Instituto Tecnológico de Morelia

Posgrado de Ingeniería Eléctrica

2° Semestre

Tarea. Inversor Multinivel VSC

Gibrán José Dávalos Villalón

No Control: M08120829

Electrónica de Potencia

Tarea

Profesor: Dr. Edgar Lenymirko Moreno Goytia

Octubre del 2013

Inversores Multinivel VSC

Introducción

La electrónica de potencia tiene una gran importancia en esta época. Hablando en términos de sistemas eléctricos, la electrónica de potencia es la llave tecnológica para apoyar los procesos inteligentes y sofisticados de la generación, transporte y suministro de energía eléctrica. Por ejemplo, en campos de aero-generación conectados a la red eléctrica convencional. Los parques de aero-generación pueden conectarse a la red eléctrica mediante sistemas de electrónica de potencia para facilitar su interconexión y reducir efectos producidos por la cambiante intensidad del viento o la propia operación de cada aeroturbina.

Dentro de los controladores electrónicos en aplicaciones para alta potencia, las estructuras de inversores multinivel son muy utilizadas por las ventajas que presentan, por ejemplo, en la operación del altos voltajes de CD que permiten la conmutación ágil de los interruptores semiconductores, reducción de armónicos, compensación de potencia reactiva, rápida velocidad de respuesta, control de frecuencia y voltaje de salida, entre varias más para apoyar y satisfacer las necesidades de los sistemas eléctricos.

Debido al incremento de la demanda de convertidores de potencia más eficientes y con menor producción de distorsiones de la señal eléctrica, los inversores multinivel se encuentran en la mira de los investigadores como una opción aceptable. Varias técnicas PWM han sido desarrolladas en especial para los inversores multinivel.

Dos factores de los Inversores Multinivel tiene una importancia crucial: La topología del circuito de Potencia y la técnica PWM a utilizar. Dependiendo de qué tipo de aplicación se requiera se deben seleccionar las características específicas del inversor multinivel a desarrollar.

Los Inversores de fuente de voltaje (VSC o VSI) producen un voltaje o una corriente de salida cuyos niveles son 0 +/- .

Para obtener una forma de onda de voltaje o corriente con alta calidad, con un contenido mínimo de rizo, los inversores requieren conmutación en alta frecuencia junto con diversas estrategias de modulación por ancho de pulso. Sin embargo, en aplicaciones con alta potencia y alto voltaje, los inversores de dos niveles tienen algunas limitaciones para operar en altas frecuencias, principalmente a causa de las pérdidas por conmutación y limitaciones de las especificaciones nominales de los dispositivos. Además los interruptores semiconductoras se deben usar de tal manera que se eviten problemas asociados con sus combinaciones en serie-

1

paralelo, necesarias para obtener la capacidad de manejo en altos voltajes y corrientes.

Los inversores multinivel presentan un conjunto nuevo de propiedades adecuadas para la compensación de potencia reactiva. Puede ser más fácil producir un inversor de alta potencia y alto voltaje con la estructura multinivel por la forma en que se controlan los interruptores semiconductoras ya que se puede aumentar la cantidad de niveles de voltaje en el inversor sin necesidad de mayores especificaciones de los dispositivos individuales.

La estructura única de inversores con fuente de voltaje permite alcanzar altos voltajes con poco contenido armónico, sin el uso de transformadores. A medida que aumenta la cantidad de niveles (tres en adelante), se reduce en forma importante el contenido armónico en la forma de onda de voltaje de salida del inversor.

Descripción del sistema

El sistema consiste en dos inversores multinivel trifásicos de 3 niveles VSC (voltaje source converter) con modulación PWM conectados en configuración doble. El inversor alimenta una carga AC de 1kW, 0.5 KVar, 208 V (rms) a 60 Hz a través de un transformador trifásico. La inductancia de dispersión del transformador sirve como filtro de armónicos. El circuito del inversor se muestra en la siguiente figura.

Cada uno de los inversores usa un bloque de puente de tres niveles en donde los dispositivos electrónicos utilizados son IGBT y diodos. Cada rama consiste en 4 IGBT, 4 diodos en antiparalelo y 2 diodos con punto neutral fijado.

El inversor es controlado mediante un control de lazo abierto. Como se observa, para la modulación se utilizó un bloque trifásico Generador PWM, este bloque es el encargado de generar los pulsos utilizados en la modulación. En el ejemplo, el bloque PWM genera dos series de 12 pulsos, uno para cada inversor, en las salidas P1 y P2.

2

Figura 1. Inversor multinivel trifásico de 3 niveles

Al abrir el bloque del generador PWM, se observa que se puede operar en modo sincronizado o no sincronizado. En el ejemplo la operación del bloque está en modo sincronizado. Cuando se opera en este modo, la señal portadora triangular se sincroniza con un ángulo de referencia conectado a la entrada “wt”. Además, la frecuencia de recorte de la señal portadora se especifica por la relación de conmutación como un múltiplo de la frecuencia de salida.

También son generadas 3 señales sinusoidales de 0.85 pu por el bloque ‘Discrete 3-phase Porgrammable Source’, para obtener un índice de modulación de 0.85. Las señales portadoras son sincronizadas con las señales de modulación. Si se especifica el modo de operación No sincronizada se debe especificar la frecuencia y ángulo de fase de la señal de salida del bloque

Para este ejemplo, la tensión del bus de CD es de 400 V (+/- 200 V), la frecuencia de conmutación es de 1080 Hz, es decir 18*60 Hz, como ya se dijo la magnitud de las 3 señales de modulación es de 0.85 (correspondiendo a un índice de m=0.85) y la frecuencia de las 3 señales generadas es de 60 Hz.

3

Resultados y conclusiones

Al correr la simulación se observan las siguientes formas de onda en el osciloscopio: El voltaje fase a neutro Van generado por el inversor 1, el voltaje en la fase A Vaa generado por los dos inversores y el voltaje de línea de la carga (entre las fases A y B). Como se aprecia, la forma de onda del voltaje Van claramente demuestra los tres niveles: +200 V, 0 V, -200 V.

Ahora se continuó la simulación abriendo el bloque Powegui para conocer el análisis de la Transtormada Rápida de Fourier, los resultados se observan a continuación.

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1-200

0

200Selected signal: 6 cycles. FFT window (in red): 2 cycles

Time (s)

0 10 20 30 40 50 60 70 800

10

20

30

40

50

Harmonic order

Fundamental (60Hz) = 167.6 , THD= 71.72%

Mag

(%

of

Fun

dam

enta

l)

Figura 2. Forma de onda de voltaje en la fase A e índice de distorsión armónica total de dicha señal de 71.72%

4

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

-200

0

200

Selected signal: 6 cycles. FFT window (in red): 2 cycles

Time (s)

0 10 20 30 40 50 60 70 800

2

4

6

8

10

12

14

Harmonic order

Fundamental (60Hz) = 335.3 , THD= 36.82%

Mag

(%

of

Fun

dam

enta

l)

Figura 3. Forma de onda de voltaje generado por los dos inversores en la fase A (Vaa) e índice de distorsión armónica, de esa señal, de 36.82%

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

-200

0

200

Selected signal: 6 cycles. FFT window (in red): 2 cycles

Time (s)

0 10 20 30 40 50 60 70 800

0.2

0.4

0.6

0.8

Harmonic order

Fundamental (60Hz) = 300.3 , THD= 0.93%

Mag

(%

of

Fun

dam

enta

l)

Figura 4. Forma de onda de voltaje de línea de la carga e índice de distorsión armónica de la misma señal. (THD=0.93%).

5

Como se aprecia en la figura 2, el índice de distorsión armónica (THD) del voltaje en la fase A obtenido a la salida del inversor 1 es de 71.72%. En la misma figura se muestran los 3 niveles del inversor (+200 V, 0 V y -200 V) y se aprecia que el armónico de mayor magnitud fue el número 18 correspondiente a 1080 Hz con un 52.31% de la componente fundamental a 60 Hz.

En la figura 3 se muestra la forma de onda de voltaje de línea de la fase A debido a los dos inversores, obteniéndose un THD de 36.82%, menor que en el caso de un solo inversor. Los armónicos de mayor magnitud corresponden al 31, 33, 35 37, 39 y 41 con valores menores a los 13.3% de la componente fundamental de 60 Hz.

En la figura 4 se observa la forma de onda del voltaje en la carga correspondiente al voltaje de línea en las fases A y B. La distorsión armónica total en este caso fue mucho menor, de 0.93%. El voltaje en la carga es pues, casi cosenoidal, con un mínimo de distorsión.

Al comparar las figuras 2 y 3 se observa que al utilizar solo un inversor, la señal a la salida del mismo corresponde al inversor de tres niveles, mientras que al utilizar los dos puentes la señal obtenida (figura 3) corresponde a un inversor de cinco niveles. Así pues, un inversor de cinco niveles es formado por dos inversores de tres niveles.

6