ESQUEMA DE BALANCE LOCAL DE TENSIONES DE CONDENSADORES PARA CONVERTIDORES MODULARES MULTINIVEL MEDIANTE PWM
Abstract
Desde la aparición de los Convertidores Modulares Multinivel (MMC) a principio de los años 2000, estos han sido continuamente investigados e insertos exitosamente en aplicaciones de transmisión en alta tensión continua (HVDC). Debido a su estructura altamente modular que otorga gran cantidad de grados de libertad, el control de los MMC es complejo y frecuentemente dividido en secciones. Una de estas etapas es el Balance Local de Tensiones (CVB), la cual consiste en distribuir la energía de los módulos de una rama del convertidor. El desbalance local de ramas puede ser producido por múltiples motivos, como el esquema de modulación utilizado o las diferencias naturales entre los componentes de los módulos. Si es que no existe un esquema de balance, la desviación de las tensiones de los condensadores puede producir una distribución intolerable de potencia que inclusive puede producir fallas. Este trabajo presenta una estrategia de control CVB para MMC conformados por módulos puentes-H, la cual proviene de un problema de optimización general. El método es integrado en conjunto a un esquema de modulación por ancho de pulsos con desfase de niveles (LS-PWM), donde además se utilizan redes ordenamiento implementadas en una plataforma FPGA (Field Programmable Gate Array). Se realizaron pruebas experimentales a una rama conformada por nueve puentes-H, donde se observa un mejor comportamiento del esquema, específicamente en prestaciones dinámicas. Since Modular Multilevel Converters (MMC) first appeared in the early 2000s, they have been widely researched and successfully inserted in High Voltage Direct Current (HVDC) power transmission. Due to their modular structure that provides several degrees of freedom, MMC control is complexand usually divided into sub-goals. One of these goals is Capacitor Voltage Balancing (CVB) control, which locally balances the energy of the modules belonging to the same cluster. The imbalance of cell voltages in the same cluster could be produced by many factors, such as the modulation scheme performance or typical differences between semiconductors and capacitors. If a CVB control scheme is not implemented, the deviation between cell voltages could yield unacceptable power distribution among cells or, in a limit case, cause failures. This document presents a simple CVB strategy for MMC based on full H-bridge cell topologies, which is a proposed solution of an underlying optimal control problem. The method is integrated to a Phase-Disposition PWM scheme with sorting networks implemented in a Field Programmable Gate Array (FPGA). Experimental results obtained from a nine-cell single-phase converter demonstrate an improved performance using the proposed method, especially under transient operating conditions.
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