Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles Dep. de Ingeniería de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Autor: Jesús Mondragón Vara Tutor: Francisco Salas Gomez Sevilla, 2017 ii Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles Autor: Jesús Mondragón Vara Tutor: Francisco Salas Gomez Profesor titular Dep. de Ingeniería de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017 iv Trabajo Fin de Grado: Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles Autor: Jesús Mondragón Vara Tutor: Francisco Salas Gomez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2017 El Secretario del Tribunal vi El presente es de ustedes, pero el futuro, por el que tanto he trabajado, me pertenece. ˗˗˗Nikola Tesla viii Agradecimientos Este proyecto supone el final de un largo camino que empezó hace 5 años. Una etapa en la que he pasado buenos y malos momento a partes iguales, donde he pasado etapas en las cuales apenas podía dormir porque siempre quedaba algo por saber para el examen, pero también donde disfrutaba pasar las clases con mis compañeros. A mi famila por el apoyo recibido, por darme la oportunidad de llegar aquí y por la paciencia, especialmente en época de exámenes donde el estrés se apoderaba de mí y me hacía ser a veces alguien un tanto insoportable. A mis amigos, todos ingenieros menos Justo, con los que he pasado muchísimo tiempo tanto dentro como fuera de clase, y que me han hecho amenas esas clases tan aburridas y esos descansos en la máquina de café. Esos amigos con los que pasar la tarde juntos jugando al PES hace que recupere vida. Gracias por tanto Fran. Y, por último, a mis compañeros de trabajo que tanto me han aconsejado sabiamente durante estos meses, y sobretodo a Luis, que no le gustará que le mencione, pero me da igual, para eso es mi TFG. Jesús Mondragón Vara Sevilla, septiembre de 2017 xvi ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2-1. Convertidor NPC de tres niveles 4 Figura 2-2. Convertidor Flying Capacitor 4 Figura 2-3. Convertidor Flying Capacitor de tres niveles 5 Figura 2-4. Convertidor Cascaded H-Bridge 5 Figura 2-5. Convertidor generalizado de 5 niveles 6 Figura 2-6. Convertidor stacked cell 6 Figura 2-7. Convertidores NPC: a) 3 niveles y b) 5 niveles 7 Figura 2-8. Convertidor DCC de 5 niveles 7 Figura 2-9. Convertidor NPC de 3 niveles 8 Figura 2-10. Convertidor TCC de 3 niveles 9 Figura 2-11. Convertidor SNPC de 3 niveles 10 Figura 2-12. Convertidor ASNPC de 3 niveles 11 Figura 2-13. Convertidor MPC de 5 niveles (Fuji) 13 Figura 2-14. Convertidor FC de 5 niveles 14 Figura 2-15. Convertidor MCC de 5 niveles 15 Figura 2-16. Convertidor SMC de 5 niveles (salida NPC) 15 Figura 2-17. Convertidor ANPC de 5 niveles 16 Figura 2-18. Convertidor ANPC de 7 niveles 17 Figura 2-19. Convertidores híbridos: a) de 4 niveles y de b) de 5 niveles 17 Figura 2-20. Puente en H 18 Figura 2-21. Convertidor ACHB de 7 niveles 18 Figura 3-1. Esquema general del Back-to-Back (B2B) 22 Figura 4-1. Topología del convertidor NPC de 5 niveles 23 Figura 4-2. Esquema de control del rectificador NPC de 5 niveles 25 Figura 4-3. Esquema filtro intermedio (Clamping bridge) 28 Figura 4-4. Comparación de las señales de referencia y triangulares 30 Figura 4-5. Varias configuraciones del convertidor NPC de 5 niveles 31 Figura 4-6. Esquema control del DFIG 34 Figura 5-1. Esquema general del Back-to-Back (B2B) y turbina eólica 35 Figura 5-2. Turbina eólica de 600kW 35 Figura 5-3. Modelo estático de par mecánico 36 Figura 5-4. Coeficiente de potencia 37 Figura 5-5. Modelo mecánico 38 Figura 5-6. Esquema del actuador hidráulico 39 Figura 5-7. Esquema del bloque de generación de velocidad de referencia 39 xviii Figura 5-8. Esquema de control de par 40 Figura 5-9. PI con reset Anti-Windup 40 Figura 5-10. Esquema control de ángulo de pala 41 Figura 6-1. Esquema control GSC 43 Figura 6-2. Tensión media del DC-link 44 Figura 6-3. Suma tensiones del DC-link 44 Figura 6-4. Tensión Condensadores (VC2, VC1, VC3, VC4) 45 Figura 6-5. Tensiones UC1-UC2 (arriba) y UC3-UC4 (abajo) 45 Figura 6-6. Corrientes de red (azul) y su referencia (rojo) 46 Figura 6-7. Amplitud de la corriente rectificador-media 46 Figura 6-8. Esquema control RSC 47 Figura 6-9. Resultados de potencia activa y reactiva 48 Figura 6-10. Tensiones del estator 48 Figura 6-11. Intensidad del estator (ejes dq) 49 Figura 6-12. Tensiones referencia modulación PWM 49 Figura 6-13. Velocidad de viento 50 Figura 6-14. Ángulo de pala (azul) y referencia (rojo) 51 Figura 6-15. Par eléctrico generado 51 Figura 6-16. Potencia generada 52 Figura 6-17. Lambda obtenida 52 1 INTRODUCCIÓN l objetivo de la electrónica de potencia es: modificar, utilizando dispositivos de estado sólido, la forma de presentación de la energía eléctrica. Los convertidores eléctronicos de potencia permiten la transformación de la energía eléctrica para amplias aplicaciones. Su principal ventaja son la eficiencia y la mejora de prestaciones, lo cual puede permitir un gran avance tecnológico en cuanto al transporte y uso de la energía eléctrica tanto a nivel doméstico como industrial. Durante las últimas décadas los convertidores de potencia han reducido tanto en coste como en tamaño y han mejorado notablemente en términos de eficiencia y fiabilidad, lo cual ha llevado su uso a un amplio rango de aplicaciones: • Industriales: ventiladores, accionamientos para bombas, trenes de laminación, calentamiento por inducción rectificadores, robots… • Tracción: tracción ferroviaria, propulsión marina, vehículo eléctrico… • Aplicaciones de la red: integración de energíıas renovables, mejora de la calidad de red (FACTS y STATCOM), transmisión en alta tensión de continua (HVDC)... Según la naturaleza de la energía que transforman los convertidores de potencia pueden ser: • AC/AC: conectan dos fuentes de corriente alterna a través de semiconductores de potencia. Ejemplo: cicloconvertidores y convertidores matriciales. • AC/DC o DC/AC: transforman energía de corriente alterna a corriente continua (AC/DC) o viceversa (DC/AC). En caso de usar fuentes de tensión continua los convertidores se denominan Voltage Source Converter (VSC) y en caso de utilizar fuentes de corriente los convertidores se denominan Current Source Converters (CSC). • DC/DC: se conectan dos fuentes de corriente continua mediante semiconductores de potencia e inductancias. En muchas de las aplicaciones mencionadas anteriormente el convertidor de potencia utilizado es del tipo VSC de dos niveles (Fig. 1.1). Este convertidor está compuesto por un bus de continua y dos semiconductores para cada fase los cuales determinan la tensión y potencia del convertidor. En aplicaciones de baja tensión esta estructura suele ser suficiente para transformar la potencia requerida, sin embargo, para aplicaciones de media tensión (MT) y alta potencia esta estructura puede ser insuficiente cuando los semiconductores no pueden soportar la tensión requerida por la aplicación o cuando los semiconductores no pueden transformar la potencia requerida. Con el objetivo de aumentar la tensión y potencia del convertidor se han aplicado las siguientes soluciones: • Paralelización de semiconductores: al paralelizar los semiconductores se aumenta la corriente extraible y por tanto la potencia del convertidor. Como inconvenientes tiene que la tensión no aumenta, se obtienen pérdidas por trabajar con una corriente mayor y complica el diseño para asegurar el reparto equitativo de la corriente por los semiconductores paralelizados. • Serialización de semiconductores: al serializar semiconductores la tensión de trabajo aumenta, y por tanto la potencia. El inconveniente es que se requiere circuitos adicionales para asegurar el reparto equitativo de la tensión bloqueada de los semiconductores serializados. E Introducción 2 • Convertidores multinivel: son convertidores que serializan semiconductores y que aseguran estructuralmente que los semiconductores se bloquean con su tensión nominal. Al aumentar la tensión también aumenta la potencia del convertidor. Aparte de aumentar la tensión y potencia del convertidor, los convertidores multinivel pueden obtener tensiones intermedias a la salida, o dicho de otra manera distintos niveles de tensión aparte de la tensión de los terminales del bus (por ello se denominan convertidor multinivel). Además, algunos convertidores multinivel pueden aumentar la frecuencia de salida. Estas características permiten lograr formas de onda con menor distorsión armónica total (THD), reducir la derivada de tensión que ven los devanados de las máquinas y disminuir el tamaño del filtro de salida requerido. Gracias a estas características hacen que los convertidores multinivel sean una alternativa seria en numerosas aplicaciones. Y en particular son una solución especialmente atractiva para aplicaciones de media tensión, por su ventaja a la hora de poder aumentar la tensión y potencia. En nuestro trabajo nuestro convertidor tendrá aplicaciones en energía eólica mediante el uso de generadores (turbinas eólicas), que se encargan de la generación de la potencia que posteriormente será inyectada a la red. En la actualidad, podemos encontrarnos principalmente dos estructuras de conversión: conversión con Máquina Asíncrona Doblemente Alimentada, en inglés Doubly Fed Induction Generator (DFIG), y conversión con máquina síncrona Full-converter. Estas dos estructuras utilizan un convertidor compuesto por dos etapas, una AC/DC y otra DC/AC para conectar la máquina (rótor o estátor respectivamente) con la red. El uso de DFIG tiene como ventaja principal que el convertidor tiene que estar dimensionado únicamente para la potencia del rotor y no para la potencia total del aerogenerador como en el caso de la conversión Fullconverter. Aproximadamente el convertidor suele estar dimensionado a un 30% de la potencia nominal del aerogenerador. Por el contrario, como inconvenientes pueden citarse que utiliza anillos rozantes y, especialmente, que es muy sensible a perturbaciones de la red. La estructura Full-converter tiene como gran ventaja que el generador se encuentra totalmente desacoplado de la red. Además, el generador puede girar a cualquier velocidad y no se ve influido por perturbaciones en la red. En contrapartida, el convertidor trabaja con toda la potencia del aerogenerador. La energía eólica ha ido aumentando su penetración en la red de forma exponencial en la primera década del siglo XXI, superando incluso el 60% de la cobertura de la demanda. En consecuencia, las normas para la conexión se han endurecido. Como se ha comentado la potencia de los aerogeneradores ha ido aumentando y por ello los convertidores han tenido que evolucionar para ser capaces de aportar la potencia demandada. Una solución consiste en hacer máquinas multiestatóricas de forma que cada convertidor sólo transforma parte de la energía total. Otra opción, en la cual se centra este trabajo, es aumentar la tensión del convertidor empleando el convertidor multinivel Neutral Point Clamped (NPC). Mediante este convertidor multinivel podemos trabajar con mayor tensión de bus aumentando la potencia extraíble y disminuyendo las pérdidas. 2 ANÁLISIS GENERAL DE CONVERTIDORES MULTINIVEL ediante este segundo capítulo realizaremos un estudio del arte sobre los convertidores multinivel, y por el cual justificaremos el uso de la tecnología utilizada (topología NPC). Durante este capítulo estudiaremos aspectos comunes de los convertidores multinivel, los cuales cuentan con características propias que no aparecen en los convertidores de dos niveles de tensión y que es conveniente estudiar. Por ello, en esta parte del trabajo realizaremos un análisis general de los convertidores multinivel con el objetivo de entender su funcionamiento. Y una vez realizado el análisis, podremos realizar una comparación de las distintas topologías que se encuentran en la actualidad, justificando así la topología utilizada. Este estudio del arte se ha basado en la Tesis [2], de la cual he extraido tanto la descripción de las topologías como su representación. 2.1. Definición y características de convertidores multinivel Mediante un convertidor de dos niveles de tensión obtenemos a la salida la tensión máxima del bus o la tensión mínima, es decir, dos niveles de tensión distintos tal y como indica su nombre. Por otra parte, los convertidores multinivel del tipo VSC son convertidores de potencia, que generan a la salida más de dos niveles de tensión. Las ventajas principales en los convertidores multinivel son dos. La primera, es que permiten alcanzar una tensión mayor para un semiconductor dado sin serializar semiconductores a la vez que aumenta la potencia del convertidor sin haber paralelizado semiconductores, por lo cual, disminuimos las pérdidas por conducción. La segunda ventaja principal es que el aumento de niveles hace posible un control de la corriente mejor, reduciendo la distorsión armónica total (THD) y permitiendo reducir el tamaño del filtro de salida. Además, algunos convertidores multinivel permiten obtener una frecuencia aparente a la salida superior a la frecuencia de conmutación de los semiconductores empleados. Para el aumento de los niveles de tensión, cabe la posibilidad de aplicar dos técnicas distintas: • Mediante puntos intermedios del bus: dividiendo el bus y accediendo a estas divisiones se pueden conectar a la salida del convertidor distintos niveles de tensión comprendidos entre los niveles de tensión de los extremos del bus a través de semiconductores de potencia. • Usando capacidades en serie: sumando o restando la tensión de capacidades para obtener nuevos niveles de tensión. 2.2. Topologías clásicas de convertidores multinivel Dentro de todas las topologías multinivel, hay tres que son ampliamente conocidas, y que por ello se las denomina como topologías clásicas. Estas topologías se estudiarán durante este punto y son: • Neutral Point Clamped (NPC): conecta dos diodos al punto medio de bus para obtener un nivel de tensión adicional, en concreto la tensión del punto intermedio del bus. • Flying Capacitor (FC): utiliza capacidades para sumar o restar la tensión de la misma a la tensión del bus con lo que obtiene un mayor número de niveles de tensión. M Análisis general de convertidores multinivel 4 • CHB o Cascaded H-Bridge: conecta en serie puentes en H para obtener mayor número de niveles de tensión. 2.2.1 Neutral Point Clamped (NPC) El convertidor NPC de tres niveles, que se muestra en la Fig. 2.1, es el convertidor multinivel más utilizado ya que es el convertidor multinivel más simple y robusto. La topología NPC conecta dos diodos entre el punto medio de bus (PM) y el punto de conexión de los semiconductores en serie 1-2 y 3-4. Estos diodos fijan la tensión de los semiconductores serializados a 𝑉𝐵𝑈𝑆/2, y por ello se denominan diodos de clamp (fijar, en inglés). Además, los diodos habilitan un camino a la corriente para poder tener a la salida un nivel de tensión de 𝑉𝐵𝑈𝑆/2. Figura 2-1. Convertidor NPC de tres niveles Mediante el encendido de T1 y T2 y apagando T3 y T4 conseguimos el nivel de tensión 𝑉𝐵𝑈𝑆, para conseguir el nivel de tensión 𝑉𝐵𝑈𝑆/2 se encienden T2 y T3 y se apagan T1 y T4 y para conseguir el nivel de tensión 0 se encienden T3 y T4 y se apagan T1 y T2. En la situación en que se tenga un nivel de tensión de 𝑉𝐵𝑈𝑆/2 a la salida, si la corriente es positiva circula por D5 y T2, y si es negativa por D6 y T3. En este convertidor T1 y T3, por un lado, y T2 y T4 por otro, trabajan como células de conmutación. Al hacer uso del punto medio de bus las capacidades de bus se cargan y descargan, provocando un desvío en la tensión del punto medio de bus. Para un sistema trifásico este desvío se puede controlar mediante modulación o usando hardware externo. 2.2.2 Flying Capacitor (FC) Esta topología se caracteriza por la conexión en serie de celdas. Estas celdas constan de un condensador y dos semiconductores, y mediante la unión de n celdas podemos obtener n niveles de tensión distintos (Fig. 2.2). Dependiendo de si están encendidos o no, las capacidades de cada celda pueden sumar o restar tensión a la salida. Cada celda proporciona al convertidor un nivel de tensión. Figura 2-2. Convertidor Flying Capacitor 5 Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles Con el objetivo de entender su funcionamiento, podemos fijarnos en el flying capacitor de 3 niveles, debido a que es el convertidor multinivel más simple de comprender (Fig. 2.3). Figura 2-3. Convertidor Flying Capacitor de tres niveles Fijandonos en el esquema de la figura 2.3, en el caso de tanto T1 como T2 se encuentren activos se tendrá a la salida una tensión 𝑉𝐵𝑈𝑆. Y en el caso de que ambos, T1 y T2, esten no activos obtendremos una tensión de valor 0. Si deseamos niveles de tensión intermedios (en este caso sería 𝑉𝐵𝑈𝑆/2), podemos tanto encender T1 y apagar T2, o encender T2 y apagar T1. La diferencia de cada caso sería que, en el primer caso (T1 ON y T2 OFF) la capacidad de la segunda celda se carga. Y en el segundo caso (T1 OFF y T2 ON) la capacidad se descarga. Con la opción de obtener una tensión de salida de 𝑉𝐵𝑈𝑆/2, cargando o descargando la capacidad, nos permite controlar la tensión de esta, es decir, da la posibilidad de cargar o descargar la capacidad en cuestión de la desviación de la tensión que posee respecto a su tensión nominal. La descripción del funcionamiento es extraíble para convertidores flying capacitor de mayor número de niveles. 2.2.3 Cascade H-Bridge (CHB) La última topología considerada clásica es la denominada Cascade H-Bridge (CHB). Esta topología difiere de las previamente descritas debido a la ausencia de un bus de continua, sino que consta de varias fuentes de tensión continua. Se compone de puentes en H conectados en cascada, tal como indica su nombre. En la Fig. 2.4 podemos ver un sistema trifásico que consta de 3 ramas y 2m+1 niveles. Un extremo de ellas se conecta formando el neutro y el otro extremo forma la salida de cada fase. Figura 2-4. Convertidor Cascaded H-Bridge Cada puente en H consta de 4 semiconductores y un condensador. Estos condensadores actua como fuente de tensión variables conectadas en serie, y a igual en el flying capacitor, dependiendo del estado de conmutación de los semiconductores, podemos obtener distintos niveles de tensión a la salida. 2.3. Topologías existentes de convertidores multinivel Aparte de los convertidores previamente descritos (NPC, FC y CHB), existen una gran variedad de convertidores. Muchas de estas diferentes topologías combinan características de los convertidores clásicos, con los que trantan de obtener la parte más beneficiosa de ellos. Análisis general de convertidores multinivel 12 Tabla 2–6 Estados conmutación ASNPC de 3 niveles ASNPC 3 niveles T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 Nivel 2 1 1 0 0 0 0 1 0 Nivel 1 (1+) 0 1 0 0 1 0 0 0 Nivel 1 (2+) 1 0 0 0 0 0 1 1 Nivel 1 (1-) 0 0 0 1 0 0 1 1 Nivel 1 (2-) 0 0 1 0 0 1 0 0 Nivel 0 0 0 1 1 0 0 0 1 Los estados 1 (1+) y 1 (2+) solo se usan en el semiciclo positivo de tensión y los estados 1 (1-) y 1 (2-) solo se usan en el semiciclo negativo de tensión. Por lo tanto, los semiconductores T1-D1, T2-D2 y T5-D5, sólo tienen pérdidas de conmutación y de conducción durante el semiciclo positivo de tensión mientras que los semiconductores T3-D3, T4-D4 y T6-D6, solo tienen pérdidas de conmutación y de conducción durante el semiciclo negativo de tensión. Los semiconductores T7-D7 y T8-D8 se emplean durante los dos semiciclos de tensión, por lo que tienen pérdidas de conducción en los dos semiciclos de tensión. Sin embargo, los semiconductores T7-D7 no soportan tensión durante el semiciclo positivo, por lo que sus pérdidas de conmutación durante ese semiciclo son despreciables. Lo mismo ocurre con T8-D8 durante el semiciclo negativo. A cambio, el convertidor requiere dos semiconductores con diodos en antiparalelo más que el ANPC y dos semiconductores más que el SNPC. Es discutible que el aumento de la potencia mediante la inclusión de estos semiconductores compense el mayor coste asociado a los componentes adicionales. Las pérdidas de conmutación en cada semiconductor del ASNPC sólo se producen en un semiperiodo de tensión, obteniendo un reparto de pérdidas más uniforme que para el caso del ANPC o SNPC y, por lo tanto, unas temperaturas de unión de los semiconductores más uniformes. Esto permite al ASNPC operar a una tensión potencia o frecuencia mayor que el ANPC y SNPC. Por último, cabe destacar que, este convertidor requiere el control de un punto medio de bus y se consigue de manera análoga al NPC de 3 niveles. 2.3.2.7 Multi Point Clamped (MPC) Los convertidores MPC (Multi Point Clamped) también denominados FS (Full Semiconductor) son convertidores que usan varios puntos intermedios de bus para obtener distintos niveles de tensión. Estos convertidores siguen la misma filosofía que el NPC a la que se añaden algunos interruptores para reducir el número de diodos utilizado. Están planteados en general para un número impar de niveles mayor que 3. Como no se usan capacidades flotantes, para obtener un convertidor n niveles de tensión se requiere hacer uso de n-2 puntos medios del bus, por lo que habrá que controlar la tensión de esos n-2 puntos. Para controlar la tensión de 2 o 3 puntos medios del bus en todas las condiciones de operación posibles, se requiere o bien hardware adicional, o bien tener una arquitectura Back-to-Back (B2B) y controlar los puntos medios a costa de empeorar el THD (distorsión armónica total). La Fig. 2.13 muestra un convertidor MPC de 5 niveles. El mayor inconveniente de los dos convertidores analizados es el uso de 3 puntos intermedios de bus. Por otra parte, también serializan semiconductores, lo que hace necesario disponer de mecanismos para asegurar el reparto de tensiones. Sin embargo, los semiconductores serializados se bloquean a mitad de tensión nominal, por lo que la serialización puede no ser tan crítica. 13 Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles Figura 2-13. Convertidor MPC de 5 niveles (Fuji) En la Tabla 2.7 se indican los estados de conmutación del convertidor: Tabla 2–7 Estados conmutación MPC de 5 niveles MPC 5 niveles (Fuji) T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 Nivel 4 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 Nivel 3 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 Nivel 2 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 Nivel 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 Nivel 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 2.3.3 Topologías con condensadores flotantes (CF) y sin puntos intermedios En este grupo se incluyen los convertidores multinivel que no hacen uso de puntos intermedios de bus para obtener distintos niveles de tensión. En su lugar, emplean condensadores flotantes que, al ser conectados en serie, incrementan o decrementan la tensión de salida en uno o más niveles de tensión. La principal ventaja de estos convertidores es que no requieren control de la tensión de puntos medios del bus. 2.3.3.1 Flying Capacitor (FC) El convertidor Flying Capacitor (FC) de n niveles está formado por n células conectadas en serie formadas por una capacidad a la que se conecta a cada semiconductor con diodo en antiparalelo. Se obtiene los n niveles de tensión del convertidor sumando y restando la tensión de capacidades flotantes. En concreto, un FC de n niveles tiene n-2 capacidades flotantes. La primera de ellas de n-2 niveles, la segunda de n-3 niveles, y así sucesivamente hasta llegar a la última, de 1 nivel de tension. En la Fig. 2.14 podemos ver un FC de 5 niveles. Una ventaja del FC es que no requiere controlar ningún punto medio de bus, pero a cambio necesita controlar la tensión de n-2 capacidades flotantes para un convertidor de n niveles. Este control puede realizarse aprovechando las redundancias que aparecen al generar niveles de tensión intermedios. Para un mismo nivel de tensión, según los interruptores que se hayan encendido se tendrá un efecto en la carga y descarga de las capacidades distinto. Para cada nivel de tensión existen el mismo número de estados redundantes que afectan a cada capacidad. Además, la mitad de los estados redundantes de cada nivel que afectan a una capacidad tienden a cargar esa capacidad, mientras que la otra mitad tiende a descargarla. De esta manera, queda claro que existen estados redundantes para el control de las capacidades flotantes del convertidor. Análisis general de convertidores multinivel 14 Figura 2-14. Convertidor FC de 5 niveles Mediante una modulación adecuada se puede controlar la tensión de las capacidades flotantes. Lo ideal es conmutar de manera alterna las células de las que se compone el FC. Mediante esto Podemos llegar a obtener una frecuencia aparente a la salida n-1 veces mayor que la frecuencia de conmutación. Comparando el FC con el NPC (ambos de 5 niveles), para una misma frecuencia de salida, los interruptores del flying capacitor conmutan a una frecuencia n-1 veces menor. La desventaja principal de este convertidor es que al aumentar de niveles, el tamaño de las capacidades aumenta, lo que lo hace más voluminoso y caro, por lo que el FC suele ser inviable a partir de 4 o 5 niveles de tension. 2.3.3.2 Modular Multilevel Converter (MMC) El convertidor MMC está compuesto por dos ramas de p células elementales de conmutación conectadas una tras otra. En este convertidor se pueden conectar tantas células elementales como se necesiten. El convertidor MMC de p módulos tiene n=p+1 niveles de tensión y puede llegar a obtener una frecuencia aparente de p veces la frecuencia de conmutación. En la Fig. 2.15 podemos observer un MMC con p=4. Como vemos en la figura anterior, este convertidor no posee una capacidad en el bus, en este caso son las propias células con sus capacidades las que realizan esta función. El modo de funcionamiento es el siguiente: las dos ramas del convertidor están siempre activas y conduciendo, lo que requiere que las dos ramas generen a la salida la misma tensión. Por ello, si la rama principal positiva resta L capacidades a la tensión n-1, entonces la rama principal negativa suma n−1−L capacidades al nivel de tensión 0. La pequenña diferencia que puede haber entre las tensiones de las dos ramas debido a los inevitables desfases entre las conmutaciones de una y otra rama, hace necesario la conexión de inductancias entre las dos ramas en la salida para evitar cortocircuitos. La principal ventaja de este convertidor es su modularidad, lo que lo hace fácilmente escalable. Por el contrario, utiliza más elementos de los estrictamente necesarios y las capacidades utilizadas se cargan y descargan a la frecuencia fundamental, por lo que su tamaño es mucho mayor que las de otros convertidores donde se dimensionan para trabajar a frecuencia de conmutación. 15 Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles Figura 2-15. Convertidor MCC de 5 niveles Su modularidad le permite obtener niveles altos de tensión y es una solución atractiva para aplicaciones de mucha tensión, donde lo importante es alcanzar la tensión deseada y que pueda operar con algún módulo estropeado, y donde no es tan crítico el tamaño del convertidor. Por ello, actualmente se está utilizando este convertidor en algunas líneas HVDC. 2.3.4 Topologías con condensadores flotantes (CF) y sin puntos intermedios 2.3.4.1 Stacked Multicell Converter (SMC) El convertidor SMC, es una evolución del FC (Flying Capacitor) que busca reducir el tamaño de las capacidades necesarias de este último. Al igual que la topología FC, el Stacked Multicell Converter (SMC) est´a formado por celdas o células elementales que van sobreponiendose unas dentro de otras. Sin embargo, las celdas incluyen una rama intermadia además de las dos exteriores presentes en la FC. Eso hace que se usen menos capacidades y de menor tamanño que en el FC. El SMC podría usar cuantos puntos intermedios como se quisiera, pero en caso de usar dos o más puntos intermedios, hay que modificar algunas células. Por ello, nos centraremos en el caso de un único punto intermedio, como el que podemos ver en la Fig.2.16, un SMC de 5 niveles. Figura 2-16. Convertidor SMC de 5 niveles (salida NPC) Análisis general de convertidores multinivel 16 Los interruptores serializados de las ramas principales tienen la misma senal de puerta y de esta manera los interruptores serializados de las ramas principales conmutan a mitad de tensión cuando estaban encendidos. Si estaban bloqueando la mitad de su tensión nominal, pueden pasar a conducir o a bloquear su tensión nominal dependiendo de la conmutación. Una alternativa sería conmutar los interruptores serializados de las ramas principales alternativamente. De esta manera cada interruptor conmutaría la mitad de las veces y bloquearía su tensión nominal. Si se usa un sólo punto intermedio de bus, el convertidor SMC queda dividido en dos flying capacitor de (n+1)/2 niveles de tensión, uno compuesto por la rama principal superior y la rama que se conecta al punto intermedio del bus y otro compuesto por la rama principal inferior y la rama que se conecta al punto intermedio del bus. Estos dos subconvertidores tienen las mismas características que el FC en cuando a la obtención de niveles de tensión, su efecto en las capacidades flotantes y el control de la tensión de las capacidades flotantes. Cada FC trabaja en un sólo semiciclo de la tensión. Para el convertidor SMC con un punto intermedio se puede hacer que cada interruptor sólo conmute en un semiciclo de tensión a una frecuencia de conmutación 2/𝑛−1 veces la frecuencia aparente. Este convertidor requiere el control tanto de la tensión del punto medio del bus como de las capacidades flotantes. Esto puede hacerse mediante el uso de los vectores redundantes de tensión y de las redundancias propias del convertidor. 2.3.4.2 ANPC de n niveles y un punto intermedio Se trata de convertidores que sólo hace uso del punto medio del bus y que genera la mitad superior de los niveles haciendo uso de la rama principal positiva y del punto medio del bus, mientras que la mitad inferior se genera haciendo uso de la rama principal negativa y del punto medio del bus. Un ejemplo de esta topologia podemos verla en la Fig. 2.17 y Fig. 2.18 donde vemos la topología ANPC de 5 y 7 niveles respectivamente. Figura 2-17. Convertidor ANPC de 5 niveles Un problema que pueden tener este tipo de convertidores es que los lazos de conmutación comprenden cada vez más semiconductores y son cada vez más largos conforme aumentan los niveles. Esto hace aumentar la inductancia parásita de los lazos de conmutación, lo que provoca sobretensiones al conmutar. Estas sobretensiones, especialmente si son elevadas, pueden limitar las prestaciones del convertidor. Otro problema de estos convertidores es que requieren serialización de semiconductores, y por lo tanto no se puede asegurar que el reparto de tensión en los mismos sea equitativo. Si se quiere evitar la serialización de semiconductores se pueden usar semiconductores de distinta tensión de bloqueo, pero reduce la modulabilidad del convertidor y a veces no es factible debido a la indisponibilidad de los mismos. Por otro lado, la serialización de semiconductores permite que estos tengan unas pérdidas de conmutación menores, porque las pérdidas se reparten entre ellos. 17 Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles Figura 2-18. Convertidor ANPC de 7 niveles 2.3.4.3 ANPC de n niveles y varios puntos intermedios Se pueden proponer convertidores con la misma filosofía que los ANPC de 5 niveles pero usando más de un punto intermedio de bus y para más niveles de tensión. Los distintos niveles de tensión se consiguen a partir de los niveles de tensión disponibles en el bus y sumando/restando las tensiones de capacidades flotantes. Otros convertidores propuestos recientemente son los convertidores denominados Hybrid Clamped Converter. Un ejemplo de ello son los convertidores de 4 y 5 niveles respectivamente que usan dos puntos medios de bus y 1 y 2 capacacidades flotantes respectivamente. Estos convertidores se muestran en la Fig. 2.19. Figura 2-19. Convertidores híbridos: a) de 4 niveles y de b) de 5 niveles El principal inconveniente de estos convertidores es que pueden tener problemas para controlar la tensión de los puntos intermedios de bus en puntos de operación con altos índices de modulación y factores de potencia cercanos al unitario. No se aclara que se pueda controlar la tensión de las capacidades flotantes y de los puntos intermedios para esos puntos. Análisis general de convertidores multinivel 18 2.3.5 Topologías CHB (Cascaded H bridge) y derivadas 2.3.5.1 Cascade H Bridge (CHB) La topología CHB tal y como su nombre indica se forma a partir de puentes en H, los cuales sepueden conectar tantos como sean necesarios. Los niveles de tension se obtienen a partir de la suma o resta de las tensiones de los condensadores de los puentes en H. Un ejemplo de un puente en H puede verse en la Fig. 2.20. Figura 2-20. Puente en H Para conseguir un convertidor trifásico de 3 niveles mediante puentes en H, conectamos 3 puentes en H por los extremos A. En vez de usar un solo Puente por fase, es posible usar varios puentes en serie (p>1, siendo p el número de puentes en H por fase). Los niveles de tension ‘n’ de un convertidor de p puentes en H será: 𝑛=2𝑝+1 (2.1) Y la máxima y mínma tension posible a obtener se calcula como: 𝑉𝑚𝑎𝑥,𝑚𝑖𝑛=±𝑝𝑉𝐻𝐵 (2.2) La gran ventaja de este convertidor es su modularidad, ya que se pueden añadir puentes en H sin dificultad y la modulación y el control de las capacidades de los puentes en H no cambia mucho. Su mayor inconveniente es que requiren una fuente de tensión por cada puente en H. En aquellas aplicaciones donde no hay intercambio de potencia activa por parte del convertidor (como por ejemplo STATCOMs), esto no supone un problema, ya que las fuentes de tensión pueden ser sustituidas por capacidades cuya tensión es controlada por el mismo convertidor. En otra de aplicaciones, sin embargo, se requiere una fuente de tensión aislada en cada puente en H. 2.3.5.2 Asimetric Cascade H Bridge (ACHB) Se trata de una variante de la topología CHB, por la que las capacidades de los puentes en H son de diferente tension. Mediante esto obtenemos un convertidor de más niveles de tension con el mismo número de puentes en comparación con el CHB. Por el contrario, debido a esto se pierden redundancias y modularidad del convertidor, lo cua era una de sus principals virtudes. Al perder redundancias la frecuencia de conmutación será igual a la frecuencia aparente. Debido a las asimetrías se requieren semiconductores de distinta tensión de bloqueo en cada puente en H y el reparto térmico ya no es el mismo para todos los semiconductors. En la Fig. 2.21 se muestra un CHB asimétrico (ó ACHB) con p=2. Figura 2-21. Convertidor ACHB de 7 niveles 19 Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles 2.4. Topología elegida Como indicamos al comienzo de este trabajo, la topología a utilizar será la NPC de 5 niveles. Esta es la topología en la que se basa el articulo [1], y donde en capítulos posteriores aplicaremos las técnicas de control propuestas. La elección de esta topología se basa principalmente en la sencillez y robustez, esto hace que sea una topología muy aceptada en la industria. Principalmente encontramos esta topología mediante 3 niveles debido a que el control es bastante sencillo en comparación a las topologías con más niveles, como por ejemplo 5 y 7 niveles. En nuestro caso, debido a que el control con la topología de 3 niveles es una tarea muy estudiada en los últimos años, decidimos dar un paso más y optar por la topología NPC de 5 niveles, con el objetivo de aplicar un control, que a pesar de que sea más completo, nos aporte unos resultados mejores que el NPC de 3 niveles. Esta topología la aplicaremos a un Back-to-Back NPC, o lo que es lo mismo dos convertidores espalda con espalda, y se ha aplicado a uno de sus usos principales, la generación eólica. La generación será llevada a cabo mediante un generador asíncrono doblemente alimentado (Double Fed Induction Machine o DFIG, en inglés). 3 MODELO CONVERTIDOR BACK TO BACK (B2B) l convertidor Back-to-Back (B2B) es la topología más usada para convertidores AC/AC bidireccionales de baja tensión en la industria y en aplicaciones de sistemas de potencia, tales como: control de máquinas eléctricas, sistemas HVDC (High Voltage Direct Current) en redes de transmisión, generación eólica, etc. El convertidor B2B está formado por convertidores VSC (Voltage Source Converter), el convertidor del lado de la red eléctrica es GSC (Grid Side Converter) y el convertidor del generador eólico es RSC (Rotor Side Converter). La carga puede ser pasiva, activa u otra red eléctrica. GSC y RSC comparten el bus DC a través del DC-link, el cual permite que ambos VSC se puedan controlar de manera independiente en cierto rango de potencia. GSC y RSC puede actuar como un rectificador o un inversor en función de la dirección del flujo de potencia, a pesar de ello si decimos rectificador nos estamos refiriendo al GSC, y de la misma forma al RSC como inversor. La operación fundamental del convertidor BTB se explica al considerar GSC y RSC como dos convertidores desacoplados en los cuales la amplitud, fase y frecuencia se pueden controlar de forma independiente el uno del otro. Una propiedad importante de los convertidores Back-to-Back reside en su capacidad para controlar rápidamente el flujo de potencia y aportar balance de potencia entre los dos lados del convertidor usando las capacidades del DC-link. Algoritmos de control para la transformación de energía aportan más estabilidad al DC-bus, lo que lleva a una reducción del tamaño de los condensadores sin afectar el comportamiento del convertidor. Esta reducción de tamaño es relevante, ya que normalmente los condensadores son pesados y costosos. Además, en el caso de los condensadores electrolíticos, comúnmente usados en las aplicaciones Back-to-Back, su capacidad decrece gradualmente en el tiempo, lo que supone un gran impacto en la vida del convertidor. En algunas aplicaciones tales como motores eléctricos, la energía almacenada en este es varias veces mayor que en la capacidad DC. Por lo tanto, las respuestas transitorias pueden inducir grandes desajustes en la tensión del bus-DC. Por lo que capacidades de gran tamaño son usadas frecuentemente con el objetivo de reducir los desajustes de potencia hasta que el control hasta que el control balancee el flujo de potencia. Sin embargo, estas desviaciones pueden llevar a sobre o subvoltaje en el DC-bus, lo que puede comprometer la estabilidad del sistema o la operación segura del convertidor. Este hecho destaca la importancia del control de la tensión del DC-bus en aplicaciones Back-to-Back y muestra el objetivo de este trabajo. Como se comentó al inicio de este trabajo, se trata de un back-to back NPC de 5 niveles el cual ira conectado a un generador asíncrono propio de una aplicación eólica, el cual se encuentra doblemente alimentado (DFIG). Por lo tanto, la dificultad del control de esta topología es evidente. Debido a esto a partir del articulo [1] se nos propone una estrategia de control la cual consta de dos partes, una para el rectificador y otra para el inversor, con lo que finalmente se consiga tanto el balanceo de tensión en el DC-link como el control de potencia de nuestro generador eólico. El esquema general del proyecto se encuentra en la Figura 3.1. y es realizado por el autor del artículo en cuestión. E Control del back to back (B2B) 28 𝐼𝑟1=𝑈𝑐1 𝑅𝑝, si 𝑇1=𝑂𝑁 𝐼𝑟2=𝑈𝑐2 𝑅𝑝, si 𝑇2=𝑂𝑁 (4.16) 𝐼𝑟3=𝑈𝑐3 𝑅𝑝, si 𝑇3=𝑂𝑁 𝐼𝑟4=𝑈𝑐4 𝑅𝑝, si 𝑇4=𝑂𝑁 Figura 4-3. Esquema filtro intermedio (Clamping bridge) El clamping bridge es un circuito simple que reduce el desbalanceo de las tensiones DC que se producen en el DC-link. El algoritmo se aplica por separado en las zonas superior e inferior. Su función será que, en el caso de que la diferencia de tensión sea distinta de cero, el exceso de energía se disipará a través de la resistencia. El algoritmo de control del clamping bridge se muestra a continuación: 𝛥𝑖12>0 → 𝐼𝑟1=0 & 𝐼𝑟2≠0 (𝑇1=0 & 𝑇2=1) 𝛥𝑖12<0 → 𝐼𝑟1≠0 & 𝐼𝑟2=0 (𝑇1=1 & 𝑇2=2) (4.17) 𝛥𝑖34>0 → 𝐼𝑟3=0 & 𝐼𝑟4≠0 (𝑇3=0 & 𝑇4=1) 𝛥𝑖34<0 → 𝐼𝑟3≠0 & 𝐼𝑟4=0 (𝑇3=1 & 𝑇4=2) 29 Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles 4.3 Control del Rotor Side Converter (RSC) 4.3.1 Modelado del DFIG El primer paso para el control del RSC, es definir el generador doblemente alimentado, el cual irá conectado a nuestro convertidor. Tras introducirnos en sus ecuaciones de funcionamiento, podremos establecer una estrategía de control adecuada para el control de potencia. Las ecuaciones eléctricas del DFIG en los ejes dq (Park) se mostrarán a continuación [3], [7]: 𝑣𝑑𝑠=𝑅𝑠𝑖𝑑𝑠+𝑑 𝑑𝑡Ф𝑑𝑠−𝑤𝑠Ф𝑞𝑠 𝑣𝑞𝑠=𝑅𝑠𝑖𝑞𝑠+𝑑 𝑑𝑡Ф𝑞𝑠−𝑤𝑠Ф𝑑𝑠 (4.18) 𝑣𝑑𝑟=𝑅𝑟𝑖𝑑𝑟+𝑑 𝑑𝑡Ф𝑑𝑟−(𝑤𝑠−𝑤)Ф𝑞𝑟 𝑣𝑞𝑟=𝑅𝑟𝑖𝑞𝑟+𝑑 𝑑𝑡Ф𝑞𝑟−(𝑤𝑠−𝑤)Ф𝑑𝑟 donde 𝑅𝑠 y 𝑅𝑟 son las resistencias de fase del estator y rotor respectivamente, 𝑤=𝑝 𝛺𝑚𝑒𝑐, es la velocidad eléctrica y p el número de pares de polos. Los flujos del rotor y estator pueden expresarse como: Ф𝑑𝑠=𝐿𝑠𝑖𝑑𝑠+𝐿𝑚𝑖𝑑𝑟 (4.19) Ф𝑞𝑠=𝐿𝑠𝑖𝑞𝑠+𝐿𝑚𝑖𝑞𝑟 Ф𝑑𝑟=𝐿𝑟𝑖𝑑𝑟+𝐿𝑚𝑖𝑑𝑠 (4.20) Ф𝑞𝑟=𝐿𝑟𝑖𝑞𝑟+𝐿𝑚𝑖𝑞𝑠 donde 𝑖𝑑𝑠, 𝑖𝑞𝑠, 𝑖𝑑𝑟 y 𝑖𝑞𝑟 son las corrientes del estator y rotor en ejes dq respectivamentente. Las potencias, activa y reactiva del estator y rotor se pueden expresar como: 𝑃𝑠=𝑣𝑑𝑠𝑖𝑑𝑠+𝑣𝑞𝑠𝑖𝑞𝑠 (4.21) 𝑄𝑠=𝑣𝑞𝑠𝑖𝑑𝑠−𝑣𝑑𝑠𝑖𝑞𝑠 𝑃𝑟=𝑣𝑑𝑟𝑖𝑑𝑟+𝑣𝑞𝑟𝑖𝑞𝑟 (4.22) 𝑄𝑟=𝑣𝑞𝑟𝑖𝑑𝑟−𝑣𝑑𝑟𝑖𝑞𝑟 𝑃𝑑𝑖𝑓𝑔=𝑃𝑟+𝑃𝑠 (4.23) 𝑄𝑑𝑖𝑓𝑔=𝑄𝑟+𝑄𝑠 Por último, es importante mencionar la expresión del par electromágnetico, el cual se expresa como: 𝑇𝑒𝑚=𝑝(Ф𝑑𝑠𝑖𝑞𝑠+Ф𝑞𝑠𝑖𝑑𝑠) (4.24) Control del back to back (B2B) 30 4.3.2 Estrategia de modulación PWM Para el control del RSC podemos encontrar varias estrategias de control [3], [4], [8], [9], pero en nuestro caso, aplicaremos la modulación por anchos de pulsos (PWM o Pulse Width Modulation en inglés). Esta clase de modulación se define como una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga. En cuanto a parámetros de la modulación PWM podemos observar dos: • Índice de modulación “m” que es igual a la frecuencia de la señal triangular partido de la frecuencia de la señal de referencia (𝑚=𝑓𝑐𝑎𝑟 𝑓). • Tasa de modulación o coeficiente de ajuste de tensión “r”, la cual se define como el valor de la tensión de referencia 𝑈𝑟𝑒𝑓 partido por por el valor pico de la señal de moculación triangular 𝑈𝑐𝑎𝑟−𝑖: 𝑟=𝑈𝑟𝑒𝑓/𝑈𝑐𝑎𝑟−𝑖. En nuestro caso contaremos con cuatro señales triangulares llamadas 𝑈𝑐𝑎𝑟1, 𝑈𝑐𝑎𝑟2, 𝑈𝑐𝑎𝑟3 y 𝑈𝑐𝑎𝑟4, por lo que al realizar la comparación de las señales de referencia con las señales triangulares obtendremos algo muy parecido a lo que vemos en la Figura 4.4. Figura 4-4. Comparación de las señales de referencia y triangulares La estrategia de control se basa en dos fases. La primera de ellas se basa en la determinación de la tensión intermedia, y se basa en las siguientes comparaciones: 𝑈𝑟𝑒𝑓𝑘≥ 𝑈𝑐𝑎𝑟4 → 𝑉𝑘4=2𝑈𝑐 𝑈𝑟𝑒𝑓𝑘< 𝑈𝑐𝑎𝑟4 → 𝑉𝑘4=𝑈𝑐 𝑈𝑟𝑒𝑓𝑘≥ 𝑈𝑐𝑎𝑟3 → 𝑉𝑘3=𝑈𝑐 𝑈𝑟𝑒𝑓𝑘< 𝑈𝑐𝑎𝑟3 → 𝑉𝑘3=0 (4.25) 𝑈𝑟𝑒𝑓𝑘≥ 𝑈𝑐𝑎𝑟2 → 𝑉𝑘2=0 𝑈𝑟𝑒𝑓𝑘< 𝑈𝑐𝑎𝑟2 → 𝑉𝑘2=−𝑈𝑐 𝑈𝑟𝑒𝑓𝑘≥ 𝑈𝑐𝑎𝑟1 → 𝑉𝑘1=−𝑈𝑐 𝑈𝑟𝑒𝑓𝑘< 𝑈𝑐𝑎𝑟1 → 𝑉𝑘1=−2𝑈𝑐 31 Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles En la segunda fase, determinamos el valor 𝑉𝑘𝑀, que es el valor del potencial de la rama k (k=A, B, C) tomando M como el origen de los potenciales, tal y como podemos ver en la Figura 4.5 según las diferentes configuraciones. Figura 4-5. Varias configuraciones del convertidor NPC de 5 niveles El valor de 𝑉𝑘𝑀 es la suma de las tensiones halladas en la primera fase, y se obtiene como: 𝑉𝑘𝑀=𝑉𝑘1+𝑉𝑘2+𝑉𝑘3+𝑉𝑘4 (4.26) Y, por último, una vez con el valor 𝑉𝑘𝑀 comparamos con la Tabla 4.2, donde obtenemos las señales de disparo de los distintos semiconductores. Tabla 4–2 Señales 𝐵𝑘𝑠 𝑉𝑘𝑀 𝐵𝑘𝑠 2𝑈𝑐 𝐵𝑘1=1, 𝐵𝑘2=1, 𝐵𝑘3=1 𝑈𝑐 𝐵𝑘1=1, 𝐵𝑘2=1, 𝐵𝑘3=0 0 𝐵𝑘1=1, 𝐵𝑘2=0, 𝐵𝑘3=0 −𝑈𝑐 𝐵𝑘1=0, 𝐵𝑘2=0, 𝐵𝑘3=1 −2𝑈𝑐 𝐵𝑘1=0, 𝐵𝑘2=0, 𝐵𝑘3=0 Una vez obtenido las señales de disparo de los tres primeros semiconductores, solo hay que aplicar la ley de control complementaria, la cual se ha aplicado ha mencionado anteriormente y con la cual se obtiene las Control del back to back (B2B) 32 señales de disparo de todos los semiconductores de cada rama de nuestro convertidor NPC de 5 niveles. A pesar de esto se añade a continuación de nuevo la ley de control complementaria: 𝐵𝑘4=𝐵𝑘2      𝐵𝑘5=𝐵𝑘1      𝐵𝑘6=𝐵𝑘3      (4.27) 𝐵𝑘7=𝐵𝑘1𝐵𝑘2𝐵𝑘3      𝐵𝑘8=𝐵𝑘4𝐵𝑘5𝐵𝑘6      4.3.3 Estrategia de control La conexión del generador eólico a la red eléctrica debe realizarse siguiendo los siguientes pasos [7], [10]: • Sincronización de las tensiones del estator con las tensiones de red. • Conexión del estator a la red eléctrica. • Regulación de la transmisión de potencia de entre el DFIG y la red. Para el control empleamos un marco de referencia en ejes dq sincronizado con el flujo del estator. Estableciendo la componente cuadrática del estator con valor nulo [11], [7], obtenemos: Ф𝑑𝑠=Ф𝑠 (4.28) Ф𝑞𝑠=0 Y la relación de par se convierte en: 𝑇𝑒𝑚=−𝑝 (𝐿𝑚 𝐿𝑠)Ф𝑑𝑠𝑖𝑞𝑟 (4.29) El par electromágnetico y la potencia activa serán dependientes únicamente de la corriente del rotora través del eje q. Despreciando la resistencia del estator 𝑅𝑠 se obtiene: 𝑉𝑑𝑠=0 (4.30) 𝑉𝑞𝑠=𝑉𝑠 Eligiendo esta referencia, las tensiones y flujos del estator se pueden rescribir de la siguiente forma: 𝑉𝑑𝑠=0; 𝑉𝑞𝑠=𝑉𝑠=𝑤𝑠Ф𝑑𝑠 Ф𝑑𝑠=Ф𝑠=𝐿𝑠𝑖𝑑𝑠+𝐿𝑚𝑖𝑑𝑟; Ф𝑑𝑟=𝐿𝑟𝑖𝑑𝑟+𝐿𝑚𝑖𝑑𝑠 (4.31) Ф𝑞𝑠=0=𝐿𝑠𝑖𝑞𝑠+𝐿𝑚𝑖𝑞𝑟; Ф𝑞𝑟=𝐿𝑟𝑖𝑞𝑟+𝐿𝑚𝑖𝑞𝑠 33 Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles La potencia activa y reactiva, y las tensiones del rotor pueden escribirse en función de las corrientes de rotor como: 𝑃𝑠=−𝑣𝑠𝐿𝑚 𝐿𝑠𝑖𝑞𝑟 (4.32) 𝑄𝑠=𝑣𝑠2 𝑤𝑠𝐿𝑠−−𝑣𝑠𝐿𝑚 𝐿𝑠𝑖𝑞𝑟 𝑣𝑑𝑟=𝑅𝑟𝑖𝑑𝑟+(𝐿𝑟−𝐿𝑚 2 𝐿𝑠)𝑑 𝑑𝑡𝑖𝑑𝑟− 𝑠 𝑤𝑠(𝐿𝑟−𝐿𝑚 2 𝐿𝑠)𝑖𝑞𝑟 (4.33) 𝑣𝑞𝑟=𝑅𝑟𝑖𝑞𝑟+(𝐿𝑟−𝐿𝑚 2 𝐿𝑠)𝑑 𝑑𝑡𝑖𝑞𝑟−𝑠 𝑤𝑠(𝐿𝑟−𝐿𝑚 2 𝐿𝑠)𝑖𝑑𝑟+𝑠𝐿𝑚𝑣𝑠 𝐿𝑠 donde 𝑠=𝑤𝑠−𝑤 𝑤. El tercer término corresponde a los términos cruzados, y pueden ser despreciados porque no tienen una contribución significante. Una vez analizado esto ya tenemos el principio de control de la potencia activa y reactiva, el cual podemos ver en la Figura 4.5. A la hora de realizar la simulación, se ha obtado por un cambio en la referencia de ejes dq, por simplicidad en Simulink, por el que el par electromágnetico y la potencia activa serán dependientes únicamente de la corriente del rotora través del eje d. Mediante este cambio, la expresión de la potencia activa y reactiva queda como: 𝑑′=−𝑞 (4.34) 𝑞′=𝑑 𝑃𝑠=𝑣𝑠𝐿𝑚 𝐿𝑠(−𝑖𝑑𝑟) (4.35) 𝑄𝑠=(−𝑣𝑠2) 𝑤𝑠𝐿𝑠−−𝑣𝑠𝐿𝑚 𝐿𝑠𝑖𝑞𝑟 Control del back to back (B2B) 34 Figura 4-6. Esquema control del DFIG 35 Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles 5 MODELADO DE LA TURBINA EÓLICA na vez modelado el convertidor B2B, así como sus estrategias de control para cada una de las partes que lo forman (GSC y RSC), el siguiente paso es añadir la turbina eólica con la que completaríamos la instalación de energía renovable. Al igual que con el convetidor B2B, el modelado se realizará a partir de Matlab Simulink. Durante los siguientes apartados iremos analizando y modelando nuestra turbina, la cual como es obvio constará de un control que definirá el par óptimo a inducir en el generador y, además, un control de ángulo de pala en caso de velocidad de viento demasiado elevadas. Con lo que finalmente tendremos una instalación como la que podemos ver en la Figura 5.1. Figura 5-1. Esquema general del Back-to-Back (B2B) y turbina eólica 5.1 Caracteristicas de la turbina Para este trabajo, hemos definido un conjunto de características que definirán nuestra turbina, y que son vitales a la hora de realizar la tarea de modelado en Simulink. Los parámetros de nuestra turbina son los siguientes: Figura 5-2. Turbina eólica de 600kW U Modelado de la turbina eólica 36 Tabla 5–1 Parametros de la turbina Magnitud Simbolo Valor Diámetro D 42.2m Relación de engranajes ƞ 47.4375 Velocidad acutuador hidráulico θ -6º/s → 6º/s Ángulo de pala β 0º – 90º Densidad del aire ῤ 1.225 kg/m3 Momento de inercia (eje de alta) J 136.27 kg m2 K lambda eje de alta KλH 0.0824 Lambda óptima λopt 7.6 Coef. de potencia máximo CpMax 0.48 Par mecánico TmH 554 – 2218.19 Nm 3820 Nm Velocidad angular eje alta ωH 750 – 1500 rpm Potencia eléctrica máxima PG 600 kW 5.2 Descripción y modelado A la hora de modelar la turbina, la iremos definiendo mediante bloques. Algunos de estos bloques van dentro de otro mayor, los cuales irán unidos con el resto de bloques principales que formarán el modelo completo de nuestra turbina. 5.2.1 Modelo estático de par El primer paso que se va a realizar es el modelo estático de par, cuya salida nos proporcional el par mecánico en el eje de alta velocidad producido por la turbina. El esquema que define el conjunto que estamos tratando es el siguiente: Figura 5-3. Modelo estático de par mecánico 37 Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles Las entradas que recibe este bloque son beta (ángulo de pala), Vv (velocidad del viento) y w (velocidad turbina) respectivamente. A partir de estas entradas procedemos al cálculo del par mecánico. La expresión para este cálculo, podemos hallarla a partir de la expresión de la potencia del viento y de la potencia mecánica capturada por la turbina. Definimos la potencia del viento como: 𝑃𝑉=1 2π𝑅2ῤ𝑉𝑉3 (5.1) donde R es la longitud de la pala y ῤ es la densidad del aire. Una vez cuantificada la potencia del viento, podemos definir la potencia mecánica capturada por nuestra turbina como: 𝑃𝑚=𝐶𝑝(𝜆,𝛽)𝑃𝑉 (5.2) 𝐶𝑝 es el coeficiente de potencia del aerogenerador, e indica la potencia que captura el rotor respecto a la potencia total que posee el viento incidente. El coeficiente de potencia máximo, se llama límite de Betz, y es igual a 0.5925. Lo que indica que la potencia máxima que podemos aprovechar es inferior al 60%. 𝜆 se define como Tip speed ratio y muestra la relación entre la velocidad angular en la punta de la pala y la velocidad del viento (𝜆=𝑤𝑅 𝑉𝑉). Y 𝛽, como hemos mencionado, el ángulo de pala. Figura 5-4. Coeficiente de potencia Una vez hallada la potencia mecánica hallamos el par tal y como se muestra a continuación: 𝑇𝑚=𝑃𝑚 𝑤=𝐶𝑝(𝜆,𝛽) 2𝜆3πῤ𝑅5𝑤2=𝐶𝑞(𝜆,𝛽)πῤ𝑅3𝑉𝑉2 siendo 𝐶𝑞=𝐶𝑝 2𝜆 (coeficiente de par) (5.3) El coeficiente de par se calcula mediante un .m (cp.m), el cual debe recibir como entradas 𝜆 𝑦 𝛽. Por último, cabe destacar, que aquí el valor obtenido, es el par mecánico en el eje de baja velocidad. Tras esto, se le aplicará la relación de transmisión para poder trabajar con el par en el eje de alta velocidad (eje del generador eléctrico). Simulación del Back-to-Back 44 Figura 6-2. Tensión media del DC-link El tiempo de simulación se ha establecido en 0.2 segundos, en el que partimos de una referencia de 300V a una de 400V. Tal y como vemos, alcanza la referencia de tensión en apenas 0.04 segundos, lo cual es un tiempo de respuesta muy pequeño. En este aspecto el control actua de forma muy eficiente. De igual forma podemos fijarnos en la suma de las tensiones de los cuatro condensadores que forman el DC- link. Su valor se corresponde en cuatro veces el valor de la tensión media, y como es visible, presenta tanto una forma de onda como un tiempo de respuesta muy similar al valor de tensión medio visto en la Figura 6.2 Figura 6-3. Suma tensiones del DC-link 45 Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles Como hemos mencionado anteriormente, mediante el control del valor medio [1] deberíamos poder balancear todas las tensiones del DC-link. Las tensiones de los cuatro condensadores se muestran en la Figura 6.4: Figura 6-4. Tensión Condensadores (VC2, VC1, VC3, VC4) Los resultados obtenidos no son los que se presuponían en [1]. Como vemos prácticamente toda la tensión recae en C4, mientra que en el resto (C1, C2, C3), las tensiones son mucho menores. Este resultado ha hecho surgir muchas dudas por el hecho de que el control del valor medio de la tensión funciona de forma correcta y precisa, en cambio, no hay nada parecido al balanceo de los condensadores Figura 6-5. Tensiones UC1-UC2 (arriba) y UC3-UC4 (abajo) Simulación del Back-to-Back 46 En la Figura 6.5 vemos la diferencia (UC1-UC2) y (UC3-UC4), donde se supone que, ante un balanceo de la tensión de los cuatro condensadores, los valores deben ser nulos. Y tal como vemos, no conseguimos ese resultado. Este hecho fue analizado concienzudamente, y debido ello se reviso cada uno de los pasos del control propuesto. El paso donde se puso más atención para revisar si había la existencia de un fallo fue en el control con modulación en histéresis. Este control se encargaría de ajustar las corrientes de red que entran en nuestro GSC, ajustando a la referencia obtenida en el control. Nuestro primer pensamiento fue que, quizás no era capaz de ajustar a la referencia de corriente que se obtiene del control, pero como vemos en la Figura 6.6, la modulación por histéresis funciona de forma correcta, siguiendo así la referencia. Figura 6-6. Corrientes de red (azul) y su referencia (rojo) Figura 6-7. Amplitud de la corriente rectificador-media 47 Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles Y en la Figura 6.7 encontramos otro síntoma de que la modulación por histéresis funciona, ya que el valor de la amplitud obtenida en mediante el bucle de control tiende a un valor pequeño cuando se aproxima a la referencia. Y se produce una variación cuando se produce el escalón en la referencia. Tras esto el valor decrece mediante las tensiones de red se aproximan a las referencias impuestas. 6.2 Simulación RSC (Inversor) Para la simulación del RSC, se ha utilizado una fuente de tensión constante que aporta una tensión constante, sustituyendo así al rectificador. Además de que para sustituir la turbina se ha aplicado un par generador constante de valor igual 3800 Nm. Por lo tanto, aplicaremos el control aplicado en la Figura 6.8. Figura 6-8. Esquema control RSC Al introducir el par generador máximo, hemos establecido una referencia de potencia activa máxima, los 600kW que es capaz del producir la turbina eólica. Como referencia pasiva, se ha incluido una referencia nula. Tras establecer estas especificaciones, podemos ver los resultados obtenidos en cuanto a potencia activa y reactiva en la Figura 6.9. Tal y como vemos, el funcionamiento es óptimo, ya que conseguimos controlar los valores de la potencia, tanto activa como reactiva y en unos aproximadamente 3 segundos. Todo esto a pesar de introducir el par generador de forma brusca, lo cual provoca un transistorio bastante oscilante. Este efecto, en caso de una introducción más suave del par generador, puede ser suavizado en gran medida. Simulación del Back-to-Back 48 Figura 6-9. Resultados de potencia activa y reactiva En la Figura 6.10, podemos observar las tensiones que aparecen en el estator, estas se encuentran ampliadas. El valor pico de estas supera los 560V, y se corresponden al primer tramo de simulación, en el cual hay una transitorio bastante notable. Figura 6-10. Tensiones del estator 49 Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles Figura 6-11. Intensidad del estator (ejes dq) Dentro del bloque de control tenemos un lazo externo de potencia y un lazo interno de corriente. A su vez, dentro del lazo interno tratamos de controlar las intensidades del rotor en ejes dq, Figura 6.11, esta referencia es aportada por el lazo externo de potencia. Por último, como resultado del bloque de control obtenemos las tensiones de referencia, Figura 6.12, que van directamente a la modulación PWM, previa comparación con la tensión del DC-link. Figura 6-12. Tensiones referencia modulación PWM Simulación del Back-to-Back 50 6.3 Simulación turbina eólica Para finalizar, el último paso es la simulación de la turbina eólica de 600kW. La entrada para esta turbina es la velocidad del viento que incide sobre las palas. En lugar de introducir un valor fijo de velocidad de viento, hemos introducido un vector de velocidades, de 12 m/s de valor medio (Figura 6.13), la cuales son medidas reales obtenidas en campo. Por lo tanto, los resultados que se han obtenido son muy fiables y somenten al control de esta turbina a un comportamiento real. Obviamente estos resultados varian si el vector de entrada cambia. A pesar de que contamos con varios archivos de velocidades de viento, se ha obtado por el de 12 m/s debido a que el un valor óptimo para ver en funcionamiento tanto al control de par como al de ángulo de pala. Figura 6-13. Velocidad de viento Mediante esta simulación debemos comprobar el correcto funcionamiento de tres bloques: control de par, control de ángulo pala y bloque de cálculo de velocidad de referencia. Para comenzar a velocidades altas el control de pala es extremadamente importante debido a que, si la turbina gira por encima de su valor límite, podemos provocar la rotura de los álabes, lo cual económicamente es inaceptable. Como vemos en la Figura 6.14, se produce diferentes variaciones de la referencia del ángulo de pala, la cual es seguida por la turbina, a pesar del retraso incluido que modela el accionamiento hidráulico que mueve los álabes. El otro control que posee la turbina es el de par que dependiendo de la velocidad del viento y de la de referencia obtiene el par eléctrico generado. El resultado puede verse en la Figura 6.15. Por último, incluiremos los resultados de potencia generada (Figura 6.16) y lambda (Figura 6.17) 51 Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles Figura 6-14. Ángulo de pala (azul) y referencia (rojo) Figura 6-15. Par eléctrico generado Simulación del Back-to-Back 52 Figura 6-16. Potencia generada Figura 6-17. Lambda obtenida Como vemos durante los resultados presentados, no hemos obtenido ni el par ni la potencia máxima. La razón de esto es debido a la velocidad de viento introducidad en la simulación, ya que es solo de 12 m/s. En el caso de velocidades de viento mas elevadas, si sería habitual lograr el par eléctrico máximo, además de mayores ángulos de pala, para evitar la posibilidad de sobrevelocidades. 53 Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles 7 CONCLUSIONES Y POSIBLES MEJORAS ste trabajo ha supuesto una prueba de los avances en simulción de los convertidores de potencia multinivel. Mediante modelos suficientemente precisos, hemos tratado de reproducir el comportamiento de un B2B de 5 niveles real. Gracias a simulaciones en pseudo-tiempo real hemos probado la eficacia del algortimo de control que aparece en [1]. A pesar de que no hemos conseguido reproducir con totalidad el balanceo de los condensadores, hemos conseguido unos resultados bastante óptimos con los que se puede continuar la investigación para conseguir el control total de este convertidor de topología tan compleja. Como mejora quizás podríamos obtener mejores resultados mediante la topología ANPC (Active Neutral- Point-Clamped), con el que los diodos pasarían a ser semiconductores. En este caso habría que realizar un estudio económico para hallar si la mejora obtenida compensa el aumento del coste debido a los semiconductores adicionales. Obviamente como posible mejora sería la simulación del sistema completo, pero debido a la gran complejidad del modelo, un ajuste de parámetros y obtención de resultados requiere una capacidad computacional mayor, además de experiencia real en esta clase de topologías multinivel. E Anexo A 60 init.m 61 Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles ANEXO B Códigos Inversor Modulación PWM Anexo B 62 63 Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles Anexo B 64 65 Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles ANEXO C Modelado Rectificador Anexo C 66 Generación de corrientes de referencia, control de histéresis y señales de disparo 67 Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles Modelado control Claping Bridge Anexo C 68 69 Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles ANEXO D Modelado Inversor Anexo F 76 77 Modelado, simulación y control de un convertidor de potencia back to back de 5 niveles REFERENCIAS [1] Farid Merahi, El Madjid Berkouk, "DC-Voltage Regulation of a Five Level Neutral Point Clamped Cascade Converter for Wind Energy Conversion System", Power Electronics Conference (IPEC- Hiroshima 2014 - ECCE-ASIA), 2014 International. [2] E. Burguete Archel, "Análisis, Diseño y Control de Convertidores Multinivel", 2016. [3] O. Motoyoshi and M. Yamamoto, “Active and reactive power control for doubly-fed wound rotor induction generator,” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.6, N°.4, 624-629, October 1991. [4] F. Poitiers, “Control of a doubly fed induction generator for windenergy conversion systems,” GE44- LARGE. Saint Nazaire, France. [5] A. Bendre and G. Venkataramanan, “Reciprocity-Transposition-Based Sinusoidal Plusewidth Modulation for Diode-Clamped,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.49, N°5, 2002. [6] F. Merahi and E.M. Berkouk, “Commande d’une GADA par un onduleur de tension à cinq niveaux à structure NPC,” International Conference on electronic and oil, from theory to applications (ICEO’11), Ouargla-Algiers, March 01-02, 2011. [7] A. Tilli, S. Peresada and A. 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