Modulation strategies for the neutral-point-clamped converter and control of a wind turbine system

Resumen

Els convertidors multinivell són topologies de convertidors d’electrònica de potència que poden generar tres o més nivells de voltatge en cadascuna de les fases de sortida. Com a resultat, els voltatges i corrents generats per aquestes topologies presenten una distorsió harmònica baixa. Hi ha diferents configuracions de convertidors multinivell, les quals es basen en connectar dispositius de potència o convertidors en sèrie. El resultat d’aquestes connexions permet obtenir voltatges alts, tant en la part de corrent continu com en la de corrent altern del convertidor. A més, cada dispositiu sols ha de suportar una fracció del voltatge total del bus de corrent continu. Per aquestes raons, els convertidors multinivell són generalment utilitzats en aplicacions d’alta potència. El convertidor de tres nivells amb connexió a punt neutre (neutral-point-clamped) és el més utilitzat. La recerca d’aquesta tesis doctoral està focalitzada en aquesta topologia de convertidor, i el principal objectiu és l’aportació de noves tècniques de modulació. Aquestes tenen en compte diferents aspectes: la velocitat computacional dels algorismes, l’equilibrat de les tensions dels condensadors del bus de contínua, les pèrdues de commutació i les oscil·lacions de baixa freqüència en el punt neutre del convertidor. Totes les estratègies de modulació proposades en aquesta tesis són modulacions d’amplada de polses basades en portadora. En la primera modulació que es presenta, s’injecta un senyal comú (seqüència zero) a totes les moduladores, que es basa en els patrons de la modulació vectorial que utilitza tres vectors dels més propers al de referència (nearest-three-vector modulation). S’estudien i es comparen els resultats d’aquesta modulació amb la seva homòloga, basada en perspectiva vectorial. Una segona proposta és l’anomenada modulació d’amplada de polses de doble senyal (double-signal pulse-width modulation). Aquesta modulació és capaç d’eliminar completament les oscil·lacions de voltatge en el punt neutre del convertidor. No obstant això, es produeix un increment de les pèrdues de commutació en els dispositius de potència i, a més, no hi ha un equilibrat natural de les tensions en els condensadors del bus. Una última estratègia de modulació, anomenada modulació híbrida (hybrid pulse-width modulation), es basa en la combinació de la modulació sinusoïdal (sinusoidal pulse-width modulation) i la de doble senyal. Aquesta presenta una solució de compromís entre reduir les pèrdues de commutació, en detriment d’un augment de l’amplitud de les oscil·lacions de voltatge en el punt neutre. Una segona part d’aquesta tesis es centra en les aplicacions a generació eòlica, ja que els convertidors multinivell estan començant a ser utilitzats en aquest camp. Això es produeix fonamentalment per l’augment continu de les dimensions de les turbines eòliques. En aquesta part de la recerca s’ha considerat la configuració de dos convertidors multinivell connectats a un mateix bus de contínua (back-to-back), tot i que els convertidors han estat estudiats independentment. Inicialment s’ha estudiat el convertidor que va connectat a la xarxa elèctrica i s’ha aplicat l’estratègia de control coneguda com a control orientat a tensió (voltage-oriented control). S’han utilitzat controladors estàndard (proporcional-integral), als quals s’ha afegit un control difús que supervisa i modifica els valors de les constants dels controladors. Aquest supervisor difús millora la dinàmica de la tensió del bus de contínua davant canvis de càrrega quan el convertidor treballa com a rectificador. Per una altra part, s’ha estudiat el control d’una turbina eòlica basada en un generador d’imants permanents. En aquest cas, s’ha aplicat l’estratègia de control coneguda com a control orientat a camp (field-oriented control). S’han avaluat i comparat els avantatges i inconvenients de diferents formes de sintonitzar els controladors.