Contribución al desarrollo de convertidores multinivel de alta tensión tolerantes a fallos

Abstract

[ES] Los convertidores de potencia de estado sólido se utilizan como generadores eléctricos polifásicos de tensión o corriente para múltiples aplicaciones, como por ejemplo el control de motores, generación eléctrica, mejora de calidad de red, etc. el uso de este tipo de convertidores supone una ventaja técnica muy importante, pues permite el control preciso de las máquinas eléctricas y la conversión de energía de diferentes naturalezas que, de otro modo, no sería posible. Debido a las limitaciones propias de la técnica de los semiconductores de potencia, la potencia de un convertidor viene limitada por la capacidad de entregar corriente de dichos semiconductores o de la tensión máxima de funcionamiento de los mismos. La manera de construir un convertidor de potencia escalable en potencia se fundamenta en utilizar topologías de circuitos, en los que los semiconductores se colocan en serie o en paralelo de forma modular para incrementar la tensión y/o la corriente del convertidor. Cuanto mayor sea la limitación eléctrica de los semiconductores, más complicado se hace realizar un convertidor de alta potencia. Hoy en día existen múltiples topologias que permiten construir de forma práctica convertidores de más de 50MVA como, por ejemplo, los convertidores multinivel modulares (MMC) o los convertidores multinivel en cascada (MCHB). Estas topologías se basan en el uso de módulos o celdas independientes que se colocan en serie para generar la tensión de salida.

Este tipo de convertidores, por el hecho de ser modulares y escalables, presentan la ventaja de poder seguir trabajando en caso de fallo de uno de los módulos de potencia que lo componen, lo que en grandes convertidores de potencia es de gran importancia puesto que este tipo de accionamientos suelen estar situados en el control de procesos críticos de plantas industriales o en sistemas de generación eléctrica que requieren de una alta fiabilidad de funcionamiento. Ante un fallo en uno de los módulos de potencia, el equipo puede seguir trabajando e intentando entregar la potencia máxima posible. Sin embargo, el convertidor, ante un fallo de uno (o varios) de sus módulos, no será capaz de entregar una tensión equilibrada a la salida si no se aplica algún tipo de técnica para resolver este problema. Al margen de esto, la utilización de múltiples módulos en serie en la construcción de un convertidor plantea otro inconveniente, que es que todos los módulos no son iguales ni el sistema de alimentación a dichos módulos tampoco está perfectamente equilibrado, lo que lleva a un cierto nivel de desequilibrio de tensiones de salida en el convertidor incluso aunque no haya ningún módulo en fallo. Además de todo esto, en aplicaciones en donde entre el convertidor y el dispositivo accionado haya una impedancia desequilibrada, aunque el convertidor genere una tensión equilibrada, en el dispositivo accionado, la corriente no lo será. Así pues y a modo de resumen, podemos decir que, en los convertidores de potencia, existen al menos 3 problemas importantes asociados al desequilibrio de tensiones o corrientes en la construcción y operación de un convertidor de alta potencia: 1.- Desequilibrio de tensiones debido al fallo de un módulo de potencia. 2.- Desequilibrio de tensiones debido a asimetrías constructivas del convertidor. 3.- Desequilibrio de corrientes debido a la existencia de una impedancia asimétrica entre el accionamiento y el dispositivo accionado. El presente trabajo, pretende dar solución a estos 3 problemas y, en general, desarrollar el conocimiento general en el estado de la técnica para abordar el problema del desequilibrio en los sistemas polifásicos en tiempo real. El presente estudio se ha realizado sobre un convertidor del tipo MCHB (Multilevel Cascaded H-Bridge), pero los resultados son aplicables a cualquier tipo de convertidor.

[EN] Solid-state power converters are used as multi-phase voltage or current generators for multiple applications, such as motor control, power generation, network quality improvement, etc. The use of this type of converters is a very important technical advantage, since it allows the precise control of electrical machines and the energy conversion of different natures, which otherwise would not be possible. Due to the inherent limitations of the power semiconductor technique, the power of a converter is limited by the capacity to deliver current of said semiconductors or the maximum operating voltage thereof. The way to build a power scalable power converter is based on using circuit topologies, in which the semiconductors are placed in series or in parallel in a modular way to increase the converter voltage and/or current. The greater the electrical limitation of the semiconductors, the more complicated a high-power converter is made. Nowadays, there are multiple topologies that allow the construction of more than 50MVA converters, such as, for example, modular multilevel converters (MMC) or cascade multilevel converters (MCHB). These topologies are based on the use of independent modules or cells that are placed in series to generate the output voltage. In general, these topologies use same power cells arranged in series for each phase to generate the output voltage. Each cell generates its own output voltage in such a way that the output voltage per phase is the sum of all the voltage cells, what means that if one of the cells fails, we can isolate the failed cell and continue working with the rest. This is very interesting in general, because the converter may continue working even with a failure in the power stage, but especially interesting is for huge converters, usually employed in critical industrial plant processes or energy generation plants that require a high reliability working degree. Not only is important that the converter continues working after a failure, it is also important to maximize the output voltage. Generally speaking, if one or several cells fail, the converter will not be able to give the output voltage balanced unless we perform some technique to fix this problem. Besides that, the use of multiple cells in series poses another inconvenient that is all the cells are not identical and do not generate exactly the same output voltage with the same input command so the output voltage results unbalanced even without failed cells. Additionally, in applications where the converter and the load are both far away and the electrical connection is unbalanced due to the natural asymmetry of the uneven wiring arrangement even with a balanced output voltage, the current to the load will be unbalanced as well. It's likely the load be unbalanced as well, so with the output voltage balanced and without any wiring asymmetry to the load, the currents could be also unbalanced. As summary, we may say that in huge power converters, there are at least 3 important problems associated to the voltage or current unbalances whose origin could be linked to the building, operation or the load of the converter: 1.- Voltage unbalance due to a failed power cell. 2.- Voltage unbalance due to building asymmetries. 3.- Current unbalance due to the impedance unbalance to the load. The purpose of this work is to offer a onetime solution to the 3 problems and in general, to develop the knowledge of the state of the art electrical magnitudes unbalance in multiphase electrical systems in real time. The practical approach of this work was focused in a MCHB converter (Multilevel Cascaded H-Bridge) but the results are applicable to any type of multiphase switched mode power converter.

[CA] Els convertidors de potència d'estat sòlid s'utilitzen com a generadors elèctrics polifàsics de tensió o corrent per a múltiples aplicacions, com ara el control de motors, generació elèctrica, millora de qualitat de xarxa, etc. ús d'aquest tipus de convertidors suposa un avantatge tècnica molt important, ja que permet el control precís de les màquines elèctriques i la conversió d'energia de diferents naturaleses que, d'altra manera, no seria possible. A causa de les limitacions pròpies de la tècnica dels semiconductors de potència, la potència d'un convertidor ve limitada per la capacitat de lliurar corrent d'aquests semiconductors o de la tensió màxima de funcionament dels mateixos. La manera de construir un convertidor de potència escalable en potència es fonamenta en utilitzar topologies de circuits, en els quals els semiconductors es col·loquen en sèrie o en paral·lel de forma modular per incrementar la tensió i / o el corrent del convertidor. Com més gran sigui la limitació elèctrica dels semiconductors, més complicat es fa realitzar un convertidor d'alta potència. Avui dia hi ha múltiples topologies que permeten construir de forma pràctica convertidors de més de 50MVA com, per exemple, els convertidors multinivell modulars (MMC) o els convertidors multinivell en cascada (MCHB). Aquestes topologies es basen en l'ús de mòduls o cel·les independents que es col·loquen en sèrie per generar la tensió de sortida. Aquest tipus de convertidors, pel fet de ser modulars i escalables, presenten l'avantatge de poder seguir treballant en cas de fallada d'un dels mòduls de potència que el componen, el que en grans convertidors de potència és de gran importància ja que aquest tipus d'accionaments solen estar situats en el control de processos crítics de plantes industrials o en sistemes de generació elèctrica que requereixen d'una alta fiabilitat de funcionament. Davant una fallada en un dels mòduls de potència, l'equip pot seguir treballant i intentant lliurar la potència màxima possible. No obstant això, el convertidor, davant una fallada d'un (o diversos) dels seus mòduls, no serà capaç de lliurar una tensió equilibrada a la sortida si no s'aplica alguna mena de tècnica per resoldre aquest problema. Al marge d'això, la utilització de múltiples mòduls en sèrie en la construcció d'un convertidor planteja un altre inconvenient, que és que tots els mòduls no són iguals ni el sistema d'alimentació a aquests mòduls tampoc està perfectament equilibrat, el que porta a un cert nivell de desequilibri de tensions de sortida al convertidor fins i tot encara que no hi hagi cap mòdul en fallada. A més de tot això, en aplicacions on entre el convertidor i el dispositiu accionat hagi una impedància desequilibrada, tot i que el convertidor generi una tensió equilibrada, en el dispositiu accionat, el corrent no ho serà. Així doncs i com a resum, podem dir que, en els convertidors de potència, hi ha almenys 3 problemes importants associats al desequilibri de tensions o corrents en la construcció i operació d'un convertidor d'alta potència: 1.- Desequilibri de tensions causa de la fallada d'un mòdul de potència. 2.- Desequilibri de tensions a causa de asimetries constructives del convertidor. 3.- Desequilibri de corrents a causa de l'existència d'una impedància asimètrica entre l'accionament i el dispositiu accionat. El present treball, pretén donar solució a aquests 3 problemes i, en general, desenvolupar el coneixement general en l'estat de la tècnica per abordar el problema del desequilibri en els sistemes polifàsics en temps real. El present estudi s'ha realitzat sobre un MCHB (Multilevel Cascaded H-Bridge), però els resultats són aplicables a qualsevol tipus de convertidor.