Análisis y validación de una nueva topología multinivel

Abstract

Durante las últimas décadas, la industria ha incrementado los niveles de potencia utilizados en sus procesos productivos, lo que ha generado un aumento en la demanda de convertidores de potencia cada vez más grandes y eficientes, alcanzando potencias del orden de los megavatios. Por esta razón, los convertidores multinivel se han transformado en una alternativa de gran interés para la industria y la academia, ya que son capaces de operar con voltajes en el rango de los kV y, al mismo tiempo, entregar potencias del orden de los megavatios utilizando semiconductores de baja tensión. En el presente trabajo se presenta un nuevo inversor multinivel, denominado Convertidor Híbrido Multicelda (HMC, por sus siglas en inglés), junto con dos técnicas de modulación para dicha estructura. El convertidor está basado en las dos topologías multinivel más populares: el inversor de capacitores flotantes (FC) y el convertidor multicelda en cascada (MC), con el fin de implementar una nueva celda bajo el concepto de enlace de corriente continua (dc-link) variable. El trabajo consistió en el diseño de un prototipo de laboratorio de 13 niveles y la implementación de dos esquemas de modulación para la topología, donde se destaca el uso de un modulador LS-PWM para la obtención de patrones de conmutación con cualidades espectrales superiores. Ambas técnicas fueron implementadas en el prototipo. Los resultados experimentales demuestran que esta nueva topología para media tensión es efectivamente viable, capaz de generar voltajes de alta calidad y, al mismo tiempo, lograr un buen factor de potencia de entrada.

During the last decades, industry has increased the power levels used in its productive processes, which has led to an ever-increasing demand for high-power, high-efficiency converters operating at the megawatt power level. Due to this, multilevel converters have become a very interesting alternative for industry and academia, since they are capable of operating with voltages in the kV range using low-voltage semiconductors. In this work, a new multilevel inverter is presented along with two ad hoc modulation schemes. The new topology has been denominated the Hybrid Multicell Converter. The inverter is based on the two most popular multilevel topologies, namely, the flying capacitor converter (FC) and the cascaded multicell converter (CM), in order to devise a new cell structure under the concept of a variable dc-link. The work required the design and construction of a 13-level prototype and the implementation of the two proposed modulation algorithms. The use of an LS-PWM modulator in the FC structures is probably one of the most interesting aspects investigated, as it delivered high-quality voltage patterns with superior spectral qualities. The experimental results obtained show the feasibility of the topology for medium-voltage applications, the converter’s ability to deliver high-quality voltage waveforms, and, at the same time, achieve a good input power factor.