El convertidor modular multinivel comprende un segundo elemento puente superior dispuesto entre dicho nodo superior y un terminal AC y un segundo control de corriente puente inferior dispuesto entre dicho nodo inferior y dicho terminal de CA. Estos segundos elementos de puente permiten eludir los elementos de puente y, por lo tanto, mejoran la fiabilidad del convertidor modular multinivel. Además, los segundos elementos de puente en paralelo reducen las pérdidas de conducción a la mitad.
- El convertidor modular multinivel puede comprender además un primer interruptor puente entre el punto medio del elemento puente superior e inferior y el terminal de CA y un segundo interruptor puente entre el punto medio del segundo elemento puente superior e inferior y el terminal CA. Estos conmutadores puente permiten desconectar el elemento puente y el segundo elemento puente, respectivamente. Por tanto, se puede controlar un cortocircuito en el elemento de puente superior o inferior desconectando ese elemento de puente en particular. Esto mejora la confiabilidad del convertidor modular multinivel. Lograr la misma confiabilidad sin los interruptores de puente requeriría interruptores adicionales en serie, lo que generaría mayores pérdidas.
La invención proporciona un método para operar el convertidor modular multinivel, en donde las unidades de fase están conectadas a una red de CC y los terminales de CA de las unidades de fase están conectados a una red de CA, la unidad de control controla las disposiciones de conmutación de las celdas del brazo del convertidor superior e inferior para adaptar la tensión del brazo del convertidor superior e inferior al nivel de tensión de CA y la unidad de control controla los elementos de puente encendiendo el elemento de puente superior cuando la tensión del brazo del convertidor inferior es mayor que la tensión del brazo de convertidor superior y encender el elemento puente inferior cuando la tensión del brazo del convertidor inferior es menor que la tensión del brazo del convertidor superior.
- Preferiblemente el otro de los elementos puente superior e inferior está desactivado.
- Dichas redes pueden ser redes de cargas o de suministro o cualquier otro tipo de red eléctrica.
- Preferiblemente, la unidad de control conmuta los elementos puente con una frecuencia que es el doble de la frecuencia de la tensión de CA.
- La unidad de control puede controlar las disposiciones de conmutación de las celdas del brazo convertidor medio de manera que los interruptores individuales se enciendan y/o apaguen cuando su tensión sea cero, reduciendo así las pérdidas de conmutación.
Las realizaciones de la presente invención se describen ahora con referencia a los dibujos adjuntos a los que no se limita la invención.
La figura 1 ilustra un convertidor multinivel modular según la técnica anterior;
Las figuras 2 y 3 ilustran ejemplos de celdas convertidoras;
La figura 4 ilustra una unidad de fase de un convertidor multinivel modular según un primer ejemplo que ayuda a comprender la invención;
La figura 5 ilustra una segunda unidad de fase de un convertidor modular multinivel de acuerdo con una realización;
La figura 6 ilustra un convertidor modular multinivel de fase única de acuerdo con un segundo ejemplo que ayuda a comprender la invención;
La figura 7 ilustra un convertidor multinivel modular trifásico de acuerdo con un tercer ejemplo que ayuda a comprender la invención;
Las figuras 8-10 ilustran ejemplos de elementos puente de las unidades de fase de las Figuras 4 y 5 y de los convertidores multinivel modulares de las Figuras 6 y 7; Las ilustraciones de los dibujos están en forma esquemática. Se observa que en diferentes figuras, elementos similares o idénticos utilizan los mismos signos de referencia.
La figura 1 ilustra una configuración básica de un convertidor multinivel modular M para convertir una tensión de CC en una tensión de CA o viceversa de acuerdo con la técnica anterior. La figura 1 solo muestra una unidad monofásica A del convertidor modular multinivel M. La unidad de fase A está conectada a una línea de CC con terminales de CC E1, E2 y tiene un terminal de CA A1. El número de unidades de fase A utilizadas en realizaciones reales de dicho convertidor multinivel modular M puede ser uno, dos, tres o más. Si el convertidor modular multinivel M comprende una pluralidad de unidades de fase A, estas por lo regular están dispuestas en paralelo, es decir, las unidades de fase A están conectadas cada una a la misma línea de CC mientras que sus terminales de CA individuales A1 forman los terminales de fase de CA.
Cada unidad de fase A comprende un brazo convertidor superior Z1 y un brazo convertidor inferior Z2, cada brazo convertidor Z1, Z2 tiene una pluralidad de celdas C de dos terminales dispuestas en serie. Además, cada brazo convertidor Z1, Z2 comprende un elemento inductivo en forma de bobinas L1, l2 en serie con la serie de celdas C. Los brazos convertidores Z1, Z2 a su vez están conectados en serie entre los terminales de CC E1, E2. En su forma más básica, las celdas C comprenden un elemento de almacenamiento de energía y una disposición de conmutación. El elemento de almacenamiento de energía suele ser un condensador. La disposición de conmutación permite que la celda C cortocircuitar sus dos terminales, sin pasar por el almacenamiento de energía, o colocar el elemento de almacenamiento de energía entre sus dos terminales.
El convertidor multinivel modular M comprende además una unidad de control adaptada para controlar las celdas C de las unidades de fase A para convertir entre los terminales de CC E1, E2 y los terminales de CA A1. Para hacer esto, cada celda C está adaptada para generar un paso de tensión cargando su almacenamiento de energía con el tensión de entrada respectivo o desde fuentes externas. La unidad de control está adaptada para encender parte de las celdas de una unidad de fase y para desviar el resto de las celdas de una unidad de fase A de modo que la suma de la tensión de las celdas activadas en la unidad de fase sea igual a la tensión de corriente continua. La relación de celdas activadas C entre el brazo convertidor superior e inferior Z1, Z2, establece el tensión en el terminal de CA A1 de la unidad de fase. La variación de la relación de forma sinusoidal puede crear un tensión de CA relativamente uniforme en el terminal de CA A1.
La figura 2 muestra una celda ejemplar CH. La celda CH es una celda de medio puente. Consta de un medio puente H1 de dos conmutadores H1a, H1b conectados en serie. Los conmutadores H1a, H1b pueden ser IGBT u otros tipos de conmutadores semiconductores. Un condensador CP está dispuesto en paralelo al medio puente H1. Un primer terminal CT1 de la celda de medio puente CH está formado por el nodo entre los conmutadores H1a, H1b del medio puente H1. Un segundo terminal CT2 de la celda de medio puente CH está formado por uno de los nodos exteriores del medio puente H1, en la figura 2 por el nodo inferior del conmutador H1a. La celda de medio puente CH es la forma más simple de una celda C para un convertidor modular multinivel M y puede desviar el condensador CP activando el interruptor H1a y es capaz de colocar el condensador CP en una sola polaridad entre sus terminales CT1, CT2 apagando el interruptor H1a y encendiendo el interruptor H1b.
La figura 3 muestra una celda ejemplar CF. La celda CF es una célula de puente completo. Consta de dos medios puentes H1, H2 de dos conmutadores conectados en serie H1a, H1b, H2a, H2b cada uno. Un condensador CP está dispuesto en paralelo a los puentes medios H1, H2. Como con la célula de medio puente CH, un primer terminal CT1 de la celda de puente completo CF está formado por el nodo entre los conmutadores H1a, H1b del medio puente H1. Por el contrario de la celda de puente medio CH, el segundo terminal CT2 de la celda de puente completo CF está formado por el nodo entre los conmutadores H2a, H2b del segundo medio puente H2. La celda de puente completo CF puede desviar el condensador CP activando un interruptor de cada uno de los medios puentes H1, H2. Además, es capaz de colocar el condensador CP entre sus terminales CT1, CT2 en ambas polaridades. Por lo tanto, es una celda C con capacidad extendida pero también con un mayor número de conmutadores.
La figura 4 muestra una unidad de fase 102 de un convertidor modular multinivel 100 de acuerdo con un ejemplo que ayuda a comprender la invención. La unidad de fase 102 comprende un primer y un segundo terminal de CC 104, 105 para la conexión a un tensión de CC tal como un enlace de CC. Dispuesta entre los terminales de CC 104, 105 hay una serie que comprende una primera inductividad 106, un brazo convertidor superior 108, un brazo convertidor medio 110, un brazo convertidor inferior 112 y una segunda inductividad 114. El nodo 116 entre el brazo convertidor superior 108 y el brazo convertidor medio 110 está conectado a un elemento puente superior 118 y más allá del elemento puente superior 118 a un terminal de CA 120. El nodo 122 entre el brazo convertidor inferior 112 y el brazo convertidor medio 110 está conectado a un elemento de puente inferior 124 y pasa el elemento puente inferior 124 al terminal de CA 120.
Al igual que con el convertidor modular multinivel M de la figura 1, el brazo convertidor superior e inferior 108, 112 comprenden cada uno al menos una celda C, pero por lo regular una serie de celdas C que pueden ser de cualquier tipo de celda, como la celda de medio puente CH o la celda de puente completo CF. El brazo convertidor superior e inferior 108, 112 también puede contener conexiones paralelas de celdas C. El brazo convertidor medio 110 también comprende al menos una celda C, pero por lo regular una serie de celdas C que pueden ser de cualquier tipo de celda, como la celda de medio puente CH o la celda de puente completo CF. El número de celdas C o el brazo convertidor medio 110 es por lo regular igual al número de celdas C en cada uno de los brazos convertidor superior e inferior 108, 112 pero hay realizaciones en las que el número de celdas C del brazo convertidor medio 110 es menor que el número de celdas C en cada uno de los brazos convertidores superior e inferior 108, 112.
La capacidad de tensión de los brazos convertidores 108, 110, 112 está vinculada al número de celdas C presentes en cada brazo convertidor 108, 110, 112 y la capacidad de tensión de los interruptores H1a, H1b, H2a, H2b en las celdas C. Mientras que en un convertidor modular multinivel M de la figura 1, la tensión nominal del brazo convertidor superior e inferior Z1, Z2 debe ser al menos igual al valor de tensión de CC esperado, la tensión nominal de los brazos convertidores 108, 110, 112 del convertidor modular multinivel de la figura 4 puede ser diferente. En una realización ventajosa, la clasificación de la tensión de cada uno de los brazos convertidores 108, 110, 112 es igual a la mitad del valor del voltaje de CC. Si se requiere redundancia, la capacidad de tensión de algunos o todos los brazos del convertidor puede incrementarse por encima de este valor.
A la inversa, la tensión nominal de los brazos convertidores 108, 110, 112 también puede asignarse de forma diferente. Por ejemplo, la tensión nominal de cada uno de los brazos convertidores superior e inferior 108, 112 puede ser igual a 2/3 de la tensión de CC, mientras que la tensión nominal del brazo convertidor medio debe ser entonces 1/3 de la tensión de CC. Nuevamente, algunos o todos los valores nominales de tensión se pueden aumentar por encima del valor requerido para la redundancia. En cada realización, la suma de los valores nominales de tensión de los brazos convertidores superior y medio 108, 110 y la suma de los valores nominales de tensión de los brazos convertidores inferior y medio 108, 110 debe ser al menos igual a la tensión de CC. Una restricción adicional es que la capacidad de tensión de cada uno de los brazos convertidores superior e inferior 108, 112 debe ser al menos la mitad de la tensión de CC.
Puede verse que cuando la tensión nominal de cada uno de los brazos convertidores 108, 110, 112 es igual a la mitad del valor de tensión de CC, la tensión nominal total de todas las celdas C combinadas es igual a 1,5 veces la tensión de CC. En un convertidor modular multinivel M de acuerdo con la técnica anterior con una tensión nominal de la tensión de CC para el brazo convertidor superior e inferior Z1, Z2, el número de celdas C es el doble de la tensión de CC. Por tanto, la unidad de fase 102 de la figura 4 requiere sólo el 75% de las celdas de una unidad de fase comparable de un convertidor multinivel modular estándar. Esto reduce el número de condensadores necesarios y, por lo tanto, el tamaño y el peso del convertidor modular multinivel 100.
La capacidad de tensión de los elementos puente 118, 124 debe ser al menos igual a la capacidad de tensión del brazo convertidor central 110.
La unidad de control del convertidor modular multinivel 100 controla las celdas C así como los elementos puente 118, 124 para ajustarse a las tensiones de CC y CA en los terminales 104, 105, 120. En el caso ejemplar de una conversión de tensión de CC a CA, esto significa que el número requerido de celdas C se conmuta a un estado activo en el que el condensador CP no se puentea para generar el valor instantáneo requerido del tensión de CA. Dado que el brazo del convertidor superior o inferior 108, 112 por sí solo no puede bloquear toda la tensión de CC, cualquier tensión de CA instantánea con un valor absoluto por encima de la capacidad de tensión del brazo del convertidor superior o inferior 108, 112 se genera agregando el brazo del convertidor medio 110 a cualquiera del brazo convertidor superior o inferior 108, 112, dependiendo de dónde deba bloquearse la tensión. La adición del brazo convertidor medio 110 al brazo convertidor inferior 112 se realiza encendiendo el elemento puente superior 118 y apagando el elemento puente inferior 124. La adición del brazo convertidor medio 110 al brazo convertidor superior 108 se realiza apagando el elemento puente superior 118 y encendiendo el elemento puente inferior 124. Puede verse que el estado de los elementos puente 118, 124 necesita cambiar solo en algún punto entre los valores máximos del valor de tensión de CA instantáneo, por ejemplo, cuando el valor de CA tiene un cruce por cero. Por tanto, el estado de los elementos puente 118, 124 necesita cambiar solo dos veces por onda completa de la frecuencia de CA, es decir, al doble de la frecuencia de tensión de CA. Esta frecuencia puede, por ejemplo, ser 100 Hz o 120 Hz y es bajo en comparación con la frecuencia a la que cambian los estados de las celdas C. Por lo tanto, los elementos puente 118, 124 se pueden construir ventajosamente utilizando interruptores optimizados para bajas pérdidas de conducción. Los elementos puente 118, 124 pueden, por ejemplo, construirse utilizando Ig Ct .
Cuando la unidad de control ha establecido el estado de los elementos de puente 118, 124 de manera que el brazo del convertidor medio 110 se agrega al brazo del convertidor inferior 112, la unidad de control puede tratar las celdas C de los brazos del convertidor inferior y medio 110, 112 como si fueran parte de un solo brazo convertidor. La suma de las clasificaciones de tensión de los brazos convertidores inferior y medio 110, 112 es al menos igual al tensión de CC, por lo que la activación de las celdas C de los brazos convertidores combinados 110, 112 para establecer el valor de tensión de CA se puede realizar de una manera conocida para convertidores modulares multinivel. Lo mismo es cierto para el brazo convertidor medio y superior combinado 108, 110, cuando la unidad de control ha establecido el estado de los elementos puente 118, 124 de modo que el brazo convertidor medio 110 se añade al brazo convertidor superior 108, que es el caso en el que el valor de tensión de CA instantáneo está más cerca del valor de tensión de CC más bajo en el segundo terminal de CC 105.
Cuando el valor absoluto de la tensión de CA está por debajo del valor que puede soportar el brazo convertidor inferior o superior 108, 112 solo, no es necesario añadir el brazo convertidor medio 110 a ninguno de los otros brazos convertidores 108, 112 . En cambio, la unidad de control puede desviar el brazo convertidor central 110 encendiendo ambos elementos puente 118, 124. Alternativamente, el brazo del convertidor medio 110 podría usarse para ayudar en el equilibrio de carga de los condensadores en la parte superior o inferior del brazo de condensador 108, 112.
La figura 5 muestra una segunda realización ejemplar de una unidad de fase 202 de un convertidor modular multinivel 100. La unidad de fase 202 comprende los elementos de la unidad de fase 102 de la figura 4, así como elementos adicionales.
Los elementos de puente superior e inferior 118, 124 están conectados en el nodo 204. En la unidad de fase 202 de la figura 5, el nodo 204 está conectado al terminal de CA 120 no directamente sino a través de un interruptor de desconexión 206.
Además, la unidad de fase 202 comprende un segundo elemento de puente superior 218 y un segundo elemento de puente inferior 224. Los segundos elementos de puente 218, 224 están dispuestos de manera similar a los elementos de puente 118, 124, es decir, el nodo 116 entre el brazo convertidor superior y medio 108, 110 está conectado al segundo elemento de puente superior 218. El nodo 122 entre el brazo convertidor inferior y medio 110, 112 está conectado al segundo elemento puente inferior 224. Los otros terminales de los segundos elementos puente 218, 224 están conectados en el nodo 208. El nodo 208 está conectado al terminal 120 de CA a través de un interruptor de desconexión 210.
La unidad de fase 202 añade así una vía de corriente secundaria a través de los elementos puente 118, 124, 218, 224. Esta ruta de corriente secundaria reduce las pérdidas de conducción que se producen en circunstancias normales. Durante el funcionamiento normal, los interruptores de desconexión 206, 210 se dejan por lo regular en un estado cerrado, es decir, conductivo.
Además, la ruta de corriente secundaria reduce la posibilidad de fallo de la unidad de fase 202. Las celdas C de los convertidores multinivel modulares generalmente se construyen de modo que una sola falla de un interruptor solo hará que la celda C individual no funcione, dejando al convertidor multinivel modular con solo una pequeña reducción de capacidad. Si el convertidor modular multinivel se construye con celdas C redundantes, es decir, con más celdas C de las necesarias para el funcionamiento normal, una sola falla no cambiará sus capacidades en absoluto. En la unidad de fase 102 de la figura 4, sin embargo, un fallo de un elemento puente 118, 124 puede dejar la unidad de fase 102 con una gran reducción de capacidad o no funcional. Sin embargo, un fallo de un elemento puente 118, 124, 218, 224 en la unidad de fase 202 de la figura 5 no dejará la unidad de fase 202 no funcional. Si un fallo de un elemento puente 118, 124, 218, 224 deja el elemento puente 118, 124, 218, 224 no conductor, el respectivo elemento puente paralelo 118, 124, 218, 224 puede llevar toda la corriente al nodo respectivo 116, 122. En este caso, solo aumentan las pérdidas de conducción, pero la función de la unidad de fase 202 no cambia. Si el fallo deja el elemento puente 118, 124, 218, 224 en cortocircuito, el respectivo interruptor de desconexión 206, 210 puede abrirse para desconectar el elemento puente particular 118, 124, 218, 224. Esto desconecta tanto el elemento de puente superior como el inferior respectivos 118, 124, 218, 224, lo que de nuevo aumenta las pérdidas de conducción, pero deja la unidad de fase 202, por lo demás, completamente funcional.
La figura 6 muestra un convertidor 300 multinivel modular monofásico construido a partir de unidades de fase 102 de la figura 4. El convertidor multinivel modular monofásico 300 usa dos de dichas unidades de fase 102 en disposición en paralelo. Las unidades de fase 102 están conectadas a las líneas de enlace de CC 302, 304 y los terminales de CA 120 de las unidades de fase forman los terminales de CA 306, 308 del convertidor multinivel modular monofásico 300. Alternativamente al uso de las unidades de fase 102 de la Figura 4, las unidades de fase 202 de la Figura 5 podrían usarse en el convertidor multinivel modular monofásico 300.
La figura 7 muestra un convertidor multinivel modular monofásico 400, de nuevo construido a partir de unidades de fase 102 de la figura 4. El convertidor multinivel modular trifásico 400 utiliza unidades trifásicas 102 en disposición en paralelo. Las unidades de fase 102 están conectadas a las líneas de enlace de CC 302, 304 y los terminales de CA 120 de las unidades de fase forman los terminales de CA 406, 408, 410 del convertidor multinivel modular trifásico 400. Alternativamente al uso de las unidades de fase 102 de la Figura 4, las unidades de fase 202 de la Figura 5 podrían usarse en el convertidor multinivel modular trifásico 400.
Los ejemplos o realizaciones específicos del convertidor multinivel modular monofásico 300 o el convertidor multinivel modular trifásico 400 pueden usar un elemento inductivo L1, L2 en el exterior, es decir, cerca de los terminales de CC 104, 105 como se muestra en las Figuras 4 a 7. Alternativamente, los elementos inductivos L1, L2 podrían disponerse de manera diferente, como cerca de los terminales de CA 120 o como elementos inductivos más pequeños dentro de las celdas C o entre las celdas C.
Algunos ejemplos o realizaciones del convertidor 300 multinivel modular monofásico o el convertido multinivel modular trifásico 400 pueden usar el mismo tipo de celdas C para todos los brazos del convertidor 108, 110, 112, por ejemplo, células de medio puente CH o células de puente completo CF. En otras realizaciones, se pueden usar diferentes tipos de células C. En una realización ventajosa, el brazo convertidor superior e inferior 108, 112 utiliza celdas de puente completo CH capaces de bloquear la falla de CC al controlar la tensión fase a fase entre las celdas C con las celdas de puente completo CF para controlar la corriente del lado de CA al lado de CC. El brazo del convertidor medio 110, que no es necesario para el bloqueo de fallas de CC, usa solo celdas de medio puente CH para un control más simple y menos interruptores.
Las figuras 8 a 10 muestran diferentes realizaciones de los elementos puente 118, 124, 218, 224. Cuando la tensión de CC está dentro de la capacidad de tensión de un solo interruptor, por ejemplo, cuando la tensión de CC es de 400 V, un solo interruptor 802, por ejemplo, se puede usar un IGBT como cada uno de los elementos puente 118, 124, 218, 224 como se muestra en la Figura 8. En este caso, puede ser que las unidades de fase 102, 202 solo utilicen una única celda C en cada uno de los brazos convertidores 108, 110, 112.
Cuando el tensión de CC está fuera de los límites de un solo dispositivo, se puede usar una serie de interruptores 902 tales como IGBT como cada uno de los elementos puente 118, 124, 218, 224 como se muestra en la Figura 9. La figura 10 muestra una tercera posibilidad en la que se utiliza una serie 1002 de diodos para cada uno de los elementos puente 118, 124, 218, 224. Se puede utilizar un solo diodo o una serie 1002 de diodos cuando el convertidor modular multinivel se utiliza como rectificador, es decir, en funcionamiento de CA a CC.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Un convertidor modular multinivel (300, 400) para convertir entre una tensión de CC y una tensión de CA, el convertidor modular multinivel (300, 400) que comprende
- por lo menos dos unidades de fase (102, 202) conectadas en paralelo y conectables a un terminal de CC, las unidades de fase (102, 202) cada una comprende un brazo convertidor superior (108) y un brazo convertidor inferior (112), cada brazo convertidor (108, 112) que tiene una o más celdas (C, CF, CH) que se disponen en serie, en donde cada celda (C, CF, CH) comprende un elemento de almacenamiento de energía (CP) y una disposición de interruptor adaptado para conmutar el elemento de almacenamiento de energía (CP) dentro o fuera de la serie de celdas (C, CF, CH),
- una unidad de control que se adapta para controlar las disposiciones de conmutador de las celdas (C, CF, CH), - un brazo convertidor medio (110) dispuesto en serie entre el brazo convertidor superior e inferior (108, 112), el brazo convertidor medio (110) tiene una o más celdas (C, CF, CH) que se disponen en serie,
- un nodo superior (116) entre dicho brazo convertidor superior y medio (108, 110) y un nodo inferior (122) entre dicho brazo convertidor inferior y medio (112, 110),
- un elemento de puente superior (118) dispuesto entre dicho nodo superior (116) y un terminal de CA (120),
- un elemento de puente inferior (124) dispuesto entre dicho nodo inferior (122) y dicho terminal de CA (120),
- un segundo elemento de puente superior (218) dispuesto entre dicho nodo superior (116) y dicho terminal de CA (120), - un segundo elemento de puente inferior (224) dispuesto entre dicho nodo inferior (122) y dicho terminal de CA (120), - un primer desconector (206) entre el punto medio (204) del elemento de puente superior e inferior (118, 124) y el terminal de CA (120) y
un segundo desconector (210) entre el punto medio (208) del segundo elemento de puente superior e inferior (218, 224) y el terminal de CA (120),
en donde los elementos de puente (118, 124, 218, 224) pueden encenderse o apagarse y los desconectores (206, 210) pueden abrirse para desconectar los elementos de puente particulares.
2. El convertidor modular multinivel (300, 400) de la reivindicación 1, en donde cada uno de los elementos de puente (118, 124) tiene una capacidad de tensión igual o superior a la del brazo convertidor medio (110).
3. El convertidor modular multinivel (300, 400) de la reivindicación 1 o 2, en donde los elementos de almacenamiento de energía (CP) son condensadores (CP) y los condensadores (CP) en el brazo convertido medio (110) tienen una menor capacidad que los condensadores (CP) del brazo convertidor inferior o superior (108, 112).
4. El convertidor modular multinivel (300, 400) de una o más de las reivindicaciones anteriores, en donde la capacidad de tensión del brazo convertidor medio, superior e inferior (108, 110, 112) son iguales.
5. El convertidor modular multinivel (300, 400) de la reivindicación 1 o 2, en donde la capacidad de tensión del brazo convertidor medio (110) es menor que la capacidad de voltaje del brazo convertidor superior y/o inferior (108, 112).
6. El convertidor modular multinivel (300, 400) de una de las reivindicaciones anteriores, en donde los elementos de puente (118, 124) cada uno comprende uno o más interruptores (802) que se optimizan para menores pérdidas de conducción.
7. El convertidor modular multinivel (300, 400) de una de las reivindicaciones anteriores, en donde los elementos de puente (118, 124) cada uno comprende uno o más tiristores con diodos inversos.
8. El convertidor modular multinivel (300, 400) de una de las reivindicaciones anteriores, en donde las celdas (C, CF, CH) del brazo convertidor superior e inferior (108, 112) son celdas de tipo puente completo (CF) y las celdas del brazo convertidor medio (110) son celdas de tipo medio puente (CH).
9. El convertidor modular multinivel (300, 400) de una de las reivindicaciones precedentes, que comprende tres o más de dichas unidades de fase (102, 202) dispuestas en paralelo.
10. Un método para operar el convertidor modular multinivel (300, 400) de una de las reivindicaciones precedentes, en donde las unidades de fase (102, 202) están conectadas a una red de CC y los terminales de CA (120) de las unidades de fase están conectados a una red de CA, la unidad de control controla las disposiciones de conmutación de las celdas (C, CF, CH) del brazo convertidor superior e inferior (108, 112) para adaptar el voltaje del brazo convertidor superior e inferior (108, 112) al nivel de tensión de CA y la unidad de control controla los elementos puente (118, 124) al
- encender el elemento puente superior (118) cuando la tensión del brazo convertidor inferior (112) es mayor que la tensión del brazo convertidor superior (108),
- encender el elemento puente inferior (124) cuando la tensión del brazo convertidor inferior (112) es mayor que la tensión del brazo convertidor superior (108), y
- apagar el otro de los elementos puente superior e inferior.
11. El método de la reivindicación 10, en donde la unidad de control conmuta los elementos puente (118, 124) con una frecuencia que es el doble de la frecuencia de la tensión de CA.
12. El método de la reivindicación 10 u 11, en donde la unidad de control controla las disposiciones de conmutador de las celdas (C, CF, CH) del brazo convertidos medio (110) de manera que los conmutadores individuales (H1a, H1b, H2a, H2b) se encienden y/o se apagan cuando su tensión es cero.
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