ES2327371B1 - CONTROL LOOP TO CORRECT THE UNBALANCE OF THE ELEMENTAL VOLTAGES OF MULTI-LEVEL STATIC CONVERTERS OF MORE THAN THREE LEVELS. - Google Patents
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Abstract
Lazo de control para corregir el desequilibrio de las tensiones elementales de convertidores estáticos multinivel de más de tres niveles.Control loop to correct the imbalance of the elementary voltages of multilevel static converters of more than three levels.
Se presenta una estrategia de control en lazo cerrado para corregir el desequilibrio de las tensiones elementales de convertidores estáticos multinivel de cuatro o más niveles, y una o más fases.A loop control strategy is presented closed to correct the imbalance of elementary tensions of multi-level static converters of four or more levels, and One or more phases.
A partir de los valores sensados de las tensiones de los condensadores que permiten el acceso a los distintos niveles de tensión (y, en determinados casos, de las corrientes de fase), el control determina una acción de perturbado de las relaciones de servicio de fase que permite recuperar el equilibrio.From the sensed values of the capacitor voltages that allow access to different levels of tension (and, in certain cases, of the phase currents), the control determines a disturbed action of the phase service relationships that allow recovering the Balance.
El control propuesto es aplicable a cualquier sistema que incorpore un convertidor estático de más de tres niveles, como, por ejemplo, accionamientos de motores eléctricos de corriente alterna (ca), sistemas de aprovechamiento de energías renovables, equipos de tracción eléctrica, sistemas de alimentación, etc.The proposed control is applicable to any system that incorporates a static converter of more than three levels, such as, for example, electric motor drives of alternating current (ac), energy utilization systems Renewables, electric traction equipment, power systems, etc.
Description
Lazo de control para corregir el desequilibrio de las tensiones elementales de convertidores estáticos multinivel de más de tres niveles.Control loop to correct the imbalance of the elementary voltages of multilevel static converters of more than three levels.
Hardware electrónico para sistemas eléctricos y electrónicos de potencia.Electronic hardware for electrical systems and power electronics
Las técnicas de conversión multinivel han abierto una puerta a avances en la tecnología de conversión de energía eléctrica. Para una tecnología concreta de semiconductores, estas técnicas permiten una mayor capacidad de potencia por convertidor, una mayor eficiencia y menor distorsión armónica. Entre las diferentes topologías multinivel propuestas, aquellas en las que se generan los múltiples niveles de tensión pasivamente a través de un conjunto de condensadores (por ejemplo, las topologías "diode-clamped") son especialmente interesantes debido a su simplicidad. Pero estas topologías (en especial para el caso trifásico) presentan el problema de garantizar el equilibrado de las tensiones de los condensadores para que los dispositivos soporten la misma tensión y se obtengan buenas características de funcionamiento del sistema.Multilevel conversion techniques have opened a door to advances in conversion technology electric power. For a specific semiconductor technology, these techniques allow a greater capacity of power by converter, greater efficiency and less harmonic distortion. Between the different multilevel topologies proposed, those in the that multiple stress levels are generated passively at through a set of capacitors (for example, topologies "diode-clamped") are especially interesting Due to its simplicity. But these topologies (especially for the three-phase case) present the problem of ensuring balanced of the capacitor voltages so that the devices withstand the same tension and obtain good characteristics of system operation
Varios estudios se han centrado en resolver el problema del equilibrado de las tensiones de los condensadores de estos convertidores multinivel definiendo estrategias de modulación y lazos de control adecuados. Pero las soluciones propuestas son incapaces de controlar el equilibrado (corregir desequilibrios y mantener equilibrio) de las tensiones de los condensadores para ciertas condiciones de operación del convertidor, sobre todo a medida que el número de niveles aumenta. Para garantizar el equilibrado en un mayor rango de condiciones de operación, en la literatura se propone añadir circuitos adicionales específicamente diseñados con este propósito, añadir una rama adicional al convertidor, o bien conectar dos convertidores multinivel en configuración "back-to-back".Several studies have focused on solving the problem of the balancing of the capacitor voltages of these multilevel converters defining modulation strategies and adequate control ties. But the proposed solutions are unable to control the balance (correct imbalances and maintain balance) of the capacitor voltages to certain operating conditions of the converter, especially at as the number of levels increases. To guarantee the balanced in a wider range of operating conditions, in the literature intends to add additional circuits specifically designed for this purpose, add an additional branch to the converter, or connect two multilevel converters in setting "back-to-back".
Se define un sistema de control para convertidores estáticos multinivel de una o más fases. La invención se describe en el caso particular de un sistema trifásico, por ser éste especialmente relevante. La extensión de la misma a otro número de fases es inmediata.A control system is defined for static multilevel converters of one or more phases. The invention it is described in the particular case of a three-phase system, because it is this one especially relevant. The extension of it to another number Phase is immediate.
La Figura 1 presenta un esquema funcional de un convertidor de n niveles trifásico. Se presenta un bus de corriente continua (cc) de tensión V_{cc} al que se conecta una asociación serie de n-1 elementos capacitivos o condensadores. En cada instante de tiempo, cada una de las tres fases (a, b y c) se conecta a uno de los puntos de conexión del bus de cc (1, 2,..., n) mediante el control de los interruptores de n posiciones S_{a}, S_{b}, y S_{c}. Clasificamos los puntos de conexión del bus de cc en dos grupos: externos (1 y n) e internos (2, 3,..., n-1).Figure 1 presents a functional scheme of a three-phase n- level converter. A direct current (cc) bus of voltage V cc is presented to which a series association of n -1 capacitive elements or capacitors is connected. At each instant of time, each of the three phases ( a , b and c ) is connected to one of the connection points of the DC bus (1, 2, ..., n ) by controlling the circuit breakers. n positions S_ {a}, S_ {b}, and S_ {c}. We classify the connection points of the DC bus into two groups: external (1 and n ) and internal (2, 3, ..., n -1).
La diferencia de tensión entre dos puntos consecutivos del bus de cc se designa como tensión elemental. Estas tensiones elementales son, en la Figura 1, las tensiones de los condensadores del bus de cc: v_{C1}, v_{C2}, ..., v_{Cn-1}. La condición de equilibrio de estas tensiones se puede formular:The voltage difference between two consecutive points of the DC bus is designated as elementary voltage . These elementary voltages are, in Figure 1, the voltages of the dc bus capacitors: v C1, v C2, ..., v Cn-1. The equilibrium condition of these tensions can be formulated:
También se podría considerar como condición de equilibrio cualquier otra relación entre estas tensiones. Es decir:It could also be considered as a condition of balance any other relationship between these tensions. Is tell:
Pero por ser el caso más típico, consideraremos en la descripción la relación descrita en la ecuación (1).But for being the most typical case, we will consider in the description the relationship described in equation (1).
Las corrientes i_{j}, (j = 2, 3,..., n-1) que circulan desde los puntos internos del bus de cc afectan al equilibrio de las tensiones de los condensadores. Parte de la corriente i_{j} circula a través de los n-j condensadores superiores y la otra parte a través de los j-1 condensadores inferiores, tal como se muestra en la Figura 2. Esto provoca la variación de las tensiones parciales del bus de cc v_{nj} y v_{j1}:The currents i j, ( j = 2, 3, ..., n -1) that circulate from the internal points of the DC bus affect the balance of the capacitor voltages. Part of the current i j circulates through the n - j upper capacitors and the other part through the j- 1 lower capacitors, as shown in Figure 2. This causes the variation of the partial voltages of the DC bus v nj and v j1:
Gracias a esta propiedad, podemos extraer/inyectar una corriente i_{j} para forzar que las tensiones parciales asociadas alcancen su correspondiente condición de equilibrio:Thanks to this property, we can extract / inject a current i j to force the associated partial voltages to reach their corresponding equilibrium condition:
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Cumplir la condición (4) para j = 2, 3,..., n-1 es equivalente a cumplir la condición (1). Por lo tanto, cumplir la condición (4) para todos los puntos internos del bus de cc garantiza el equilibrado de todas las tensiones de los condensadores del bus de cc.Fulfilling the condition (4) for j = 2, 3, ..., n -1 is equivalent to fulfilling the condition (1). Therefore, fulfilling the condition (4) for all internal points of the DC bus guarantees the balancing of all the capacitor voltages of the DC bus.
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En el control de un convertidor estático como el de la Figura 1, el tiempo se considera dividido en porciones consecutivas de duración T_{s} segundos, siendo T_{s} típicamente un valor constante. Cada una de estas porciones de tiempo se denomina ciclo de conmutación. En cada ciclo de conmutación, cada una de las fases se conecta sucesivamente a los distintos puntos del bus de cc, de acuerdo con una secuencia predeterminada y con una duración definida por los valores de las relaciones de servicio ("duty ratio") calculadas para ese ciclo de conmutación. La relación de servicio de la fase x (x \in {a, b, c}) respecto al punto del bus de cc y (y \in {1, 2,..., n}) se define como:In the control of a static converter like that of Figure 1, the time is considered divided into consecutive portions of duration T s seconds, with T s being typically a constant value. Each of these time portions is called the switching cycle. In each switching cycle, each of the phases is connected successively to the different points of the DC bus, in accordance with a predetermined sequence and with a duration defined by the values of the duty ratios calculated for That switching cycle. The service relationship of phase x ( x \ in { a , b , c }) with respect to the point of the dc bus and ( y \ in {1, 2, ..., n }) is defined as:
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donde T_{xy}, es el tiempo que la fase x se conecta al punto y en el ciclo de conmutación considerado.where T xy, is the time that phase x is connected to the point y in the considered switching cycle.
La Figura 3 muestra la estructura del control de
equilibrado propuesto, consistente en n-2 lazos de control.
Las n-1 tensiones sensadas de los condensadores del bus de cc
se utilizan para calcular los n-2 valores de desequilibrio
correspondientes a cada punto interno. Los valores de desequilibrio
son entonces procesados por un compensador y un limitador. Las
variables p_{j} resultantes indican el esfuerzo de control
necesario, extrayendo/inyectando corriente desde/en el punto
j del bus de cc, para recuperar el equilibrio. Esta
información se envía al modulador junto con el índice de modulación
(m \in [0, 1]) y el ángulo del ciclo de línea \theta
(caso de salida en corriente alterna) para generar las relaciones
de servicio de la conexión de cada fase a cada uno de los puntos del
bus de cc, en cada ciclo de
conmutación.Figure 3 shows the structure of the proposed balancing control, consisting of n -2 control loops. The n -1 sensed voltages of the dc bus capacitors are used to calculate the n -2 imbalance values corresponding to each internal point. The imbalance values are then processed by a compensator and a limiter. The resulting variables p j indicate the necessary control effort, extracting / injecting current from / at point j of the dc bus, to recover the balance. This information is sent to the modulator together with the modulation index ( m \ in [0, 1]) and the line cycle angle? (Case of alternating current output) to generate the service relations of the connection of each phase to each of the points of the dc bus, in each cycle of
commutation.
El valor de estas relaciones de servicio de fase se puede obtener con cualquier modulación base en función de m y \theta. Para extraer/inyectar corriente desde/en el punto del bus de cc j podemos entonces perturbar d_{xj}:The value of these phase service relationships can be obtained with any base modulation based on m and the. To extract / inject current from / at point j DC bus can then disrupt {xj} d:
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Como resultado, una corriente promedio adicional de valor \Deltad_{xj}\cdoti_{x} será extraída/inyectada desde/en el punto j en el ciclo de conmutación correspondiente.As a result, an additional average current value \ _ {xj? D} \ · I _ {x} will be extracted / injected from / at point j in the corresponding switching cycle.
Pero tenemos que modificar como mínimo una relación de servicio adicional de la fase x para verificar la condición necesaria:But we have to modify at least one additional service relationship of phase x to verify the necessary condition:
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Para evitar afectar la acción de equilibrado de otros lazos de control, sólo podemos perturbar las relaciones de servicio de fase externas d_{x1} y/o d_{xn}. Por otra parte, para no afectar las tensiones línea a línea resultantes al introducir la perturbación, la variación del promedio en cada ciclo de conmutación de las tensiones de fase con respecto a la tensión del punto del bus de cc 1 tiene que ser igual. Esta condición se puede expresar matemáticamente como:To avoid affecting the action of other balancing control loops, we can only disrupt service relationships external phase d {x1} and / or {xn} d. On the other hand, in order not to affect the resulting line-to-line voltages when the disturbance is introduced, the variation of the average in each switching cycle of the phase voltages with respect to the voltage of the dc bus point 1 must be the same. This condition can be expressed mathematically as:
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donde v_{x1} es el valor promedio en cada ciclo de conmutación de la diferencia de tensión entre la fase x y el punto del bus de cc 1.where v x1 is the average value in each switching cycle of the voltage difference between phase x and the point of the dc bus 1.
Hay varios patrones particulares de perturbado de las relaciones de servicio de fase que cumplen estas condiciones.There are several particular patterns of disturbed of the phase service relationships that meet these terms.
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La presente invención se ilustra adicionalmente mediante los siguientes ejemplos, los cuales no pretenden ser limitativos de su alcance. En cualquiera de los tres ejemplos se consideran un compensador proporcional-integral y un limitador que fuerza que el valor de la variable p_{j} esté comprendido entre p_{j\_min} y p_{j\_max}.The present invention is further illustrated by the following examples, which are not intended to be limiting in scope. In any of the three examples, they are considered a proportional-integral compensator and a limiter that forces the value of the variable p j to be between p j \ min and p j \ max.
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Ejemplo 1Example one
En el patrón de perturbación A cada fase se perturba de forma independiente al resto. Las ecuaciones que describen este patrón de perturbación para la fase x sonIn the disturbance pattern A each phase is disturbed independently of the rest. The equations that describe this disturbance pattern for phase x are
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Por supuesto, el valor de p_{j} tiene
que limitarse para evitar que las relaciones de servicio alcancen
valores negativos. Dado que este patrón no modifica el promedio en
cada ciclo de conmutación de las tensiones de fase
(\Deltav_{a1}=\Deltav_{b1}=\Deltav_{c1}=
0), el valor aplicado de p_{j} puede ser diferente para
cada fase.Of course, the value of p j has to be limited to prevent service relationships from reaching negative values. Since this pattern does not change the average in each switching cycle of the phase voltages (\ Delta v _ {a1} = \ Delta v _ {b1} = \ Delta v _ {c1} =
0), the applied value of p j may be different for each phase.
La perturbación de relaciones de servicio para una fase puede cancelarse en ciclos de conmutación en los que relaciones de servicio de valor cero necesitan modificarse. Esto evita incrementar el número de conmutaciones de los interruptores por ciclo de conmutación.The disturbance of service relationships for a phase can be canceled in switching cycles in which Zero value service relationships need to be modified. This avoid increasing the number of switch switching per switching cycle.
Este patrón de perturbación produce una extracción/inyección total máxima de corriente promedio (en cada ciclo de conmutación) desde/en el punto j igual a |p_{j} \cdot i_{a}|+|p_{j} \cdot i_{b}|+|p_{j} \cdot i_{c}|.This disturbance pattern produces a maximum total extraction / injection of average current (in each switching cycle) from / at point j equal to | p j \ cdot i a | + | p j \ cdot i b | + | p _ {j} \ · I _ {c} |.
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Ejemplo 2Example 2
En el patrón de perturbación B sólo dos relaciones de servicio por fase necesitan ser perturbadas. Designemos como x la fase por la que circula el mayor valor absoluto de corriente; y como y y z las otras dos fases. Las ecuaciones que describen este patrón de perturbación para j \leq (n+1)/2 son:In disturbance pattern B only two service relations per phase need to be disturbed. We designate as x the phase through which the greatest absolute value of current flows; and as y and z the other two phases. The equations that describe this disturbance pattern for j \ leq ( n +1) / 2 are:
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Para j > (n+1)/2 las ecuaciones sonFor j > ( n +1) / 2 the equations are
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Como puede observarse en (10) y (11), se introduce una perturbación de d_{xj} igual a p_{j}. Para cumplir la condición (7), d_{x1} o d_{xn} tienen que perturbarse en la misma medida. Se escoge la relación de servicio del punto más cercano a j para minimizar \Deltav_{x1}.As can be seen in (10) and (11), a disturbance of d xj equal to p j is introduced. To satisfy the condition (7), d {x1} and d {xn} have to be disturbed to the same extent. Service ratio nearest to j is chosen to minimize \ Delta v _ {x1}.
Nuevamente, el valor de p_{j} puede eventualmente tener que ser limitado para evitar alcanzar valores negativos de las relaciones de servicio.Again, the value of p _ {j} can eventually have to be limited to avoid negative values of service relationships.
La perturbación de relaciones de servicio puede cancelarse en ciclos de conmutación en los que relaciones de servicio de valor cero necesitan modificarse. Esto evita incrementar el número de conmutaciones de los interruptores por ciclo de conmutación.The disturbance of service relationships can be canceled in switching cycles in which relations of Zero value service need to be modified. This avoids increasing the number of switch switches per cycle of commutation.
Asumiendo que la suma de corrientes de fase es igual a cero (i_{a} + i_{b} + i_{c} = 0), este patrón de perturbación produce una extracción/inyección total máxima de corriente promedio (en cada ciclo de conmutación) desde/en el punto j igual a |[(n-1)/(n-j)]\cdot p_{j} \cdot i_{x}| para j \leq (n+1)/2, y |[(n-1)/(j-1)]\cdot p_{j}\cdot i_{x}| para j > (n+1)/2.Assuming that the sum of phase currents is equal to zero ( i a + i b + i c = 0), this disturbance pattern produces a maximum total extraction / injection of average current (in each switching cycle) from / at point j equal to | [( n -1) / ( n - j )] \ cdot p j {\ cdot i _ {x} | for j \ leq ( n +1) / 2, y | [( n -1) / ( j -1)] \ cdot p _ {j} \ cdot i _ {x} | for j > ( n +1) / 2.
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Ejemplo 3Example 3
En el patrón de perturbación C, la variable de control p_{j} representa una variación de las tensiones promedio en cada ciclo de conmutación de cada fase respecto al punto del bus de cc 1. Se genera esta variación perturbando las relaciones de servicio d_{x1}, d_{xj}, y d_{xn}. Para aplicar una variación concreta tenemos que incrementar una relación de servicio de fase externa y/o decrementar la otra. Para minimizar el número de conmutaciones, generaremos la variación decrementando primero la relación de servicio de fase externa que se deba decrementar. Si esta relación de servicio de fase alcanza el valor de cero, entonces acabamos generando la variación incrementando la otra relación de servicio de fase externa.In the disturbance pattern C, the control variable p j represents a variation of the average voltages in each switching cycle of each phase with respect to the point of the dc bus 1. This variation is generated by disturbing the service relations d _ {x1}, {xj} d, and d {xn}. To apply a specific variation we have to increase an external phase service relationship and / or decrease the other. To minimize the number of commutations, we will generate the variation by first decreasing the external phase service relationship that must be decremented. If this phase service relationship reaches the value of zero, then we end up generating the variation by increasing the other external phase service relationship.
Finalmente, el signo de la variación a ser aplicada depende del signo de la potencia entregada por el convertidor. El valor de la potencia entregada por el convertidor (pow) puede estimarse a partir del valor de las corrientes de fase sensadas, del valor de las tensiones de los condensadores del bus de cc, y de la información de las relaciones de servicio de fase.Finally, the sign of the variation to be applied depends on the sign of the power delivered by the converter. The value of the power delivered by the converter ( pow ) can be estimated from the value of the phase currents felt, the value of the voltages of the capacitors of the DC bus, and the information of the phase service relations.
Un algoritmo que describe este patrón de perturbación para la fase x, asumiendo que i_{a} + i_{b} + i_{c} = 0, es:An algorithm describing this disturbance pattern for phase x, assuming that i a + i b + i c = 0, is:
En casos en los que conocemos a priori el signo de pow, este patrón permite el equilibrado de las tensiones de los condensadores del bus de cc sin la necesidad de sensar las corrientes de fase.In cases where we know a priori the sign of pow , this pattern allows the balancing of the voltages of the DC bus capacitors without the need to sense the phase currents.
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| ES (1) | ES2327371B1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10355617B2 (en) | 2015-11-13 | 2019-07-16 | Siemens Aktiengesellschaft | Medium voltage transformerless multilevel converter and method for controlling a medium voltage transformerless multilevel converter |
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- 2006-12-29 ES ES200700043A patent/ES2327371B1/en active Active
Non-Patent Citations (4)
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| ES2327371A1 (en) | 2009-10-28 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20091028 Kind code of ref document: A1 |
|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2327371B1 Country of ref document: ES |