Control de tensión y/o corriente de salida en convertidores electrónicos fuente de tensión modulares y multinivel (MMC) para su conexión a la red eléctrica

Abstract

En este proyecto se ha estudiado el comportamiento de los convertidores tipo fuente de tensión MMC para poder controlarlos y conectarlos a la red eléctrica. Aun existiendo dos tipos de convertidores MMC hemos decidido estudiar con más detalle los convertidores de puente completo por lo intuitivo del diseño de sus controles. El desarrollo del estudio se ha centrado en 3 puntos principales: • El diseño del control de corriente para una conexión a red a través de un filtro L. • EL diseño del control de tensión para la conexión a una carga a través de un filtro LC. • La comparativa entre el uso de convertidores de puente completo y medio puente. Para el diseño del control de corriente hemos comenzado por construir un modelo simplificado a partir de las ecuaciones que definen el sistema para dimensionar nuestro regulador PI , que posteriormente se ha aplicado sobre el modelo detallado. Antes de haberlo probado en el modelo detallado hemos realizado una calibración de los convertidores. Este paso se realiza para saber cual es la relación entre el valor en unitarias de la onda moduladora en comparación con el valor en unidades reales de la tensión de salida de los convertidores. Hemos puesto a trabajar en paralelo dos sistemas alimentando a cargas trifásicas idénticas. Uno de ellos alimenta la carga con generadores ideales que reciben su valor de referencia en voltios mientras que el otro alimenta la carga utilizando convertidores. Alimentando los generadores ideales a través de una ganancia de valor K haremos una comparación con la salida de los convertidores y ajustaremos su valor hasta que ambas salidas coincidan. Finalmente, el valor de K ha sido igual al numero de módulos de cada convertidor por la tensión de cada condensador. Tras ajustar la calibración el resultado ha sido satisfactorio en tanto que el control ha respondido rápidamente a los cambios de referencia sin sobrepasos ni resonancias. Una vez terminado el control de corriente hemos procedido igual para el control de tensión. Hemos realizado un primer modelo simplificado sobre el que hemos diseñado el regulador que posteriormente hemos probado sobre el modelo detallado. Al igual que ha ocurrido con el control de corriente, el resultado ha sido exitoso. L a respuesta es algo más lenta que la del control de corriente, pero aun con todo y ello responde bien a los cambios de referencia con un sobrepaso muy pequeño. Por último, hemos realizado un ensayo del funcionamiento de un control de la corriente de salida para convertidores de medio puente. Para este caso ayudándonos de las ecuaciones que definen el sistema hemos visto que podíamos mantener los controles que teníamos cambiando ligeramente las plantas. El resultado final funciona relativamente bien pero la complicación derivada de tener que controlar dos corrientes a la vez, la circulante y la saliente, es importante. Tras el ensayo y la comparación de material utilizado para cada tipo de convertidor hemos concluido en que el uso de los convertidores de puente completo es la opción más práctica y más económica. Finalmente, el estudio ha llegado a los objetivos que se proponía. Hemos imitado satisfactoriamente el comportamiento de los convertidores y hemos conseguido proponer unos controles funcionales.

In this project, the behavior of MMC voltage source type converters has been studied in order to control them and connect them to the electrical network. Even if there are two types of MMC converters, we have decided to study full bridge converters in more detail because of the intuitive design of their controls. The development of the study has focused on 3 main points: • The design of the current control for a network connection through an L filter. • The design of the voltage control for connection to a load through an LC filter. • The comparison between the use of full bridge and half bridge converters. For the design of the current control we have started by building a simplified model from the equations that define the system to size our PI regulator, which has subsequently been applied to the detailed model. Before having tested it in the detailed model, we performed a calibration of the converters. This step is performed to know what is the relationship between the unit value of the modulating wave compared to the value in real units of the output voltage of the converters. We have worked in parallel two systems feeding identical three-phase loads. One of them feeds the load with ideal generators that receive their reference value in volts while the other feeds the load using converters. Feeding the ideal generators through a gain of K value will make a comparison with the output of the converters and adjust their value until both outputs coincide. Finally, the value of K has been equal to the number of modules of each converter for the voltage of each capacitor. After adjusting the calibration the result has been satisfactory while the control has responded quickly to the reference changes without overshoots or resonances. Once the current control is finished, we have proceeded the same for the voltage control. We have made a simplified first model on which we have designed the regulator that we have subsequently tested on the detailed model. As has happened with current control, the result has been successful. The response is somewhat slower than that of the current control, but still with everything and it responds well to the reference changes with a very small overshoot. Finally, we have tested the operation of an output current control for half bridge converters. For this case, helping us with the equations that define the system, we have seen that we could maintain the controls that we had by slightly changing the plants. The final result works relatively well but the complication derived from having to control two currents at once, the circulating and the outgoing, is important. After testing and comparing the material used for each type of converter we have concluded that the use of full bridge converters is the most practical and most economical option. Finally, the study has reached the objectives that were proposed. We have successfully imitated the behavior of the converters and have managed to propose functional controls.