ES2327373A1 - Hybrid adaptable modulator for three-level converters. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents

Abstract

Hybrid adaptive modulator for three-level converters. The hybrid adaptive modulator (6) is applied to a npc converter (15) having a dc bus (14) with a neutral point (np), comprising: - a dspwm modulation base generator (1) configured to generate at least two initial modulating signals (2), - a hybrid hybrid generator (3) connected to the base generator (1) and configured to generate the final modulating signals (5) by modifying the maximum amplitude of the voltage oscillations (v bus ) in the neutral point (np), - an amplitude limiter (4) of the final modulating signals (5), which can be connected to the converter (15) by means of a digital signal generator (11). The hybrid generator (3) adapts the hybrid modulation with a simple change of a control parameter (d) that can be selected (10) manually (10a) or automatically (10b), calculated in the latter case by a controller (8). ) using linear or non-linear techniques. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

Modulador adaptativo híbrido para convertidores de tres niveles.Adaptive Hybrid Modulator for Converters of three levels.

Campo técnico de la invenciónTechnical Field of the Invention

La invención que se describe está relacionada, de forma general, con la electrónica de potencia, y de forma más particular, se refiere a un modulador PWM aplicable a convertidores multinivel NPC ("Neutral Point Clampled", en inglés), referentemente a convertidores NPC, que tienen su ámbito de aplicación en los sistemas de gran potencia, en especial para accionamientos de motores, sistemas de mejora de la calidad de potencia y más recientemente en sistemas de energía eólica.The invention described is related, in general, with power electronics, and more In particular, it refers to a PWM modulator applicable to NPC multilevel converters ("Neutral Point Clampled", in English), referring to NPC converters, which have their scope of application in high power systems, especially for motor drives, quality improvement systems power and more recently in wind power systems.

Antecedentes de la invenciónBackground of the invention

Los convertidores multinivel se han consolidado como una opción competitiva para la conversión de energía en el rango de media-alta potencia, tanto desde el punto de vista técnico como económico. En los últimos años se ha experimentado un incremento significativo del número de aplicaciones donde la conversión de energía se realiza con convertidores multinivel. Actualmente, la energía eólica se viene conectando a la red eléctrica mediante tecnología basada en convertidores DC/AC, en algunos casos mediante estructuras multinivel, de los que se distinguen tres topologías básicas: Convertidor con Fijación por Diodos ("Diode-Clamped Converter", en inglés), Convertidor con Capacidades Flotantes ("Flying-Capacitor Converter", en inglés) y Convertidor multinivel con inversores de puente en H de dos niveles conectados en cascada ("Cascaded Full-Bridge Converter", en inglés).Multilevel converters have consolidated as a competitive option for energy conversion in the medium-high power range, both from the point Technical view as economic. In recent years it has experienced a significant increase in the number of applications  where energy conversion is done with converters multilevel Currently, wind power is being connected to the power grid using technology based on DC / AC converters, in some cases through multilevel structures, of which distinguish three basic topologies: Converter with Fixation by Diodes ("Diode-Clamped Converter") Converter with Floating Capacities ("Flying-Capacitor Converter", in English) and Multi-level converter with two-level H-bridge inverters cascaded ("Cascaded Full-Bridge" Converter ", in English).

De estas tres topologías de convertidores multinivel la más ampliamente estudiada y aplicada es la fijación por diodos, y dentro de ésta, considerando que la complejidad del convertidor aumenta con el número de niveles y llegando a un compromiso óptimo con la tecnología actual, el NPC de tres niveles resulta la opción habitual. La Figura 1 muestra un circuito convertidor NPC de tres niveles; en este circuito, se define un punto medio (NP) que es el Punto Neutro del bus de continua ("Neutral Point", en inglés). La tensión del bus de continua V_{bus} puede dividirse mediante dos capacidades (C1, C2). La tensión de salida del circuito para cada fase (v_{a}, v_{b}, v_{c}), que se mide con respecto al Punto Neutro (NP) puede adoptar tres niveles de tensión diferentes: V_{bus}/2, 0 y - V_{bus}/2.Of these three converter topologies multilevel the most widely studied and applied is fixation by diodes, and within it, considering that the complexity of the converter increases with the number of levels and reaching a Optimal commitment to current technology, the three-level NPC It is the usual option. Figure 1 shows a circuit three-level NPC converter; in this circuit, a midpoint (NP) which is the Neutral Point of the continuous bus ("Neutral Point", in English). The bus voltage continues V_ {bus} can be divided by two capacities (C1, C2). The circuit output voltage for each phase (v_ {a}, v_ {b}, v_ {c}), which is measured with respect to the Neutral Point (NP) can adopt three different voltage levels: V_ {bus} / 2, 0 and - V_ {bus} / 2.

Conectado al convertidor, se utiliza un dispositivo modulador encargado de suministrar las señales moduladoras adecuadas para cada fase del sistema trifásico del convertidor NPC. El resultado de comparar las señales moduladoras con unas señales triangulares o portadoras determina el estado apagado/encendido "on/off" de los elementos de potencia del convertidor. El modulador está diseñado para calcular los tiempos de estado "on/off" de cada elemento de potencia, de modo que, el modulador debe conseguir que en la salida del convertidor estático aparezca un conjunto de tensiones trifásicas cuyas componentes fundamentales sean las definidas por el control. Asimismo se persigue conseguir características tales como baja distorsión armónica en las salidas, mínimas pérdidas de conmutación y la eliminación total o parcial de las oscilaciones de tensión en el Punta Neutro (NP) del bus de continua.Connected to the converter, a modulator device responsible for supplying the signals suitable modulators for each phase of the three-phase system of the NPC converter The result of comparing modulating signals with triangular or carrier signals determines the state off / on "on / off" of the power elements of the converter. The modulator is designed to calculate the times of "on / off" status of each power element, so that the modulator should get that at the static converter output a set of three-phase voltages appears whose components fundamental are those defined by the control. It also pursues to achieve features such as low distortion harmonic at the outputs, minimum switching losses and the total or partial elimination of voltage oscillations in the Neutral Point (NP) of the continuous bus.

Hoy en día, existen diferentes técnicas de modulación que permiten conmutar los elementos de potencia con el fin de obtener un correcto funcionamiento de los convertidores estáticos. En particular, según la estrategia de conmutación elegida, es posible conseguir que las oscilaciones de baja frecuencia en el punto NP de los convertidores NPC de tres niveles tengan mayor o menor amplitud y que las pérdidas de conmutación sean mayores o menores. Se han clasificado las estrategias de modulación en dos grandes bloques en función de la frecuencia de conmutación de los interruptores: de baja frecuencia y de alta frecuencia.Today, there are different techniques of modulation that allow switching the power elements with the in order to obtain the correct functioning of the converters static In particular, according to the switching strategy chosen, it is possible to get low oscillations NP point frequency of three-level NPC converters have greater or lesser amplitude and that the switching losses are  older or younger Modulation strategies have been classified in two large blocks depending on the switching frequency of The switches: low frequency and high frequency.

Con carácter general, las estrategias de conmutación de alta frecuencia son las más empleadas. A su vez, éstas se pueden clasificar en modulaciones basadas en portadora y en modulaciones vectoriales. Referente a las basadas en portadora o modulación SPWM ("Sinusoidal Pulse-Width Modulation", en inglés), se caracterizan por su simplicidad y buenos resultados. Su principio de funcionamiento se basa en la comparación entre señales de referencia sinusoidal (con o sin superposición de una componente homopolar) y una señal portadora triangular de mayor frecuencia. En el caso particular de convertidores multinivel, normalmente existe un número de portadoras triangulares igual al número de niveles del convertidor menos uno. Por tanto, en el caso del convertidor NPC de tres niveles se utilizan dos señales portadoras.In general, the strategies of High frequency switching are the most used. At the same time, these can be classified into carrier-based modulations and in vector modulations. Concerning carrier-based or SPWM modulation ("Pulse-Width Sinusoidal Modulation ", in English), are characterized by their simplicity and good results. Its operating principle is based on the comparison between sinusoidal reference signals (with or without superposition of a homopolar component) and a carrier signal triangular of greater frequency. In the particular case of multilevel converters, normally there is a number of triangular carriers equal to the number of levels of the converter minus one Therefore, in the case of the three-way NPC converter levels two carrier signals are used.

Una técnica concreta de modulación de alta frecuencia basada en portadoras es la que utiliza dos señales moduladoras por cada fase, conocida como modulación DSPWM "Double-Signal Pulse-Width Modulation", en inglés) [ver "Fast-processing modulation strategy for the neutral-point-clamped converter with total elimination of the low-frequency voltage oscillations in the neutral point," de J. Pou et al., IEEE Industrial Electronics conference (IECON'05), pp. 1054-1059 Raleigh, NC, USA, Nov. 6-10, 2005.]. Esta modulación, tiene la capacidad de eliminar completamente las oscilaciones de tensión de baja frecuencia del punto NP. El algoritmo esta basado en dos portadoras, no siendo necesario realizar cálculos de ángulos y razones trigonométricas complejas. Esta estrategia consigue eliminar intrínsecamente las oscilaciones de baja frecuencia en el NP imponiendo cero al valor medio de la corriente en el NP calculado sobre cada ciclo de trabajo. Además hace un tratamiento muy simple de las señales moduladoras, espectacularmente fácil de implementar. Sin embargo, el gran inconveniente de esta técnica es el hecho de que aumenta la frecuencia de conmutación media de los transistores del convertidor en un 33% respecto a la modulación SPWM.A specific carrier-based high frequency modulation technique is the one that uses two modulating signals for each phase, known as DSPWM modulation "Double-Signal Pulse-Width Modulation", in English) [see "Fast-processing modulation strategy for the neutral -point-clamped converter with total elimination of the low-frequency voltage oscillations in the neutral point, "by J. Pou et al ., IEEE Industrial Electronics conference (IECON'05), pp. 1054-1059 Raleigh, NC, USA, Nov. 6-10, 2005.]. This modulation has the ability to completely eliminate low frequency voltage oscillations from the NP point. The algorithm is based on two carriers, it is not necessary to perform calculations of complex trigonometric angles and ratios. This strategy manages to eliminate intrinsically the low frequency oscillations in the NP by imposing zero on the average value of the current in the NP calculated on each work cycle. It also makes a very simple treatment of modulating signals, spectacularly easy to implement. However, the great drawback of this technique is the fact that it increases the average switching frequency of the converter transistors by 33% with respect to SPWM modulation.

Descripción de la invenciónDescription of the invention

La presente invención viene a resolver la problemática anteriormente expuesta, constituyendo un modulador adaptativo híbrido para convertidores multinivel del tipo NPC, de construcción sencilla y compacta, que es versátil porque ofrece la posibilidad de cambiar en línea ("on-line") y de una forma simple la técnica de modulación que es apropiada aplicar a este convertidor multinivel.The present invention comes to solve the problem described above, constituting a modulator adaptive hybrid for multilevel converters of the NPC type, of simple and compact construction, which is versatile because it offers the possibility to change online ("on-line") and in a simple way the modulation technique that is appropriate Apply to this multilevel converter.

Es pues un objeto de la invención permitir variar, de forma automática o manualmente, las señales moduladoras a aplicar a un convertidor multinivel, proporcionando en un mismo modulador diversas técnicas de modulación.It is therefore an object of the invention to allow vary, automatically or manually, the modulating signals to apply to a multilevel converter, providing in the same Modulator various modulation techniques.

Asimismo, es objeto de la invención priorizar al menos uno de los criterios de calidad de la señal de salida que se seleccionan entre la reducción de pérdidas de conmutación del convertidor multinivel, minimización de las oscilaciones de tensión en el Punto Neutro (NP) del bus de continua o un balance entre ambos criterios.It is also the object of the invention to prioritize the minus one of the quality criteria of the output signal that select from the switching loss reduction of the multilevel converter, minimization of voltage oscillations at the Neutral Point (NP) of the continuous bus or a balance between Both criteria.

También otro objeto de la invención es controlar la amplitud máxima de las oscilaciones del voltaje en el NP o tensión del bus de continua (V_{bus}), para poder dimensionar en la fase de diseño del convertidor multinivel los componentes (transistores, diodos y condensadores) que garanticen que dicho convertidor es capaz de soportar la tensión máxima establecida por el diseñador.Also another object of the invention is to control the maximum amplitude of the voltage oscillations in the NP or DC bus voltage (V_ {bus}), to be able to dimension in The design phase of the multilevel converter components (transistors, diodes and capacitors) to ensure that said converter is able to withstand the maximum voltage set by the designer.

La modulación que toma como base de partida el modulador que aquí se propone es la DSPWM. Teniendo en cuenta que la modulación DSPWM se caracteriza por la eliminación total de las oscilaciones en el NP del bus de continua, como se ha comentado anteriormente, se concibe aquí una modulación híbrida que permite modificar las señales moduladoras generadas por la técnica DSPWM de forma que, a costa de permitir oscilaciones en el NP, disminuye las pérdidas de conmutación.The modulation based on the The modulator proposed here is the DSPWM. Taking into account that DSPWM modulation is characterized by the total elimination of oscillations in the NP of the continuous bus, as mentioned previously, a hybrid modulation is conceived here that allows modify the modulating signals generated by the DSPWM technique of so that, at the cost of allowing oscillations in the NP, the switching losses

Para cualquier condición de trabajo del convertidor, este modulador es capaz de limitar a un valor determinado la amplitud de las oscilaciones de tensión en el NP del bus de continua, de una manera fácil: a partir de una variable de control continua, que de aquí en adelante se designa con la letra D.For any working condition of the converter, this modulator is able to limit to a value determined the amplitude of the voltage oscillations in the NP of the Continuous bus, in an easy way: from a variable of continuous control, which hereafter is designated by the letter D.

Así, aparte de la ya conocida modulación DSPWM, el modulador de la invención proporciona esta modulación híbrida que genera una mezcla o combinación de técnicas de modulación que hace posible encontrar un compromiso óptimo entre reducir las pérdidas de conmutación del convertidor y minimizar las oscilaciones en el NP. El modulador comprende, entre otros, los siguientes elementos:Thus, apart from the already known DSPWM modulation, the modulator of the invention provides this hybrid modulation which generates a mixture or combination of modulation techniques that makes it possible to find an optimal compromise between reducing converter switching losses and minimize oscillations in the NP. The modulator includes, among others, the following elements:

- Un generador base de modulación DSPWM configurado para generar al menos dos señales moduladoras iniciales.- A DSPWM modulation base generator configured to generate at least two modulating signals initials.

- Un generador de modulación híbrida conectado al generador base y configurado para generar la modulación final a partir de las dos señales moduladoras iniciales procedentes del generador base de modulación DSPWM, de manera que dichas señales moduladoras finales se crean conforme a una modulación híbrida basada en modificar la amplitud máxima de las oscilaciones del voltaje en el NP.- A connected hybrid modulation generator to the base generator and configured to generate the final modulation to from the two initial modulating signals coming from the DSPWM modulation base generator, so that these signals final modulators are created according to a hybrid modulation based on modifying the maximum amplitude of the oscillations of the NP voltage.

- Un limitador de amplitud de las señales moduladoras finales generadas por dicho generador híbrido.- A signal amplitude limiter final modulators generated by said hybrid generator.

La modulación aplicada por el generador híbrido se basa en modificar las amplitudes de las señales moduladoras p y n (estas están comprendidas entre 0 y 1 para "p" y 0 y -1 para "n". Tales amplitudes de tensión, referidas como Av_{ip} y Av_{in} (donde i = {a,b,c} para un convertidor DC/AC de salida trifásica) son calculadas por dicho generador de modulación híbrida de modo que las señales de modulación queden enclavadas a cero durante más tiempo. Para ello, se utiliza una variable de control continua, que en la siguiente expresión (1.1) se referencia como la variable Lim, la cual depende a su vez del índice de modulación m aplicado y del valor de un parámetro o consigna D, que puede seleccionarse de forma manual o automática, siendo:The modulation applied by the hybrid generator it is based on modifying the amplitudes of the modulating signals p and n (these are between 0 and 1 for "p" and 0 and -1 for "n". Such voltage amplitudes, referred to as Av_ {ip} and Av_ {in} (where i = {a, b, c} for an output DC / AC converter three-phase) are calculated by said hybrid modulation generator so that the modulation signals are locked to zero for longer. For this, a control variable is used continued, which in the following expression (1.1) is referred to as the Lim variable, which in turn depends on the modulation index m applied and the value of a parameter or setpoint D, which can be selected manually or automatically, being:

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
    

100100

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
    

Cabe destacar que durante los intervalos en que una moduladora se encuentra enclavada a cero la frecuencia de conmutación de los elementos de potencia (transistores) del convertidor es menor; de ahí el interés en forzar este enclavamiento.It should be noted that during the intervals in which a modulator is locked to zero the frequency of switching of the power elements (transistors) of the converter is smaller; hence the interest in forcing this interlocking

En definitiva, partiendo del hecho de que la modulación base DSPWM elimina totalmente las oscilaciones en el punto neutro (NP) del convertidor, la modulación híbrida consigue con la variación adecuada del parámetro D controlar la amplitud máxima de las oscilaciones de tensión de baja frecuencia en el NP del convertidor para cualquier condición de trabajo. Cuando se le asigna el valor cero al parámetro D, el modulador de la invención se comporta según la conocida modulación DSPWM, ya que únicamente actúa el generador base; mientras que para un valor máximo del parámetro D (por ejemplo, definiendo D\in[0,1]) se obtienen unas señales moduladoras finales correspondientes a la modulación SPWM (D = 1) y para los valores intermedios que puede adoptar el parámetro D, el generador híbrido actúa proporcionando una mezcla de ambas modulaciones (0<D<1). De esta manera, para valores altos de D la modulación final se aproxima fundamentalmente a la SPWM y para valores de D bajos a la DSPWM.In short, based on the fact that the DSPWM base modulation totally eliminates oscillations in the neutral point (NP) of the converter, hybrid modulation gets with the appropriate variation of parameter D control the amplitude Maximum low frequency voltage oscillations in the NP of the converter for any working condition. When will you assigns the zero value to parameter D, the modulator of the invention It behaves according to the known DSPWM modulation, since only the base generator operates; while for a maximum value of parameter D (for example, defining D \ in [0,1]) you get final modulating signals corresponding to the modulation SPWM (D = 1) and for the intermediate values that the parameter D, the hybrid generator acts by providing a mixture of both modulations (0 <D <1). In this way, for values high of D the final modulation fundamentally approximates the SPWM and for low D values to the DSPWM.

Adicionalmente, a fin de evitar distorsión en las tensiones de salida, las amplitudes Av_{ip} y Av_{in}, calculadas según la anterior expresión (1.1) para un valor determinado del parámetro D y del índice de modulación m (por tanto, de la variable Lim), se aplican a sus respectivas señales de modulación con signo opuesto, de modo que el algoritmo final del generador/calculador de la modulación híbrida queda de la siguiente forma:Additionally, in order to avoid distortion in the output voltages, the amplitudes Av_ {ip} and Av_ {in}, calculated according to the previous expression (1.1) for a value determined from parameter D and modulation index m (therefore,  of the variable Lim), are applied to their respective signals of modulation with opposite sign, so that the final algorithm of the hybrid modulation generator / calculator is as follows shape:

101101

Es importante matizar que el generador base de la modulación DPWM comprende un compensador de las tensiones del bus de continua (tal como el diseñado en el antecedente citado "Fast-processing modulation strategy for the neutral-point-clamped converter with total elimination of the low-frequency voltage oscillations in the neutral point", de J. Pou et al., IEEE Industrial Electronics conference (IECON'05), pp. 1054-1059 Raleigh, NC, USA, Nov. 6-10, 2005.]. Este tipo de compensadores es absolutamente compatible con el modulador de la presente invención.It is important to clarify that the base generator of the DPWM modulation comprises a compensator of the continuous bus voltages (such as the one designed in the aforementioned "Fast-processing modulation strategy for the neutral-point-clamped converter with total elimination of the low -frequency voltage oscillations in the neutral point ", by J. Pou et al ., IEEE Industrial Electronics conference (IECON'05), pp. 1054-1059 Raleigh, NC, USA, Nov. 6-10, 2005.]. Type of compensators is absolutely compatible with the modulator of the present invention.

Para el valor máximo de D, que como se ha dicho arriba corresponde al caso en que el modulador se comporta de acuerdo a la técnica SPWM, las señales moduladoras obtenidas por esta técnica incluyen una componente homopolar (v_{0}), es decir, que se añade a las señales del sistema trifásico, generada de acuerdo con la siguiente ecuación:For the maximum value of D, as stated above corresponds to the case in which the modulator behaves of according to the SPWM technique, the modulating signals obtained by This technique includes a homopolar component (v_ {0}), that is, which is added to the three-phase system signals, generated from according to the following equation:

102102

Esto permite conseguir máximo rango de funcionamiento lineal del modulador actuando como SPWM e igualarlo con el rango de funcionamiento lineal del generador base de modulación DSPWM.This allows to achieve maximum range of linear operation of the modulator acting as SPWM and equalize it with the linear operating range of the base generator of DSPWM modulation.

La modulación final híbrida es adaptable o modificable con el propósito de bien reducir pérdidas de conmutación de la modulación DSPWM o bien regular la amplitud máxima de las oscilaciones del NP del bus de continua, incrementándose las pérdidas de conmutación de la modulación SPWM al atenuar las oscilaciones de tensión en el NP. Dependiendo del valor que se dé al parámetro D, se logra, mediante técnicas lineales o no lineales, uno de estos dos objetivos.The final hybrid modulation is adaptable or modifiable for the purpose of reducing losses of DSPWM modulation switching or regulate the amplitude maximum of the oscillations of the NP of the continuous bus, Increasing the switching losses of the SPWM modulation by attenuating voltage oscillations in the NP. Depending on value given to parameter D is achieved by techniques linear or non-linear, one of these two objectives.

Otra posibilidad consiste en la utilización de un lazo externo de control, conectado a la entrada del convertidor multinivel, que mide las oscilaciones en el NP mediante unos sensores de tensión y se comparan con una referencia de oscilación máxima deseada, determinando en función del resultado de esa comparación el grado de la mezcla final de cada técnica de modulación el cual hace posible limitar la amplitud máxima de dichas oscilaciones. Este lazo externo de control proporciona una señal que modifica adecuadamente las señales moduladoras finales, ajustando adecuadamente la estrategia de conmutación de los elementos de potencia del convertidor. Esto conlleva la ventaja de conocer la tensión máxima que deben soportar dichos elementos de potencia en estado de bloqueo y los condensadores del bus de continua, con lo que se le ofrece al diseñador la posibilidad de escoger adecuadamente los elementos de potencia y los condensadores del convertidor en la propia fase de diseño.Another possibility is the use of an external control loop, connected to the converter input multilevel, which measures the oscillations in the NP by means of voltage sensors and are compared with a swing reference desired maximum, determining based on the result of that comparison the degree of the final mixture of each technique of modulation which makes it possible to limit the maximum amplitude of said   oscillations This external control loop provides a signal that properly modifies the final modulating signals, properly adjusting the switching strategy of the converter power elements. This entails the advantage of know the maximum voltage that these elements must withstand power in blocking state and bus capacitors continues, with what the designer is offered the possibility of choose the power elements and capacitors properly of the converter in the design phase itself.

Descripción de los dibujosDescription of the drawings

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de esta descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description that is being performing and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of practical realization of it, is accompanied as part member of this description, a set of drawings where with illustrative and non-limiting nature, what has been represented next:

La figura 1.- Muestra un diseño de circuito de un convertidor estático de tres niveles del tipo NPC, según se conoce en el estado de la técnica, al que puede aplicarse la presente invención.Figure 1.- Shows a circuit design of a static three-level converter of the NPC type, as known in the state of the art, to which the present invention

La figura 2.- Muestra una representación esquemática del modulador, según una realización preferida de la invención, conectado a un convertidor multinivel y a un lazo externo de control automático.Figure 2.- Shows a representation schematic of the modulator, according to a preferred embodiment of the invention, connected to a multilevel converter and a loop External automatic control.

La figura 3.- Muestra una gráfica de la forma de onda de la moduladora de una de las fases eléctricas del, modulador, comparando en un primer detalle (a) la técnica de modulación DSPWM con la modulación SPWM y en un segundo detalle (b) la técnica de modulación SPWM con la modulación híbrida para un índice de modulación (m) igual a la unidad.Figure 3.- Shows a graph of the form of modulator wave of one of the electrical phases of the, modulator, comparing in a first detail (a) the technique of DSPWM modulation with SPWM modulation and in a second detail (b) SPWM modulation technique with hybrid modulation for a modulation index (m) equal to unity.

La figura 4.- Muestra una serie de curvas que comparan las pérdidas de conmutación de la modulación híbrida para distintos valores de un parámetro de control con respecto a las pérdidas de la técnica SPWM y para diferentes ángulos de la corriente de fase.Figure 4.- Shows a series of curves that they compare the switching losses of the hybrid modulation for different values of a control parameter with respect to losses of the SPWM technique and for different angles of the phase current

La figura 5.- Muestra, en un primer detalle (a), unos resultados de simulación del control automático de las oscilaciones de tensión en el NP para diferentes amplitudes de referencia y, en un segundo detalle (b), muestra los resultados de simulación del control automático de las oscilaciones de tensión en el NP para un señal de referencia senoidal.Figure 5.- Shows, in a first detail (a), simulation results of automatic control of voltage oscillations in the NP for different amplitudes of reference and, in a second detail (b), shows the results of simulation of automatic control of voltage oscillations in the NP for a sine reference signal.

La figura 6.- Muestra unos resultados experimentales del control manual del parámetro D, representando en un primer detalle (a) la técnica de modulación SPWM, en un segundo detalle (b) y tercer detalle (c) la modulación híbrida respectivamente para D = 0.5 y D =0.75 y en un cuarto detalle (d) la modulación base DSPWM.Figure 6.- Shows some results Experiments of manual control of parameter D, representing in a first detail (a) the SPWM modulation technique, in a second detail (b) and third detail (c) hybrid modulation respectively for D = 0.5 and D = 0.75 and in a fourth detail (d) DSPWM base modulation.

Realizaciones preferentes de la invenciónPreferred embodiments of the invention

A la vista de la Figura 2, puede describirse una implementación práctica de la invención como un sistema modulador adaptativo híbrido (6) aplicado a un convertidor multinivel (15), en concreto y por ejemplo un convertidor NPC de tres niveles como el ya mostrado en la Figura 1 que se conecta a través de respectivos puntos de salida (a, b, c). por cada fase eléctrica de voltaje de salida (v_{a}, v_{b}, v_{c}) a una carga de red eléctrica (16). Dentro del esquema de bloques del sistema que la Figura 2, hay un primer bloque del modulador adaptativo híbrido (6) que representa un generador base (1) de la modulación DSPWM utilizada como base, de un segundo generador, generador híbrido (3), encargado de calcular una modulación híbrida en función de un parámetro de control (D). El generador base (1) genera en este caso dos señales moduladoras iniciales (2) por fase, para el convertidor (15) trifásico, las cuales pasan a la entrada del generador híbrido (3) que, a su vez, genera las señales moduladoras finales (5) por fase a partir de un algoritmo basado en reducción de pérdidas que depende del parámetro de control (D) que también se entrega, por medio de un conmutador o dispositivo de selección (10) a través del que se elige forma manual (10A) o automática (10B) para dar el valor de dicho parámetro (D), como entrada (9) al generador híbrido (3). Según el valor de este parámetro de control (D), considerando por ejemplo que D\in[0,1], el generador híbrido (3) modifica las señales moduladoras iniciales (2) entregadas por el generador base (1) para proporcionar nuevas formas en las señales de modulación finales (5) que reducen las pérdidas de conmutación a costa de permitir oscilaciones en el punto neutro (NP) del bus de continua.In view of Figure 2, a practical implementation of the invention as a modulator system adaptive hybrid (6) applied to a multilevel converter (15), specifically and for example a three-level NPC converter like the one already shown in Figure 1 that connects through respective exit points (a, b, c). for each electrical phase of output voltage (v_ {a}, v_ {b}, v_ {c}) at a network load electric (16). Within the system block scheme that the Figure 2, there is a first block of the hybrid adaptive modulator (6) representing a base generator (1) of the DSPWM modulation used as the basis of a second generator, hybrid generator (3), responsible for calculating a hybrid modulation based on a control parameter (D). The base generator (1) generates in this case two initial modulating signals (2) per phase, for the converter (15) three-phase, which pass to the hybrid generator input (3) which, in turn, generates the final modulating signals (5) by phase from an algorithm based on loss reduction that it depends on the control parameter (D) that is also delivered, by means of a switch or selection device (10) through the which is chosen manually (10A) or automatic (10B) to give the value of said parameter (D), as input (9) to the hybrid generator (3). According to the value of this control parameter (D), considering for example that D \ in [0,1], the hybrid generator (3) modifies the initial modulating signals (2) delivered by the base generator (1) to provide new forms in the signals modulation ends (5) that reduce switching losses to cost of allowing oscillations at the neutral point (NP) of the bus keep going.

El modulador adaptativo híbrido (6) además incluye conectado a la salida del generador híbrido (3) un bloque limitador de amplitud (4), que protege al sistema manteniendo las señales moduladoras finales (5) dentro de los márgenes permitidos. La salida del limitador de la modulación es aplicable a la entrada de un bloque generador de señales digitales (11), conectado al convertidor (15), que hace conmutar los elementos de potencia que tiene dicho convertidor (15).The hybrid adaptive modulator (6) in addition includes a block connected to the output of the hybrid generator (3) amplitude limiter (4), which protects the system by maintaining the final modulating signals (5) within the allowed margins. The output of the modulation limiter is applicable to the input of a digital signal generator block (11), connected to the converter (15), which switches the power elements that has said converter (15).

Como se ha dicho, existen dos alternativas para aplicar un valor determinado del parámetro (D): la primera es de forma manual (10A) y la segunda es automáticamente (10B), en línea, mediante un controlador (8) que puede estar basado en técnicas lineales o bien no lineales. La entrada del controlador (8), que regula la amplitud de las oscilaciones en el punto neutro (NP) del convertidor (15), corresponde a la salida de tensión (Ao) de un bloque calculador de amplitud (7) y se compara con una tensión de referencia (V_{ref}) correspondiente al valor máximo de amplitud preestablecido. A su vez, la entrada del bloque calculador de amplitud (7) de oscilaciones de tensión son al menos dos señales de tensión (v_{c1}, v_{c2}), para este caso de convertidor NPC de tres niveles, que corresponden a los voltajes de unos condensadores (C1, C2) del bus de continua (14). Este par de señales de tensión (v_{c1}, v_{c2}) se adquieren mediante sendos sensores de tensión (S4, S5), en un bloque sensor (12) cuya salida (13) se conecta al bloque calculador de amplitud (7).As stated, there are two alternatives to apply a certain value of parameter (D): the first is of manually (10A) and the second is automatically (10B), online, by means of a controller (8) that can be based on techniques linear or nonlinear. The controller input (8), which regulates the amplitude of the oscillations at the neutral point (NP) of the converter (15), corresponds to the voltage output (Ao) of a amplitude calculator block (7) and is compared with a voltage of reference (V_ {ref}) corresponding to the maximum amplitude value preset In turn, the calculator block input of amplitude (7) of voltage oscillations are at least two signals of voltage (v_ {c1}, v_ {c2}), for this case of NPC converter of three levels, which correspond to the voltages of some capacitors (C1, C2) of the continuous bus (14). This pair of voltage signals (v_ {c1}, v_ {c2}) are acquired by means of two sensors voltage (S4, S5), in a sensor block (12) whose output (13) is connect to the amplitude calculator block (7).

En esta aplicación particular a un convertidor (15) del tipo NPC de tres niveles, las Figuras 3a y 3b respectivamente representan las formas de onda, definidas como vector de voltaje con una amplitud representada en un eje vertical y un ángulo representado en el eje horizontal, correspondientes a las señales moduladoras de una de las tres fases generadas según:In this particular application to a converter (15) of the three-level NPC type, Figures 3a and 3b respectively they represent the waveforms, defined as voltage vector with an amplitude represented on a vertical axis and an angle represented on the horizontal axis, corresponding to the modulating signals of one of the three phases generated according:

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la técnica de modulación SPWM, con D=1, que se representa en ambas Figuras 3a y 3b como una línea discontinua y la modulación DSPWM, con D=0, que se representa con una línea continua en la Figura 3a;the SPWM modulation technique, with D = 1, which is represented in both Figures 3a and 3b as a dashed line and DSPWM modulation, with D = 0, which is represented with a continuous line in the Figure 3rd;

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la modulación HPWM (modulación híbrida), i.e., D = 0.5, que se representa con una línea continua en las curvas de la Figura 3b.the HPWM modulation (hybrid modulation), i.e., D = 0.5, which represents with a continuous line in the curves of the Figure 3b

El ratio de pérdidas de la técnica de modulación SPWM frente a la modulación híbrida para distintos valores del parámetro de control (D) queda reflejado en la Figura 4, indicando en el eje horizontal el ángulo del desfase de la corriente (i_{a}, i_{b}, i_{c}) inyectada por el convertidor (15) a la carga (16) y en el eje vertical el ratio pérdidas de modulación híbrida/pérdidas SPWM. Estas pérdidas son válidas para cualquier índice de modulación (m), ya que son independientes del mismo. Se aprecia que el ratio total de las pérdidas depende fundamentalmente de la fase de la corriente (i_{a}, i_{b}, i_{c}) con respecto a las fundamentales de tensión generadas en las salidas del convertidor (15). Para aplicaciones en que se trabaja con factor de potencia casi unitario, estas pérdidas son mínimas. Puede observarse que con valores del parámetro de control (D) menores a 0.5, D<0.5, las pérdidas de la modulación híbrida son inferiores al 4%.The loss ratio of the modulation technique SPWM versus hybrid modulation for different values of the control parameter (D) is reflected in Figure 4, indicating on the horizontal axis the angle of the current offset (i_ {a}, i_ {b}, i_ {c} injected by the converter (15) to the load (16) and in the vertical axis the ratio of modulation losses SPWM hybrid / losses. These losses are valid for any modulation index (m), since they are independent of it. Be appreciate that the total loss ratio depends fundamentally of the phase of the current (i_ {a}, i_ {b}, i_ {c}) with respect to the fundamentals of tension generated at the outputs of the converter (15). For applications that work with a factor of almost unitary power, these losses are minimal. May Note that with control parameter values (D) less than 0.5, D <0.5, hybrid modulation losses are lower at 4%.

La Figura 5a ilustra los resultados de simulación de la variación en línea del parámetro (D) por medio de un lazo externo de control al que pertenece el controlador (8). Los valores utilizados en esta simulación son los siguientes:Figure 5a illustrates the results of simulation of the online variation of parameter (D) by means of an external control loop to which the controller (8) belongs. The Values used in this simulation are as follows:

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voltaje total del bus de continua (V_{bus}) V_{dc} = V_{bus} =1900 V,total continuous bus voltage (V_ {bus}) V_ {dc} = V bus = 1900 V,

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capacidad de los condensadores (C1, C2) del bus de continua (14) C1= C2= 1100 \muF,capacitor capacity (C1, C2) of the continuous bus (14) C1 = C2 = 1100 µF,

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carga (16) conectada en estrella, resistencia-bobina: R=5\Omega y L=12 mH,load (16) star connected, coil resistance: R = 5 \ Omega and L = 12 mH,

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frecuencia de portadora f_{s}=5 kHz.carrier frequency f_ {s} = 5 kHz.

En esta Figura 5a se muestra que las oscilaciones se controlan y mantienen a la amplitud deseada de tensión de referencia (Vref), por ejemplo: Vref = 5 V, Vref = 20 y Vref = 40 V. La figura 5 b muestra el seguimiento de las oscilaciones frente a una tensión de referencia (Vref) senoidal.This Figure 5a shows that the oscillations are controlled and maintained at the desired amplitude of reference voltage (Vref), for example: Vref = 5 V, Vref = 20 and Vref = 40 V. Figure 5b shows the follow-up of the oscillations against a reference voltage (Vref) sinusoidal.

La Figura 6 ilustra los resultados experimentales de la variación en línea del parámetro (D) con el modo manual. Los valores utilizados son los siguientes:Figure 6 illustrates the results Experiments of the in-line variation of parameter (D) with the Manual mode. The values used are as follows:

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voltaje total del bus de continua (V_{bus}) V_{dc} = V_{bus} =60 V,total continuous bus voltage (V_ {bus}) V_ {dc} = V bus = 60 V,

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capacidad de los condensadores (C1, C2) del bus de continua (14) C1= C2= 500 \muF,capacitor capacity (C1, C2) of the continuous bus (14) C1 = C2 = 500 µF,

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carga (16) conectada en estrella, resistencia-bobina: R=2.5\Omega y L=12 mH,load (16) star connected, coil resistance: R = 2.5 \ Omega and L = 12 mH,

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frecuencia de portadora f_{s}=5 kHz.carrier frequency f s = 5 kHz.

Los diferentes detalles (a), (b), (c) y (d) de la Figura 6 muestran las formas de onda de las oscilaciones en el punto neutro (NP) del bus de continua (14) y la tensión compuesta entre dos fases según unos resultados experimentales correspondientes al sistema de control manual (10A) para dar el valor del parámetro (D). Concretamente, la Figura 6a se corresponde a la modulación SPWM, i.e. D = 1; la Figura 6b corresponde a la modulación híbrida con D = 0.5; la Figura 6c, a la modulación híbrida con D = 0.75; finalmente en la Figura 6d se observa la modulación base DSPWM, i.e, D = 0. Cabe destacar que con la modulación híbrida y D = 0.5 las oscilaciones se atenúan en aproximadamente un 70% respecto ala técnica SPWM, aparte de que su aumento de pérdidas para factores de potencia casi unitarios no supera el 4%, como mostraba la Figura 4.The different details (a), (b), (c) and (d) of Figure 6 shows the waveforms of the oscillations in the neutral point (NP) of the continuous bus (14) and the composite voltage between two phases according to experimental results corresponding to the manual control system (10A) to give the parameter value (D). Specifically, Figure 6a corresponds to the SPWM modulation, i.e. D = 1; Figure 6b corresponds to the hybrid modulation with D = 0.5; Figure 6c, to modulation hybrid with D = 0.75; finally in Figure 6d the DSPWM base modulation, i.e, D = 0. It should be noted that with the hybrid modulation and D = 0.5 the oscillations are attenuated in approximately 70% compared to the SPWM technique, apart from that its increased losses for almost unitary power factors not exceeds 4%, as shown in Figure 4.

En este texto, la palabra "comprende" y sus variantes (como "comprendiendo", etc.) no deben interpretarse de forma excluyente, es decir, no excluyen la posibilidad de que lo descrito incluya otros elementos, pasos etc.In this text, the word "understand" and its variants (such as "understanding", etc.) should not be interpreted excluding, that is, they do not exclude the possibility that described include other elements, steps etc.

Por otra parte, la invención no está limitada a las realizaciones concretas aquí descritas sino que abarca también, por ejemplo, las variantes que pueden ser realizadas por el experto medio en la materia (por ejemplo, en cuanto a la elección de componentes, configuración, etc.), dentro de lo que se desprende de las reivindicaciones que se incluyen seguidamente.On the other hand, the invention is not limited to the specific embodiments described here but also covers, for example, the variants that can be made by the expert medium in the field (for example, in terms of the choice of components, configuration, etc.), within what follows from the claims included below.

Claims (7)

1. Modulador adaptativo híbrido (6) para convertidores (15) de tres niveles NPC que presentan un bus de continua (14) en una entrada con un punto neutro (NP) de voltaje total de bus de continua (V_{bus}) y que presentan al menos un punto de salida (a, b, c) por cada fase eléctrica de voltaje de salida (v_{a}, v_{b}, v_{c}), caracterizado porque comprende:1. Hybrid adaptive modulator (6) for three-level NPC converters (15) that have a continuous bus (14) at an input with a neutral point (NP) of total continuous bus voltage (V_ {bus}) and which have at least one output point (a, b, c) for each electrical phase of output voltage (v_ {a}, v_ {b}, v_ {c}), characterized in that it comprises: - un generador base (1) de modulación DSPWM configurado para generar en una salida dos señales moduladoras iniciales (2) por cada fase;- a base generator (1) of DSPWM modulation configured to generate two modulating signals on one output initials (2) for each phase; - un generador híbrido (3) de modulación híbrida conectado a dicha salida del generador base (1) y configurado para generar en una salida las señales moduladoras finales (5) a partir de las al menos dos señales moduladoras iniciales (2), modificando la amplitud máxima de las oscilaciones del voltaje (V_{bus}) en el punto neutro (NP) a partir de un parámetro de control (D), con el que calcula para cada fase eléctrica unas amplitudes de tensión (Av_{in}, Av_{ip}) a la entrada del convertidor (15) para limitar las oscilaciones del voltaje (V_{bus}) en el punto neutro (NP) de acuerdo a la siguiente expresión:- a hybrid generator (3) of hybrid modulation connected to said base generator output (1) and configured to generate in one output the final modulating signals (5) from of the at least two initial modulating signals (2), modifying the maximum amplitude of the voltage oscillations (V_ {bus}) in the neutral point (NP) from a control parameter (D), with which calculates voltage amplitudes for each electrical phase (Av_ {in}, Av_ {ip}) at the converter input (15) to limit voltage fluctuations (V_ {bus}) at the neutral point (NP) according to the following expression: 103103 siendo m un índice de modulación aplicado por el generador base (1), correspondiendo D = 0 a modulación DSPWM y D= 1 a modulación SPWM e indicando con un subíndice i cada fase eléctrica, ym being a modulation index applied by the base generator (1), corresponding D = 0 to DSPWM modulation and D = 1 to SPWM modulation and indicating with a subscript i each electrical phase, Y v_{in} y v_{ip} son respectivas señales moduladoras para cada fase que, junto con las amplitudes de tensión (Av_{in}, Av_{ip}) calculadas, el generador híbrido (3) aplica para generar a la salida unas nuevas moduladoras v_{in\_final} y v_{ip\_final} para cada fase eléctrica dadas por la expresión: 104 v_ {in} and v_ {ip} are respective modulating signals for each phase that, together with the calculated voltage amplitudes (Av_ {in}, Av_ {ip}), the hybrid generator (3) applies to generate some new modulators v_ {in \ _final} and v_ {ip \ _final} for each electrical phase given by the expression: 104 - un limitador de amplitud (4) de las señales moduladoras finales (5) conectado a dicha salida del generador híbrido (3).- an amplitude limiter (4) of the signals final modulators (5) connected to said generator output hybrid (3). 2. Modulador según reivindicación 1, caracterizado porque adicionalmente comprende un dispositivo de selección (10) conectado a una entrada del generador híbrido (3) a través de la que se entrega un valor del parámetro de control (D) determinado por un medio manual (10A) o automático (10B) elegido mediante el dispositivo de selección (10).2. Modulator according to claim 1, characterized in that it additionally comprises a selection device (10) connected to an input of the hybrid generator (3) through which a value of the control parameter (D) determined by a manual means is delivered ( 10A) or automatic (10B) chosen by the selection device (10). 3. Modulador según reivindicación 2, caracterizado porque adicionalmente comprende un calculador de amplitud (7) de las oscilaciones del voltaje (V_{bus}) en el punto neutro (NP) y un controlador (8) cuya salida está conectada al medio automático (10B) del dispositivo de selección (10), dotado dicho controlador (8) de dos entradas, que son una primera entrada para una tensión de referencia (V_{ref}) y una segunda entrada conectada al calculador de amplitud (7) configurado para generar una salida de tensión (Ao), estando el controlador (8) configurado para comparar dicha salida de tensión (Ao) con la tensión de referencia (V_{ref}) y determinar el valor del parámetro de control (D) en función de dicha comparación.3. Modulator according to claim 2, characterized in that it additionally comprises an amplitude calculator (7) of the voltage oscillations (V_ {bus}) at the neutral point (NP) and a controller (8) whose output is connected to the automatic medium ( 10B) of the selection device (10), said controller (8) having two inputs, which are a first input for a reference voltage (V_ {ref}) and a second input connected to the amplitude calculator (7) configured for generate a voltage output (Ao), the controller (8) being configured to compare said voltage output (Ao) with the reference voltage (V_ {ref}) and determine the value of the control parameter (D) as a function of such comparison. 4. Modulador según reivindicación 3, caracterizado porque el controlador (8) determina el valor del parámetro de control (D) mediante una técnica de control lineal o no lineal.4. Modulator according to claim 3, characterized in that the controller (8) determines the value of the control parameter (D) by a linear or non-linear control technique. 5. Modulador según cualquiera de las reivindicaciones 3 y 4, caracterizado porque adicionalmente comprende un bloque sensor (12) conectado a una entrada del calculador de amplitud (7) configurado para medir la amplitud de las oscilaciones del voltaje (V_{bus}) en el punto neutro (NP).5. Modulator according to any of claims 3 and 4, characterized in that it additionally comprises a sensor block (12) connected to an input of the amplitude calculator (7) configured to measure the amplitude of the voltage oscillations (V_ {bus}) in the neutral point (NP). 6. Modulador según reivindicación 5, caracterizado porque el bloque sensor (12) comprende al menos un sensor de tensión (S4, S5) adaptado para entregar en una salida (13) al menos una señal de tensión (v_{c1}, v_{c2}) que corresponde a un voltaje de al menos un condensador (C1, C2) del bus de continua (14) del convertidor (15).6. Modulator according to claim 5, characterized in that the sensor block (12) comprises at least one voltage sensor (S4, S5) adapted to deliver at least one voltage signal (v_ {c1}, v_ {) at an output (13). c2}) corresponding to a voltage of at least one capacitor (C1, C2) of the DC bus (14) of the converter (15). 7. Modulador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque adicionalmente comprende un generador de señales digitales (11) conectado por una entrada al limitador de amplitud (4) y en una salida al convertidor multinivel (15), para conmutar según las señales moduladoras finales (5) unos elementos de potencia que componen dicho convertidor (15).7. Modulator according to any of the preceding claims, characterized in that it additionally comprises a digital signal generator (11) connected by an input to the amplitude limiter (4) and at an output to the multilevel converter (15), to switch according to the modulating signals end (5) power elements that make up said converter (15).