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1er Avance de Tesis de Maestría

Posgrado en Ingeniería Electrónica

UASLP

Titulo: Controlador Tolerante a Fallas de un Convertidor Multinivel en Cascada

Alumno: Kassim Omari Mtepele

Asesores: Dr. Andrés Alejandro Valdez Fernández. Dr. Daniel Ulises Campos Delgado

Octubre-2013

Objetivo General: El presente trabajo tiene como objetivo general el estudio, diseño e implementación de un controlador tolerante a fallas para el convertidor multinivel monofásico con conexión en cascada de puentes H trabajando como filtro activo. Objetivo Específicos:

Estudiar el estado del arte de varios tipos de controladores para los convertidores multiniveles.

Estudiar el principio de funcionamiento de los convertidores multiniveles.

Estudiar esquemas de modulación para un convertidor multinivel de cinco (HB5) y siete niveles (HB7).

Estudiar esquema de modulación para un convertidor HB7.

Simular mediante Psim-Simulink el convertidor HB5.

Simular mediante Psim-Simulink un convertidor HB7. Objetivo Particular: Simular el Convertidor Multinivel HB7 y estructurar su modo de operación para que trabaje como HB5 en condiciones de falla. Introducción y Justificación. En la vida actual, existen cargas denominadas no lineales tanto industriales como domésticas que ocasionan ciertos disturbios y efectos negativos en la red eléctrica, las cuales consumen corrientes no sinusoidales. Una alternativa típica para disminuir el efecto negativo que causa la conexión de cargas no lineales a la red eléctrica es el uso de filtros pasivos, otra alternativa más eficiente es el uso de filtros activos [2]. Debido al desarrollo tecnológico y al uso de dispositivos semiconductores conmutando a altas frecuencias estos últimos pueden trabajar la compensación armónica y reactiva en tiempo real. Lo anterior hace que la compensación armónica y reactiva por medio de

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filtros activos sea en la actualidad un campo de investigación de la electrónica de potencia, lo cual justifica el objetivo del presente trabajo. Las formas de onda en las salidas de los convertidores multiniveles son escalonadas y se aproximan a la forma de onda sinusoidal pero con una distorsión armónica menor. Entre más ventajas, los convertidores multinivel tienen ventajas de capacidad de aumentar la magnitud de voltaje de salida, ya que se componen de la conexión en cascada de varios dispositivos semiconductores que funcionan a una frecuencia de conmutación menor, y por lo tanto se reduce el estrés de voltaje entre los dispositivos conectados. Esto puede conducir a una reducción de las pérdidas de conmutación, lo que representa un aumento en la eficiencia. Es evidente que, la buena selección de la topología del convertidor, el diseño adecuado de los elementos pasivos [3] y una buena selección de los dispositivos semiconductores son condiciones necesarias para garantizar un rendimiento óptimo del convertidor. 1. Estado del Arte

Para aprovechar correctamente todas las ventajas de los convertidores multiniveles en una determinada aplicación, un algoritmo de modulación [2][4], y una estrategia de control deben ser aplicados [5]. Es importante notar que el éxito del diseño del controlador depende, en la mayoría de los casos, en el conocimiento de un modelo matemático que pueda describir con precisión la dinámica del sistema [4]. Sin embargo, como el número de dispositivos conmutadores aumenta en los convertidores multinivel, el proceso de modelado y diseño del control se hace mucho más complicado. Además, en el caso de que capacitores son usados en el bus de DC, entonces el control de dicho sistema se vuelve mucho más difícil, ya que se debe incluir un esquema de balance adicional para garantizar que cada capacitor de DC mantenga un nivel constante deseado [3]. Diferentes controladores para los convertidores HBC han sido reportados en la literatura [4][5]. En [4], se propone una solución basada en un término proporcional-integral (Proportional-Integrative, PI). Una revisión de diferentes soluciones de control basadas en PI se presenta en [7], donde se pone en relieve el control independiente de puentes-H conectados en cascada. En [8] se presenta un algoritmo de control basado en una modulación de ancho de pulso sinusoidal (Sine Pulse Width Modulation, SPWM) unipolar desfasada fase-fase. Una estrategia de control robusto utilizando un esquema de rechazo a perturbaciones se ha presentado en [9]. En [10][11] los autores han aplicado con éxito el control basado en pasividad (Passivity Based Control, PBC) con enfoque de diseño de [12] para un convertidor multinivel HBC monofásico. El PBC es una técnica de diseño no lineal que aprovecha la estructura dinámica del sistema. En términos generales, la técnica PBC considera la dinámica del sistema compuesta por la suma de los subsistemas de transformación de energía, donde se diseña el controlador para manipular los intercambios de energía. Para esto, la energía del sistema de lazo cerrado se forma de nuevo y un término de amortiguamiento se incluye para garantizar la convergencia hacia el punto de equilibrio deseado. En [2][3] se estudia el modelado y control de un convertidor multinivel monofásico en cascada de 5 niveles usado como filtro activo paralelo. Basado en el modelo bajo estudio, un controlador es estudiado e implementado para compensar la distorsión

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armónica y corregir el factor de potencia causado por cargas no lineales. El controlador garantiza seguimiento de la corriente de línea a través de una corriente de referencia. En este caso la corriente de referencia es proporcional al voltaje de la línea, sin embargo, el controlador puede ser modificado considerando otras corrientes de referencia, principalmente si existen perturbaciones en una referencia antes declarada. Además, el controlador incluye lazo de voltaje para garantizar el balance y la regulación de los voltajes de los capacitores en el lado del bus de DC. Es importante para los objetivos de control representar el modelo del controlador en términos de la suma y diferencia de los cuadrados de los capacitores. Esto permite desacoplar el seguimiento de corriente y el voltaje de regulación (problemas de equilibrio), que facilita el diseño de control. 2. Avance logrado.

En el periodo de Junio-Noviembre/2013 se realizaron las siguientes actividades.

Estudio del convertidor multinivel HB5.

Estudio de modulación para el convertidor HB5.

Simular mediante Psim-Simulink el convertidor HB5.

Estudio del convertidor multinivel HB7.

Estudio de modulación para el convertidor HB7.

Simular mediante Psim-Simulink el convertidor HB7.

2.1 El convertidor multinivel HB5.

El HB5 consta de dos puentes H conectados en serie o en cascada como se muestra en la Figura 1. En este sistema, los voltajes individuales de cada puente se suman a la salida. Cada uno de los puentes es encargado de contribuir 3 niveles de voltaje. Con los dos puentes se obtienen 5 niveles en ves de 6 ya que cada uno de ellos produce el nivel cero.

Fig. 1- Topología del Convertidor HB5.

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2.2 Estudio de modulación para el convertidor HB5. Para poder modificar la ganancia del convertidor, en consecuencia controlar el voltaje de salida, es necesario hacer la Modulación del Ancho de Pulso Senoidal (SPWM).

Como resultado de esa modulación, las secuencias de conmutación 1S , 2S , 3S y 4S

(con sus respectivos complementos o negados, inS ) se encargan de conmutar los

interruptores del HB5 mostrado en la Figura 1. Dichas señales se generan comparando una señal sinusoidal de baja frecuencia, la cual modula dos señales triangulares de alta

frecuencia ( 0CA y 180CA ) utilizadas como señales portadoras [1]-[2]. Las señales

portadoras del mismo puente se desfasa en 180 uno con respecto al otro, mientras las

de dos puentes consecutivos su grado de desfasaje ( gP ) depende de la cantidad

(número) de puentes H que constituye el convertidor [1]. El gP se puede calcular de la

siguiente manera:

1

360

2

360

NH

gNN

P ……………………………………………… (i)

donde gP es el desfasamiento, HN es el número de puente H existentes en el

convertidor multinivel y NN es el número niveles proporcionados por convertidor.

Fig. 2 – Técnica de modulación para el convertidor HB5.

De la Figura 2 se observa que cuando 0Cr AA y 90Cr AA se generan voltajes positivos

de las señales 1S y 3S , respectivamente, de lo contrario se genera un voltaje cero. De

la manera similar, cuando 180Cr AA y 270Cr AA se genera voltajes positivos de las

señales 2S y 4S de lo contrario se genera un voltaje cero. Lo anterior se observa en la

Figura 3. Esta combinación de secuencias de conmutación genera el voltaje de salida de 5 niveles mostrado en la Figura 4.

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2.3 Simular mediante Psim-Simulink el convertidor HB5.

Se realizo la simulación mediante Psim-Simulink de las secuencias generadas por el circuito mostrado en la Figura 2 y su resultado es mostrado en la Figura 3. La combinación de esas secuencias generadas en dicho circuito se muestra en la última grafica de dicha Figura, que es la forma de onda de la salida de un convertidor HB5. Como se puede observar, la salida contiene 5 niveles de voltaje.

Fig. 3. Secuencias de control y las ondas en la salida del HB5.

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2.4 Simular mediante Psim-Simulink el convertidor HB7. La diferencia entre el convertidor HB7 con respecto al HB5 es un puente H más

conectado en cascada, y por lo tanto se requieren 3 señales portadoras con gP = 60 .

En la Figura 5 se muestra el resultado de simulación del convertidor HB7, donde se observan los 7 niveles de voltaje en la salida.

Fig. 5 – Forma de onda de salida de un HB7.

Conclusiones Parciales.

Mediante Psim se implementaron los circuitos de potencia para los convertidores

HB5 y HB7. Mediante Simulink se implementaron los circuitos para la generación de

secuencia de conmutación para los convertidores HB5 y HB7. También mediante Psim se hizo una simulación del circuito de potencia de los

convertidores HB5 y HB7. A través de la simulación se obtuvieron formas de ondas senoidales en la salida

de cada una de los inversores.

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Cronograma de Actividades.

_________________________________________________________________________________________________________Bibliografía

Bibliografía. 1. M.H. Rashid, “Pulse Width Modulated Inverters,” Power Electronic devices and Application,3

rd,City,P.

Hall, ch. 6,sec. 1,pp 226-301. 2. A.A. Valdés, “A Model-Based Controller for the Cascade H-Bridge Multilevel Converter Used as a Shunt Active Filter,” IEEE Trans., Ind. Elect. Vol. 60, No. 11, pp. 5019, Nov. 2013. 3. C.A.L Pozos, “Diseño y control de un convertidor multinivel monofásico usado como filtro activo paralelo,” ITESI, Irapuato, Gto, Jan. 2012, pp 1-20 4. S. Kouro, M. Perez, H. Robles, and J. Rodriguez, “Switching loss analysis of modulation methods used in cascaded H-bridge multilevel converters," in Proc. IEEE Power Electronics Specialists Conferenc PESC 2008, pp. 4662-4668, 15-19 June 2008. 5. F.Z. Peng and J.S. Lai, “Dynamic Performance and Control of a Static Var Generator Using Cascade Multilevel Inverters, "IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 33, No. 3 pp. 748-755, May 1997. 6. G. Escobar, A.A. Valdez, M.F. Martínez-Montejano and V.M. Rodríguez-Zermeño, “A model- based controller for the cascade multilevel converter used as a shunt active filter," in Proc. Industry Applications Soc. IAS07, pp. 1857-1843, 22-28 September 2007. 7. A. Dell’Aquila, M. Liserre, V.G. Monopoli and P. Rotondo, “Overview of PI-Based Solutions for the Control of DC Buses of a Single-Phase H-Bridge Multilevel Active Rectifier," EEE Transactions on Industry Applications, Vol. 44, No. 3 pp. 857-866, May 2008. 8. H. Akagi, S. Inoue, and T. Yoshii, “Control and performance of a transformerless cascade PWMSTATCOM with star configuration,"IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 43, No. 4 pp. 1041-1049, July 2007. 9. X. Xu, Q. Zhang, Q. Cheng, Y. Yuan, and Y. Xiao, “An auto-disturbance rejection controller for STATCOM based on cascaded multilevel inverters," in Proc.IEEE Power Electr. And Motion Control IPEMC 2009, pp. 2349-2353, 17-20 May 2009. 10. C. Cecati, A. Dell’Aquila, M. Liserre, and V.G. Monopoli, “A Passivity-Based Multilevel Active Rectifier With Adaptive Compensation for Traction Applications,"IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 39, No. 5 pp. 1404-1413, September 2003. 11. A. Dell’Aquila, M. Liserre, V.G. Monopoli, P. Rotondo, “Overview of PI-Based Solutions for the Control of DC Buses of a Single-Phase H-Bridge Multilevel Active Rectifier,"IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 44, No. 3 pp. 857-866, May 2008. 12. R. Ortega, A. Loria, P.J. Nicklasson, and H. Sira-Ramirez, Passivity–based control of Euler–Lagrange systems. Springer-Verlag, 1998.