Resumen de Contributions to control of multilevel power coverters.
A lo largo de los últimos años, los convertidores multinivel se han ido estableciendo como una de las mejores opciones para hacer frente a la creciente demanda de energía eléctrica debida al requerimiento de mayores niveles de potencia en distintos sectores industriales, así como al creciente uso de equipos eléctricos y electrónicos tanto en aplicaciones industriales como domésticas. De hecho, existen importantes empresas dedicadas a la comercialización de convertidores multinivel como, por ejemplo, convertidores FCC o CHB, o el convertidor con fijación por diodos, más conociodo pos sus siglas en inglés: DCC (Diode-Clamped Converter). Sin embargo, el uso de algunas topologías de estos sistemas electrónicos, especialmente aquéllas que presentan un número elevado de niveles, no está lo suficientemente extendido.
Son varios los motivos que explican la escasa penetración industrial de algunas topologías de los convertidores multinivel. En primer lugar, la complejidad que conlleva el empleo de las mismas debido al elevado número de componentes de los convertidores. En segundo lugar, la aparición de algunos problemas que no aparecen en los convertidores clásicos de dos niveles que hacen que el control de los mismos sea una tarea ardua. Entre ellos, cabe mencionar la necesidad de disponer de distintos niveles de tensión constante en el lado de continua del convertidor. Cuando se pretende obtener estos niveles mediante el uso de condensadores, lo cual permite simplificar el circuito, es necesario que las tensiones de los mismos se mantengan equilibradas para que de este modo cada condensador desempeñe un papel equivalente al de una fuente de tensión constante.
Esta tesis aborda varios de los problemas presentes en los convertidores multinivel y tiene como principal objetivo proponer nuevas soluciones a los mismos. Para ello, se hace uso de una serie de modelos matemáticos que describen el comportamiento dinámico de estos sistemas. El analísis detallado de estos modelos permite expresar los distintos problemas considerados en este trabajo con un nuevo enfoque matemático, el cual puede despertar interés, no sólo en el campo de la electrónica de potencia, sino también en áreas relacionadas con la ingeniería de control automático. De hecho, las soluciones que se detallan a lo largo de esta tesis se basan en el diseño de controladores que tienen en cuenta dicho enfoque para lograr que los sistemas se comporten de la manera deseada, haciendo uso de diferentes técnicas de control.
Si bien esta tesis está centrada en la topología DCC para distinto número de niveles, la primera parte de la misma está dedicada al control del convertidor clásico de dos niveles. Con ello se pretende introducir los objetivos de control de este tipo de sistemas así como otros conceptos básicos de los convertidores trifásicos, y facilitar de este modo la comprensión del funcionamiento de los convertidores de un mayor número de niveles. Además, es importante señalar que los objetivos de control que se plantean en los convertidores de dos niveles han de ser también satisfechos, junto a otros objetivos adicionales, en las topologías multinivel. En este sentido, es importante estudiar la estabilidad del convertidor de dos niveles así como otros problemas que pueden resultar del uso de ciertas estrategias de control, puesto que estos problemas podrían reproducirse de igual modo en los convertidores multinivel.
Una vez han sido tratados los convertidores de dos niveles, la tesis se adentra en la topogía DCC de los convertidores multinivel. Se comienza por el convertidor de tres niveles, centrándose en los aspectos de control del mismo, con el objetivo principal de solucionar diversos problemas asociados a estos convertidores. Para ello, se proponen varios enfoques de control que hacen uso de distintas técnicas, entre ellas, algunas basadas en el control adaptativo o en el diseño del observadores de estado. Estos enfoques están basados en el rechazo de perturbaciones senoidales.
Finalmente, se termina con los convertidores de cinco niveles, para los cuales también se propone un nuevo método de control que permite hacer frente al comportamiento inestable de las tensiones de los condensadores del bus de continua, el cual representa uno de los principales motivos de la todavía escasa penetración industrial de la topogía DCC cuando el número de niveles considerado es elevado. Por tanto, la complejidad de los sistemas que se consideran en esta tesis va aumentando paulatinamente, ya que al aumentar el número de niveles del convertidor mayor es la dificultad que requiere el control del mismo.
Algunas de las principales contribuciones de la tesis, desde el punto de vista del autor, se exponen a continuación:
- Formulación y análisis del problema de la saturación de las señales de control en los convertidores de potencia.
- Diseño de una estrategia de control para evitar que la saturación de las señales de control pueda dar lugar a un comportamiento no deseado de los convertidores de potencia.
- Análisis de la estabilidad del convertidor trifásico de dos niveles y demostración de la estabilidad exponencial del punto de equilibro del sistema mediante el método de las perturbaciones singulares, considerando la existencia de tres escalas de tiempo.
- Justificación teórica de la suposición de distintas escalas de tiempo en la dinámica del convertidor de dos niveles considerada durante el diseño del controlador de la tensión del lado de continua del convertidor.
- Nuevos planteamientos matemáticos para tratar con los problemas asociados a las tensiones de los condensadores del bus de continua en la topogía DCC, tanto de tres como de cinco niveles.
- Diseño de distintos métodos de control basados en el rechazo de perturbaciones senoidales en la topología DCC de tres niveles para hacer frente a los problemas relacionados con las tensiones de los condensadores del bus de continua.
- Diseño de un método de control para la topología DCC de cinco niveles para hacer frente al desequilibrio de las tensiones de los condensadores del bus de continua.
