WO2018053660A1 - Convertidor multinivel para el control y transmisión de la energía eléctrica - Google Patents

Convertidor multinivel para el control y transmisión de la energía eléctrica Download PDF

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WO2018053660A1
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power switch
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Margarita NORAMBUENA VALDIVIA
José RODRIGUEZ PÉREZ
Samir KOURO RAENER
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Universidad Andrés Bello
Universidad Técnica Federico Santa María
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    • H02M1/0095—Hybrid converter topologies, e.g. NPC mixed with flying capacitor, thyristor converter mixed with MMC or charge pump mixed with buck

Definitions

  • the present invention relates to the conversion of electrical energy operating with fewer components, saving costs, losses, size and weight, allowing the reduction of volume and accessibility to the transformation of electrical energy for use in various applications, more specifically to a Multilevel Converter for the control and transformation of electrical energy within the scope of power electronics.
  • An energy converter is an electronic system or equipment that aims to convert electrical energy between two different formats. For example, obtain direct current from alternating current.
  • the initial converter concept can be extended to include aspects such as efficiency, reversibility, degree of ideality, reliability, volume or technology, to name the most important.
  • Converters can be classified according to different criteria. One of the most commonly used is to group them according to the format of the input and output energies. Basically and according to this criterion four large groups can be established:
  • Power Converters have been widely developed and studied, being currently used those that allow the generation of voltage multilevel at the exit.
  • Multilevel converters include an arrangement of power semiconductors and capacitors as voltage sources, the voltage generated at the output is in the form of a stepped wave considering that the switches close and open at different times, depending on the number of power switches the voltage at the output it grows by adding the capacitor voltage, while the power switches withstand reduced voltages.
  • Multi-level converters powered by voltage have emerged as a new converter option for high power applications.
  • multilevel converters There are different topologies of multilevel converters, however, they can be classified into three basic structures: ⁇ Multilevel converter with fixing diode (Diode-Clamped Converter or NPC (Neutral
  • Multi-level cascade converter • Multi-level cascade converter. ⁇ Cascade Full-Bridge Converter). Table 1: Advantages and Disadvantages of Multilevel Converters
  • the main advantage of multilevel converters is the reduction of harmonic components in electrical variables. These equipments are also used for the transformation of energy in applications such as motors and drives.
  • the converter is characterized in that the transformer core structures of a first and second transformer unit form a shared core with a return defining a shared section of the respective closed magnetic flux paths of the primary and secondary transformer unit.
  • Keith Alien titled “CASCADED MULTI-LEVEL H-BRIDGE DRIVE”, describes a multi-level inverter that is built by cascading several levels of H-bridge inverters, and provides different voltage inputs to additional multi-level converters. Voltage values are selected in order to provide a greater number of output levels. This arrangement can provide up to fifteen output levels if regenerative voltage sources are used and up to eleven output levels if a non-renewable voltage source is used.
  • Patent application document WO2015041691 dated 03-26-2015, of the inventors Fan Shengfang; Xue Yaosuo, titled "A NEW FOUR-LEVEL CONVERTER CELL TOPOLOGY FOR CASCADED MODULAR MULTILEVEL CONVERTERS”, discloses a modular multi-level cascade converter that has a plurality of 4-level converters, where each AC phase generates the voltage waveform of levels Multiple compounds of different output. Each module is a controlled voltage source. He Number of voltage levels in the cascade converter is determined by the number of modules in each phase and the voltage levels generated by each module.
  • Figure 1 shows a three-phase converter formed by two basic cells of the present invention.
  • Figure 2A shows a 3-level back-to-back commercial converter.
  • Figure 2B shows the converter of the present invention in the case of 3 levels and 6 phases, 3 input and 3 output, which allows a back-to-back connection.
  • the present invention discloses a multilevel converter to perform the conversion of electric energy operating with fewer components saving costs, losses, size and weight, allowing the reduction of volume and accessibility to the transformation of electric energy for use in various applications
  • the multilevel converter of the present invention comprises a basic cell formed by a capacitor and three power switches (IGBT or MOSFET), each cell provides an additional level to the output.
  • the output of the converter is generated through the connection of two power switches per phase.
  • each basic stock (1 1' and 1 1) is formed by:
  • a power switch (S 4 , S t ) that interconnects the positive bus between the basic cells (1 1 ', 1 1) in adjacent series and / or between a basic cell (1 1') and a voltage source continuous (represented by C3);
  • N n corresponds to the number of levels obtained and N c to the number of basic cells that make up the converter.
  • each connected basic cell provides an additional level to the output.
  • the amount of voltage levels generated is independent of the number of outputs used, whether for 1 phase, 3 phases, 6 phases or phases. Only 3 basic cells connected in series are required to have 5 voltage levels in each of the output phases regardless of the number, the only thing that varies as the number of output phases varies is the number of power switches in series connected in parallel to the last connected basic cell.
  • Figure 2A shows two commercial converters of floating capacitors of three voltage levels at a first output (21) and a second output (22). Each of these converters is identical to the other and has three output phases: A, B, C at the first output (21) and U, V, W at the second output (22), this type of configuration is known as connection back-to-back (back to back), as both converters are connected through the continuous link.
  • this direct voltage link is represented by capacitor C2.
  • the floating capacitor converter is composed of a basic cell (23) that conforms to two power switches and a capacitor.
  • the output of each phase is made up of two power switches. In total, for a back-to-back configuration of a capacitor converter Floating 3 voltage levels require a total of 24 power switches and 6 capacitors plus the continuous link capacitor.
  • Figure 2B shows the topology of the present invention in a back-to-back configuration with three voltage levels at the output of each phase, such as the converter of Figure 2A.
  • the outputs A, B, C in the first output (25) correspond to the same three phases shown in the first output (21) of Figure 2A, while the outputs U, V, W in the second output (26) correspond to the three phases shown in the second output (22) of Figure 2A.
  • the present invention requires a basic cell (24) to generate three voltage levels at each output of the converter, such as the floating capacitor converter (23) of Figure 2A, the difference is that the proposed invention only requires one cell, independent of the amount of output phases required, as shown in Figure 2B, while the commercial topology requires one cell for each output phase (21, 22).
  • the capacitor C2 of Figure 2B corresponds to the continuous link capacitor between input A, B, C and output U, V, W.
  • Table 2 shows a numerical comparison of the quantity of components for various multilevel topologies currently on the market and the proposal of the present invention.
  • Table 2 Comparative table of converters with 6 output phases (back-to-back)

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  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Un convertidor multinivel que opera con menor cantidad de componentes, ahorrando costos, pérdidas, tamaño y peso, permitiendo la reducción de volumen y la accesibilidad al control y transformación de energía eléctrica, que comprende al menos una celda básica compuesta por: a) un primer interruptor de potencia que interconecta el bus positivo entre dicha al menos una celda básica y al menos otra celda básica conectadas en cascada entre sí y/o una celda básica y una fuente de tensión continua; b) un segundo interruptor de potencia que interconecta el bus negativo entre dicha al menos una celda básica y al menos otra celda básica conectadas en cascada entre sí; y/o una celda básica y la fuente de tensión continua del punto a); y c) un condensador con un tercer interruptor de potencia, ambos conectados en serie entre sí e interconectados entre el bus positivo y el negativo.

Description

CONVERTIDOR MULTINIVEL PARA EL CONTROL Y TRANSMISIÓN DE LA
ENERGÍA ELÉCTRICA CAMPO DE APLICACIÓN
La presente invención se refiere a realizar la conversión de energía eléctrica operando con menor cantidad de componentes, ahorrando costos, pérdidas, tamaño y peso, permitiendo la reducción de volumen y la accesibilidad a la transformación de energía eléctrica para la utilización en diversa aplicaciones, más específicamente a un Convertidor Multinivel para el control y transformación de la energía eléctrica dentro del ámbito de la electrónica de potencia.
DESCRIPCIÓN DEL ARTE PREVIO
El desarrollo tecnológico experimentado por todos los ámbitos de nuestra sociedad en los últimos cuarenta años se debe en gran parte por el avance que ha alcanzado la electrónica de potencia. Esta rama de la tecnología es responsable de transformar los distintos modos de uso de la energía eléctrica para adaptarla a múltiples aplicaciones como el control de velocidad de motores eléctricos, funcionamiento de aparatos domésticos (electrodomésticos, ordenadores, etc.), equipos de comunicaciones, control de procesos y equipos industriales, así como en el ámbito de la generación, transporte, distribución y almacenamiento de energía eléctrica.
En nuestra actual sociedad, la energía eléctrica constituye un pilar fundamental en las diversas actividades desarrolladas día a día, tanto la utilización como el transporte de la misma.
La naturaleza de la energía eléctrica impone una serie de requisitos para su producción y transporte muy diferente a otros tipos de energía. Parámetros como la tensión, la forma de la señal, la frecuencia y el factor de potencia, llevan impuestos ciertos límites para garantizar la estabilidad de la red y el correcto suministro de la electricidad en los puntos de consumo. Sin embargo, la forma de generar energía eléctrica no es uniforme y cada fuente energética la produce de una forma particular, presentando una amplia variedad de valores de los distintos parámetros mencionados anteriormente. Los convertidores electrónicos alterna-continua (AC/DC) que alimentan las líneas de transporte en corriente continua y alterna de alta tensión (HVDC y HVAC) y los convertidores continua-continua (DC/DC) que adaptan la tensión de las baterías a los distintos circuitos microelectrónicos (automóviles eléctricos) son claros ejemplos de aplicación donde se requiere una transformación de la energía eléctrica con el mayor rendimiento posible.
Un convertidor de energía es un sistema o equipo electrónico que tiene por objetivo la conversión de energía eléctrica entre dos formatos diferentes. Por ejemplo, obtener corriente continua a partir de corriente alterna. El concepto inicial de convertidor puede extenderse para incluir aspectos como: eficiencia, reversibilidad, grado de idealidad, fiabilidad, volumen o tecnología, por citar las más importantes.
Los convertidores pueden clasificarse según diferentes criterios. Uno de los más comúnmente utilizados es agruparlos según el formato de las energías de entrada y salida. Básicamente y según este criterio pueden establecerse cuatro grandes grupos:
• Convertidores AC/AC.
• Convertidores AC/DC o rectificadores.
• Convertidores DC/DC.
• Convertidores DC/AC o inversores.
La transmisión de energía eléctrica requiere en sus puntos de conexión y distribución, de equipos que transformen la energía de un medio a otro, estos equipos denominados Convertidores de Potencia, han sido ampliamente desarrollados y estudiados, siendo actualmente empleados aquellos que permiten la generación de tensión multinivel en la salida.
Los convertidores multinivel incluyen un arreglo de semiconductores de potencia y capacitores como fuentes de tensión, la tensión generada a la salida tiene forma de onda escalonada considerando que los interruptores se cierran y se abren en tiempos diferentes, dependiendo del número de interruptores de potencia la tensión en la salida crece sumando la tensión de los capacitores, mientras que los interruptores de potencia soportan tensiones reducidas.
Los convertidores multinivel alimentados en tensión han surgido como una nueva opción de convertidor para aplicaciones de alta potencia. Existen diferentes topologías de convertidores multinivel, sin embargo, se pueden clasificar en tres estructuras básicas: · Convertidor multinivel con diodo fijador (Diode-Clamped Converter o NPC (Neutral
Point Clamped Con verter)).
• Convertidor multinivel con condensadores flotantes (Flying Capacitor Converter).
• Convertidor multinivel en cascada. {Cascade Full-Bridge Converter). Tabla 1 : Ventajas y Desventajas de Convertidores Multinivel
Figure imgf000005_0001
La principal ventaja de los convertidores multinivel es la reducción de componentes armónicas en las variables eléctricas. Estos equipos son empleados también para la transformación de la energía en aplicaciones tales como motores y accionamientos.
Existe una gran variedad de Convertidores Multinivel en el estado de la técnica, es así como la solicitud de patente CL 201202458, de fecha 04-09-2012, del inventor Ruiz Caballero Domingo Antonio, divulga un inversor multinivel híbrido reductor y/o elevador de tensión para aplicaciones en donde la tensión continua de entrada sea de bajo valor o de gran variación.
El documento de patente EP20050405463, de fecha 07-02-2007, de los inventores Stefanutti Philippe; Zueger Harry; Hugo Nicolás; Dormía Georges; Descollaz Bernard, titulado "Transformer arrangement and multilevel converter", describe un convertidor multinivel, con dos niveles de convertidor (N=2), incluyendo cada nivel un convertidor primario conectado a un devanado primario de una unidad de transformador, un convertidor secundario conectado a un devanado secundario de la unidad de transformador y una estructura de núcleo de transformador que define un recorrido de flujo magnético cerrado para acoplar magnéticamente el devanado primario y secundario. El convertidor se caracteriza porque las estructuras del núcleo del transformador de una primera y segunda unidad del transformador forman un núcleo compartido con un retorno definiendo una sección compartida de los respectivos recorridos de flujo magnético cerrados de la unidad de transformador primario y secundario.
El documento de patente US6697271 B2 de fecha 24-02-2004, del inventor Corzine
Keith Alien, titulado "CASCADED MULTI-LEVEL H-BRIDGE DRIVE", describe un inversor de múltiples niveles que se construye conectando en cascada varios niveles de inversores con puente H, y proporciona diferentes entradas de tensión a los convertidores multinivel adicionales. Los valores de tensión se seleccionan con el fin de proporcionar un mayor número de niveles de salida. Esta disposición puede proporcionar hasta quince niveles de salida si se utilizan fuentes de tensión regenerativos y hasta once niveles de salida si se utiliza una fuente de tensión no renovable.
El documento de solicitud de patente US201313955607, de fecha 31 -07-2013, de los inventores Andrew Alien Rockhill, Di Zhang, Luis José Garcés, titulado "Multilevel converter system", describe un convertidor de potencia que incluye al menos una fase con una pluralidad de unidades de conmutación, donde dichas unidades de conmutación están acopladas entre sí de una manera que al menos dos unidades de conmutación tienen diferentes tensiones de funcionamiento.
El documento solicitud de patente WO2015131931 , de fecha 1 1 -09-2015, de los inventores Amel Lachichi; Frans Dijkhuizen; Mats Hyttinen; Muhammad Nawaz; Nan Chen, titulado "MULTILEVEL CONVERTER", divulga un convertidor multinivel que comprende un módulo de medio puente que tiene una unidad de condensadores y al menos dos interruptores, una unidad de puerta configurada para controlar los interruptores, un conductor eléctrico, al menos una primera y segunda porción terminal y una subcelda.
El documento solicitud de patente WO2015041691 de fecha 26-03-2015, de los inventores Fan Shengfang; Xue Yaosuo, titulado "A NEW FOUR-LEVEL CONVERTER CELL TOPOLOGY FOR CASCADED MODULAR MULTILEVEL CONVERTERS", divulga un convertidor multinivel modular en cascada que tiene una pluralidad de convertidores de 4 niveles, donde cada fase AC genera las formas de onda de tensión de niveles múltiples compuestos de diferentes salida. Cada módulo es una fuente de tensión controlada. El número de niveles de tensión en el convertidor en cascada se determina por el número de módulos en cada fase y los niveles de tensión generados por cada módulo.
Uno de los principales problemas que presentan hoy en día todos estos convertidores multinivel son su tamaño, peso y costo, los cuales limitan la accesibilidad y maniobrabilidad de los mismos. Esta problemática abre la posibilidad de introducir una nueva topología capaz de reducir su volumen, la cantidad de componentes empleados, el costo asociado y las pérdidas involucradas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La figura 1 muestra un convertidor trifásico conformado por dos celdas básicas de la presente invención.
La figura 2A (Arte Previo) muestra un convertidor comercial back-to-back de 3 niveles. La figura 2B muestra el convertidor de la presente invención para el caso de 3 niveles y 6 fases, 3 de entrada y 3 de salida, lo que permite tener una conexión back-to-back.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La presente invención divulga un convertidor multinivel para realizar la conversión de energía eléctrica operando con menor cantidad de componentes ahorrando costos, pérdidas, tamaño y peso, permitiendo la reducción de volumen y la accesibilidad a la transformación de energía eléctrica para la utilización en diversa aplicaciones
El convertidor multinivel de la presente invención comprende una celda básica formada por un condensador y tres interruptores de potencia (IGBT o MOSFET), cada celda aporta un nivel adicional a la salida. La salida del convertidor se genera a través de la conexión de dos interruptores de potencia por fase.
Como muestra la figura 1 , las celdas básicas (1 1 ' y 1 1 ) están conectadas en cascada, donde cada calda básica (1 1 ' y 1 1 ) está formada por:
a) un interruptor de potencia (S4 , St) que interconecta el bus positivo entre las celdas básicas (1 1 ', 1 1 ) en serie contiguas y/o entre una celda básica (1 1 ') y una fuente de tensión continua (representada por C3);
b) un interruptor de potencia (S6 , S2) que interconecta el bus negativo entre las celdas básicas (1 1 ', 1 1 ) en serie contiguas y/o entre una celda básica (1 1 ') y la fuente de tensión continua del punto anterior (representada por C3); y c) un condensador (C1 , C2) con un interruptor de potencia (S5, S3) en serie conectados entre el bus positivo y el negativo. La salida (12) de cada fase del convertidor (1 ) se obtiene en el punto medio de dos interruptores de potencia conectados en serie entre sí y en paralelo entre el polo positivo y negativo de la última celda básica del convertidor. Así se tienen dos primeros interruptores de potencia (S7, S7) conectados en serie para la fase de salida A, dos segundos interruptores de potencia (S8, S8) conectados en serie para la fase de salida B y dos terceros interruptores de potencia (S9, S9) conectados en serie para la fase de salida C. Todos estos interruptores de potencia están conectados en paralelo a la última celda básica que posea el convertidor multinivel de la presente invención.
La cantidad de niveles generados a la salida del convertidor viene dada por la ecuación:
Nn = Nc + 2
Donde Nn corresponde al número de niveles obtenidos y Nc al número de celdas básicas que conforman el convertidor.
Por lo tanto, cada celda básica conectada aporta un nivel adicional a la salida. La cantidad de niveles de tensión generados es independiente de la cantidad de salidas empleadas, ya sea para 1 fase, 3 fases, 6 fases o fases. Se requieren únicamente 3 celdas básicas conectadas en serie para tener 5 niveles de tensión en cada una de las fases de salida independiente del número que sean, lo único que varía al variar el número de fases de salida es la cantidad de interruptores de potencia en serie conectados en paralelo a la última celda básica conectada.
La figura 1 muestra el detalle de la celda básica y de la configuración para tres salidas independientes (A, B, C) (convertidor trifásico). Dado que en este caso el convertidor está conformado por dos celdas básicas Nc = 2 la cantidad de niveles obtenidos en cada una de las fases corresponde a Nn = 4. El condensador C3 en la topología mostrada es el enlace de continua, el convertidor realiza la conversión de energía alterna a continua y viceversa.
La figura 2A muestra dos convertidores comerciales de condensadores flotantes de tres niveles de tensión a una primera salida (21 ) y a una segunda salida (22). Cada uno de estos convertidores es idéntico al otro y poseen tres fases de salida: A, B, C en la primera salida (21 ) y U, V, W en la segunda salida (22), este tipo de configuración es conocida como conexión back-to-back (espalda con espalda), pues ambos convertidores están conectados a través del enlace de continua. En la figura 2A, este enlace de tensión continua se encuentra representado por el condensador C2. El convertidor de condensador flotante está compuesto por una celda básica (23) que se conforma con dos interruptores de potencia y un condensador. Finalmente la salida de cada fase está conformada por dos interruptores de potencia. En total, para una configuración back-to-back de un convertidor de condensadores flotantes de 3 niveles de tensión se requiere un total de 24 interruptores de potencia y 6 condensadores más el condensador de enlace de continua.
La figura 2B muestra la topología de la presente invención en una configuración back- to-back con tres niveles de tensión a la salida de cada fase, tal como el convertidor de la figura 2A. Las salidas A, B, C en la primera salida (25) corresponden a las mismas tres fases mostradas en la primera salida (21 ) de la figura 2A, mientras que las salidas U, V, W en la segunda salida (26) corresponden a las tres fases mostradas en la segunda salida (22) de la figura 2A. La presente invención requiere de una celda básica (24) para generar tres niveles de tensión en cada salida del convertidor, tal como el convertidor de condensador flotante (23) de la figura 2A, la diferencia es que la invención propuesta solo requiere una celda, independiente de la cantidad de fases de salida requeridas, tal como se muestra en la figura 2B, mientras que la topología comercial requiere una celda por cada fase de salida (21 , 22). El condensador C2 de la figura 2B corresponde al condensador de enlace de continua entre la entrada A, B, C y la salida U, V, W.
La tabla 2 muestra una comparación numérica de la cantidad de componentes para diversas topologías multinivel actualmente en el mercado y la propuesta de la presente invención.
Tabla 2: Tabla comparativa de convertidores con 6 fases de salida (back-to-back)
Figure imgf000009_0001

Claims

REIVINDICACIONES
Un convertidor multinivel que opera con menor cantidad de componentes, ahorrando costos, pérdidas, tamaño y peso, permitiendo la reducción de volumen y la accesibilidad al control y transformación de energía eléctrica, CARACTERIZADO porque comprende al menos una celda básica compuesta por:
a. un primer interruptor de potencia que interconecta el bus positivo entre dicha al menos una celda básica y al menos otra celda básica conectadas en cascada entre sí;
b. un segundo interruptor de potencia que interconecta el bus negativo entre dicha al menos una celda básica y al menos otra celda básica conectadas en cascada entre sí; y
c. un condensador con un tercer interruptor de potencia, ambos conectados en serie entre sí e interconectados entre el bus positivo y el negativo.
Un convertidor multinivel que opera con menor cantidad de componentes, ahorrando costos, pérdidas, tamaño y peso, permitiendo la reducción de volumen y la accesibilidad al control y transformación de energía eléctrica, CARACTERIZADO porque comprende al menos una celda básica compuesta por:
a. un primer interruptor de potencia que interconecta el bus positivo entre dicha al menos una celda básica y una fuente de tensión continua;
b. un segundo interruptor de potencia que interconecta el bus negativo entre dicha al menos una celda básica y una fuente de tensión continua; y c. un condensador con un tercer interruptor de potencia, ambos conectados en serie e interconectados entre el bus positivo y el negativo.
El convertidor multinivel de la reivindicación 1 o 2, CARACTERIZADO porque la salida de cada fase del convertidor multinivel se obtiene en el punto medio de dos interruptores de potencia de salida conectados en serie entre sí y en paralelo entre el polo positivo y negativo de la última celda básica conectada del convertidor.
El convertidor multinivel de la reivindicación 3, CARACTERIZADO porque la cantidad de niveles de tensión generados por fase de salida viene dada por:
Nn = Nc + 2 Donde Nn corresponde al número de niveles de tensión obtenidos entre una fase de salida y el neutro del convertidor multinivel y Nc al número de celdas básicas que conforman el convertidor multinivel.
El convertidor multinivel de la reivindicación 4, CARACTERIZADO porque la cantidad de niveles de tensión obtenidos es independiente de la cantidad de salidas empleadas, ya sea para una fase, tres fases, seis fases o Nf fases.
PCT/CL2017/050053 2016-09-20 2017-09-20 Convertidor multinivel para el control y transmisión de la energía eléctrica WO2018053660A1 (es)

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