Optimización del comportamiento de un convertidor de tres niveles NPC conectado a la red eléctrica
- Autores: Emilio José Bueno Peña
- Directores de la Tesis: Francisco Javier Rodríguez Sánchez (dir. tes.), Felipe Espinosa Zapata (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2005
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Manuel Ramón Mazo Quintas (presid.), Jesús Ureña Ureña (secret.), Ana M. Llor Carrasco (voc.), Santiago Arnalte Gómez (voc.), Josep Bordonau Farrerons (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: e_Buah
- Resumen
- español
Esta Tesis se centra en el campo de la distribución de la energía eléctrica, el objetivo es optimizar el comportamiento de los VSCs (‘Voltage Source Converters’) cuando se emplean como interfaz entre la red eléctrica y sistemas de generación de electricidad, para entregar o demandar energía a la red con la mejor calidad posible. Por un lado, se propone el diseño de convertidores más robustos, especialmente, frente a perturbaciones de la red eléctrica; y por otro lado se proponen nuevos algoritmos de control para mejorar el comportamiento del VSC ante posibles perturbaciones del sistema.
A nivel de diseño, en esta Tesis se desarrolla un convertidor ‘back-to-back’ de tres niveles NPC y se propone el empleo de un filtro LCL para la conexión del convertidor a la red eléctrica. El empleo de este convertidor optimiza el contenido armónico de la corriente que se demanda o se entrega a la red eléctrica, pues el primer grupo de armónicos de las tensiones de línea están centrados alrededor del doble de la frecuencia de conmutación. Por otro lado, el filtro LCL, al ser de tercer orden consigue elevadas atenuaciones de los armónicos debidos a las conmutaciones del convertidor.
Desde el punto de vista del control, la Tesis se centra en el sistema de control del VSC conectado a la red eléctrica. En este contexto se propone un controlador de corriente del VSC con filtro LCL, donde se reduce el número de sensores empleando un observador de estados. También se propone un método de sincronización con la red eléctrica basado en un SPLL (‘Software Phase Locked Loop’) y se analiza el comportamiento de éste para diferentes configuraciones dentro del sistema de control global. Por último se presenta el controlador de tensión del DC-bus, donde se desarrollan dos ecuaciones lineales para el diseño del controlador y se analiza su estabilidad en función del modo de funcionamiento del VSC conectado a la red eléctrica (rectificador o inversor) y del valor de la capacidad del DC-bus.
Los VSCs se pueden conectar a redes donde se desconoce a priori la impedancia de la red, los componentes que forman el filtro de red pueden sufrir derivas temporales, la red eléctrica puede tener perturbaciones como tensiones desbalanceadas, armónicos, ‘dips’, etc. En esta Tesis se presentan diferentes algoritmos para identificar y compensar estas anomalías que ocasionan errores e incluso inestabilidades en la respuesta del sistema.
Dentro de esta línea de investigación, se propone un algoritmo para identificar tanto la inductancia como la resistencia de la línea y además se presenta un método para compensar los errores producidos. Respecto al proceso de identificación de las derivas temporales de los componentes del filtro de red, se analiza la respuesta de dos métodos diferentes cuando se añade ruido a las medidas procedentes de los sensores. Se emplea un método directo basado en el modelo del filtro de red y un método estocástico basado en el EKF (‘Extended Kalman Filter’), y los resultados de ambos métodos son comparados.
Sobre la compensación de armónicos en las tensiones de la red eléctrica, en esta Tesis se propone un método denominado “feedforward predictivo” que entrega a la red únicamente corriente del armónico fundamental, con lo que la potencia activa en la red es constante. Por último, para compensar desbalanceos de tensiones de la red permanentes o transitorios (‘dips’) se propone el empleo de un controlador de corriente vectorial dual, se realizan ensayos para VSCs con carga pasiva y filtros L o LCL, y convertidores ‘back-to-back
- English
This Thesis is contextualized in the fleid of the electric power distribution; its aim is the optimization of VSCs (Voltage Source Converter) behaviour when they are used as interface connected to the grid of electricity generation systems, in order to deliver or to demand energy to the utility grid with the best possible quality. To achieve this objective, on one hand the design of more robust converters is proposed, especially, under the utility grid disturbances; and, the other hand, new control algorithms are presented to improve the VSC behaviour under possible system disturbances.
At the design framework, in this Thesis a back-to-back NPC three-level converter is developed and a LCL-filter is proposed for connecting the converter to the utility grid. The chosen topology optimizes the current harmonic components, as the first harmonic group in the converter output voltages are concentrated around double of the commutation frequency. On the other hand, the LCL-filter, to be a third order one, gets high attenuations at the converter commutation harmonics.
From the point of view of the control algorithms, the Thesis studies the control system of the VSC connected to the grid. In this context, a vectorial current controller for the VSC with LCL filter is proposed, and the number of sensors is decreased using a state observer. In addition, a grid voltage synchronization method is studied, and its behaviour inside the global control system is analysed for different configurations of the synchronization algorithm. Lastly, a DC-bus voltage controller is presented, where two lineal equations are developed to design it. The stability of the VSC connected to the grid is analysed according to its operation mode (rectifier or inverter), and the DC-bus capacitor value.
Different conditions can disturb the correct functionally of VSCs connected to the grid. They may be connected to grids where the impedance is unknown; grid filter components may suffer temporal drifts; and the grid may experience disturbances such as unbalanced, harmonics, dips, etc. Different algorithms are presented in this Thesis, to identif’ and to compensate these problems, which cause steady-state errors and even instabilities.
In this context, an algorithm to identify both the grid inductance and resistance is presented, and also a method to compensate the generated errors. In the identification process of temporal drifts of the grid filter components, the response of two different algorithms is analysed, by means of simulations, adding the noise of the current sensor measurements. The used algorithms are: a direct method based on the grid filter model, and a stochastic method based on the EKF (“Extended Kaiman Filter”).
To achieve the compensation of the grid voltage harmonics, a method called “predictive feedforward” is designed. Therefore, the final system only delivers fundamental hannonic currents to the grid, and consequently the grid active power is constant. Finally, a dual vectorial current controller is used to compensate permanent and transient unbalanced voltages. The proposed current controller has been tested for VSCs connected to the grid through an L-filter and LCL-filter with passive and active load in the DC-bus.
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