Master en Electrónica Tratamiento de Señal y Comunicación

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1. Introducción El presente proyecto se enmarca dentro del campo de los convertidores de potencia. Concretamente, el proyecto consiste en un método para la modulación en convertidores cascada. El método ha sido probado con buenos resultados mediante simulaciones y ensayos en un equipo real. Este proyecto se presenta como trabajo de fin de master del alumno Luis Galván García-Pérez

Topología en cascada El método descrito está diseñado para convertidores modulares con topología en cascada. Los convertidores de este tipo se componen de varios módulos o celdas. Cada uno de estos módulos consta de uno o más semiconductores controlados y de un acumulador de energía (típicamente un condensador o un banco de condensadores) conectados de tal manera que, según qué semiconductores controlados estén abiertos o cerrados, el acumulador se conecta o no entre las bornas de salida del módulo. De esta manera es posible dar distintas tensiones a la salida del módulo. Ejemplos de estos módulos pueden verse en las figuras 1 y 2, correspondientes respectivamente a las topologías de semipuente y puente completo. En un módulo de semipuente (figura 1), el condensador puede conectarse a la salida o quedar en by-pass. En un módulo de puente completo (figura 2), además, cuando el condensador se conecta a la salida, puede hacerlo con cualquier polaridad.

Los módulos del convertidor se disponen en hileras o ramas, las cuales consisten en 2 ó más módulos conectados en serie. La tensión modulada en cada rama es la suma de las tensiones moduladas en todos los módulos que la componen. Varias ramas se conectan a entre sí a través de uno de sus extremos formando una estrella. El extremo contrario se conecta a las fases de salida del convertidor. Atendiendo al caso, puede haber una o más estrellas de ramas formadas de esta manera. Por ejemplo, la figura 3 muestra la topología de un convertidor STATCOM (o compensador estático y síncrono) formado por 3 ramas de 2 módulos conectados en estrella. En el punto central de la estrella puede emplearse un módulo de topología de puente triple (o múltiple), como se muestra en la figura 4. Por su parte, la figura 5 muestra una topología más moderna, que consiste en 6

Figura 1 Figura 2

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ramas conectadas en 2 estrella d 3 ramas cada una. Esta última topología ha sido diseñada para la transmisión en alta tensión y corriente continua (HVDC) y descrita en [1].

Figura 3

Figura 4

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Objetivo Las topologías de módulos en cascada tienen la virtud de la redundancia en lo que respecta a la modulación. Una misma tensión de salida puede obtenerse modulando distintas combinaciones de tensión entre los módulos que componen el convertidor. El

Figura 5

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objetivo de la modulación propuesta es utilizar esta redundancia para equilibrar la tensión de los condensadores usados como acumuladores de tensión de los módulos. Se tienen en cuenta dos tipos de redundancia. El primero tipo es el de la redundancia rama a rama, basado en las distintas opciones para las tensiones de los módulos de una rama que producen la misma tensión en la rama. Este tipo de redundancia se da en cada rama por separado. El segundo tipo es el de la redundancia trifásica (o n-fásica) que se obtiene gracias a la tensión homopolar o de modo común. Esta redundancia es aplicable siempre que el punto central de la estrella no esté conectado a la red o a la carga a la que se conecta el convertidor. En convertidores con varias estrellas, puede haber más de un grado de libertad de cara a este tipo de redundancia.

Resumen del estado del arte El uso de la redundancia para el equilibrado de condensadores es una estrategia ya conocida. Sin ir más lejos, en [1] se presenta un convertidor modular DC/AC con varias 2 ramas por cada fase en el que se utiliza esta redundancia para equilibrar las tensiones de los módulos. La forma de hacerlo consiste en ordenar los módulos de cada rama desde el más cargado al más descargado y conectar sólo los condensadores de los más cargados o más descargados según el sentido de la corriente. Esta estrategia sólo utiliza la redundancia rama a rama. En [2] se presenta una forma de equilibrar un convertidor distinto. Este convertidor no tiene una topología en cascada, sino que es semejante a un convertidor matricial. Al no tener ramas, la forma propuesta para equilibrar los condensadores de este convertidor se basa en la redundancia trifásica. Esta práctica es habitual en convertidores multinivel no modulares. Dado que el convertidor se conecta a través de 3 terminales a la red eléctrica, sólo la tensión entre estos terminales tiene alguna repercusión sobre la corriente de la red. En consecuencia, el modo común puede utilizarse para equilibrar los condensadores. La estrategia presentada incluye una tabla de gran magnitud que se utiliza para escoger la tensión que se modula en cada terminal de salida. Si bien el uso de la tensión homopolar como grado de libertad es una ventaja, la dimensión de la tabla crece demasiado con la cantidad de condensadores del equipo, y su adaptación a un convertidor en cascada no es evidente. En [3] y [4] se presentan modulaciones de Space Vector en una o más dimensiones que tienen como finalidad equilibrar las tensiones de los condensadores en convertidores con topología cascada. En este caso se explora la opción de tener diferentes tensiones de referencia en cada módulo y de modular las tensiones de los módulos independientemente para reducir el rizado de corriente. En [5] se presenta una forma de medir la potencia activa y reactiva que se intercambia con cada módulo de un convertidor monofásico en cascada. Se puede generalizar este método para varias fases. Gracias a este método, en [6] se utiliza una modulación similar a la propuesta en [3] en un convertidor monofásico que cuenta con un módulo conectado a batería y otro flotante. En base a los resultados se muestra la necesidad de mover potencia reactiva para mantener el convertidor equilibrado. En resumen, la redundancia rama a rama está suficientemente estudiada en la actualidad en todo lo referente a convertidores en cascada y la redundancia trifásica (o n-fásica) ha

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sido tenida en cuenta en convertidores con otras topologías multinivel. Sin embargo aún no se ha descrito una estrategia de modulación en que se combinen ambos tipos de redundancia. Además, la redundancia trifásica suele aplicarse mediante tablas, que requieren un gran espacio en la memoria del dispositivo de control que se utilice para controlar el equipo.

Space Vector y redundancia n-fásica La estrategia propuesta en este proyecto se basa en la combinación de ambos tipos de redundancia en un convertidor con topología en cascada. Mediante la redundancia rama a rama es posible escoger la mejor combinación de tensiones moduladas en los módulos para obtener la tensión de la rama. Mediante la redundancia trifásica es posible escoger la mejor combinación de tensiones de rama para que las tensiones de los condensadores del conjunto de módulos se equilibren entre sí. Dado que se utiliza la redundancia trifásica, el resultado de la modulación propuesta es similar al que se obtiene en modulaciones de tipo Space Vector. Cuando el equipo es trifásico y todos los módulos tienen la misma tensión de referencia para sus condensadores, puede emplearse una modulación de tipo Space Vector para escoger los puntos o vectores entre los que se conmuta. A continuación, utilizando los distintos tipos de redundancia, se escoge un candidato para cada punto. Puede demostrarse que, si se escoge al candidato óptimo en cada punto, el número de conmutaciones al recorrer los tres puntos es el mínimo, tal como ocurre con la modulación Space Vector clásica.

Figura 6

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Cuando la topología tiene más de una estrella, el espacio de soluciones tiene más de 2 dimensiones. Por ejemplo, la topología mostrada en la figura 3 tiene 3 ramas y 2 restricciones de tensiones de rama (que corresponden a las tensiones de línea). El espacio de soluciones para esta topología es similar al que aparece en la figura 6. Por su parte, la topología de la figura 5, tiene 6 ramas y 4 restricciones de tensiones de rama (equivalentes a las 2 restricciones de tensiones de línea de cada estrella) pudiendo haber una 5ª restricción de tensión entre los puntos centrales de las dos estrellas. Si esta 5ª restricción no existe (por ejemplo porque el convertidor se emplee sólo como STATCOM), el espacio de soluciones es equivalente a 2 hexágonos independientes similares a los que se muestran en la figura 6, aunque de menor área. Si por el contrario sí existe esta restricción, el espacio de soluciones tiene 5 dimensiones y no se puede representar sobre el papel. En cualquier caso, el método propuesto puede ser aplicado a todas estas topologías.