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ES2856002T3 - Elemento de fuente de corriente - Google Patents

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ES2856002T3
ES2856002T3 ES08875502T ES08875502T ES2856002T3 ES 2856002 T3 ES2856002 T3 ES 2856002T3 ES 08875502 T ES08875502 T ES 08875502T ES 08875502 T ES08875502 T ES 08875502T ES 2856002 T3 ES2856002 T3 ES 2856002T3
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ES
Spain
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current
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voltage
inductor
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ES08875502T
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English (en)
Inventor
Colin Donald Murray Oates
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
General Electric Technology GmbH
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Publication date
Application filed by General Electric Technology GmbH filed Critical General Electric Technology GmbH
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Abstract

Un convertidor para interconectar dos redes CA, denominándose respectivamente dichas dos redes CA "circuito de entrada" y "circuito de salida", - incluyendo dicho convertidor nueve elementos de fuente de corriente conectados en un conjunto matricial de 3x3 y configurados para interconectar directamente dos redes CA trifásicas, o - incluyendo dicho convertidor seis elementos de fuente de corriente conectados en un conjunto matricial de 3x2 y configurados para interconectar directamente una red de CA trifásica y una red de CA monofásica, estando cada uno de dichos elementos de fuente de corriente (10) configurado para ser conectado entre el circuito de entrada y el circuito de salida para facilitar una transferencia de potencia neta entre los circuitos de entrada y de salida efectuada por medio de una corriente diferencial a través de cada elemento de fuente de corriente, comprendiendo cada elemento de fuente de corriente (1) un primer y un segundo terminales de tensión (V1, V2) y una cadena de módulos (M1-MN) y un inductor (L) conectado en serie entre el primer y segundo terminales de tensión, donde cada módulo incluye por lo menos un par de conmutadores de semiconductores (12, 14, 16, 18) conectados en paralelo con un condensador (20), siendo cada módulo un módulo bipolar de 4 cuadrantes, incluyendo además cada elemento de fuente de corriente: un circuito de control (22) conectado a través del primer y el segundo terminales de tensión y configurado para medir la diferencia de potencial (V12) a través del primer y el segundo terminales de tensión y la corriente a través del inductor (I12), y un elemento de control (24) asociado operativamente con los conmutadores de semiconductores para controlar el funcionamiento del conmutador de semiconductores en respuesta a los valores de tensión y corriente medidos (V12, I12) para regular la corriente a través del inductor de acuerdo con una señal de control recibida (IDEMANDA), de manera que los conmutadores de semiconductores de cada módulo están configurados para ser controlados para conectar y desconectar módulos de la cadena de módulos con el fin de mantener la suma de las tensiones sobre la cadena de módulos y el inductor, igual a la diferencia de potencial a través del primer y el segundo terminales de tensión del elemento de fuente de corriente, variando al mismo tiempo las tensiones sobre los módulos individuales para variar la tensión sobre el inductor y controlar, de ese modo, la velocidad del cambio de corriente en el inductor y, de ese modo, los conmutadores de semiconductores de cada módulo están configurados para ser controlados para garantizar que la carga del condensador (20) del módulo se mantiene dentro de límites predeterminados, incluyendo además el convertidor un controlador que está configurado para calcular la corriente diferencial a producir por el, o cada elemento de fuente de corriente, y configurado para enviar la señal de control (IDEMANDA) al elemento de control (24) del, o de cada elemento de fuente de corriente, de manera que el elemento de control puede controlar los conmutadores de semiconductores para que el, o cada elemento de fuente de corriente produzca la corriente diferencial calculada.

Description

DESCRIPCIÓN
Elemento de fuente de corriente
La invención se refiere a un elemento de fuente de corriente para utilizar en un convertidor de fuente de corriente, y a un convertidor de fuente de corriente que incorpora uno o varios elementos de fuente de corriente.
La naturaleza de la electrónica de potencia es utilizar conmutadores basados en tecnología de semiconductores que dirigen corriente.
Cuando se combinan con componentes pasivos que proporcionan almacenamiento de energía temporal, la capacidad de estos conmutadores para funcionar rápidamente permite convertir potencia eléctrica de prácticamente cualquier forma en una forma diferente, con mínimas pérdidas.
La importancia de hacer eficiente y compacta dicha conversión de potencia ha centrado el desarrollo en el aumento de la frecuencia de funcionamiento, de manera que se pueda reducir el tamaño de los componentes pasivos.
Para el equipamiento de conversión de potencia que involucra altas tensiones, una conmutación de alta frecuencia no es deseable dado que crea un gran esfuerzo en el aislamiento, y los conmutadores de semiconductores en serie se tienen que configurar para funcionar dentro de los parámetros operativos de los conmutadores más pobres. Por lo tanto, las pérdidas de los convertidores se hacen excesivas.
El trayecto de la corriente de circulación que pasa a través de cada conmutador debe tener asimismo un área grande para mantener el aislamiento, creando de ese modo una gran autoinductancia que, de manera inherente, limitará el rendimiento del convertidor.
Existen una serie de topologías multinivel que permiten que los conmutadores de semiconductores funcionen independientemente. La patente GB 2294 821 A da a conocer un circuito de compensador estático (STATCOM), que es un convertidor de cadena que consiste en una serie de módulos que incluyen, cada uno, una capacitancia cargada que puede ser conectada y desconectada del circuito utilizando conmutadores de semiconductores para producir una fuente de tensión continuamente variable. El trayecto de la corriente de circulación para la conmutación por semiconductores está contenido dentro de los módulos respectivos, lo que tiene como resultado una autoinductancia mínima y mejora, por lo tanto, la eficiencia de la operación de conmutación.
La figura 1 muestra una forma de onda de potencia de 50 Hz siendo sintetizada escalonando la conmutación de los módulos de manera que, aunque están teniendo lugar muchas operaciones de conmutación, las operaciones de conmutación están contenidas en el interior de módulos individuales, y el número de operaciones de conmutación por módulo puede ser tan bajo como la frecuencia de la tensión de potencia.
El concepto que subyace a la topología de cadena dada a conocer en la patente GB 2294821 A se origina a partir del trabajo que llevó a cabo el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT, Massachusetts Institute of Technology) en la década de 1970 para producir un convertidor de alta tensión a partir de circuitos conectados, conteniendo cada circuito una fuente de tensión moderada que se podía conectar o desconectar del circuito.
Este trabajo se incorporó en las patentes US 3,909,685, US 3,866,643 y US 3,971,976, que dan a conocer circuitos en los que la fuente de tensión es inicialmente una batería, y posteriormente la salida aislada del transformador de un convertidor de alta frecuencia, y se incluye un conmutador, de manera que las baterías se pueden conectar en paralelo para carga.
Estas patentes dan a conocer el concepto básico del principio de convertidor multinivel, demostrando cómo se puede sintetizar una tensión sinusoidal a partir de una forma de onda escalonada, y constituyeron la inspiración del circuito STATCOM de la patente GB 2294821 A.
En el circuito de la patente GB 2294821 A, la fuente de tensión es sustituida por un condensador cargado dentro de un módulo de 4 cuadrantes, que se muestra en la figura 2.
El término "4 cuadrantes" se refiere a la capacidad del módulo para conducir corriente en ambos sentidos y desarrollar tensión tanto positiva como negativa. Esto se ejemplifica en el gráfico de tensión frente a corriente mostrado en la figura 3, en el que los números mostrados indican los respectivos cuadrantes.
La capacidad de desarrollar tensión positiva y negativa, y de conducir corriente en ambos sentidos, permite que se haga funcionar una serie de dichos módulos frente a una red de potencia de CA para proporcionar solamente potencia reactiva.
En el circuito de la patente GB 2294821 A no hay ningún flujo de potencia neto entre la red de potencia y el circuito STATCOM excepto para contrarrestar pérdidas. Esto significa que, una vez los condensadores están cargados, permanecen cargados.
La patente DE 101 03 031 A1 reconoce que se puede transferir potencia de un circuito CA a un circuito CC utilizando el módulo condensador de 2 cuadrantes mostrado en la figura 4.
El significado de la operación de "2 cuadrantes" es que el módulo puede desarrollar solamente tensión cero o positiva, pero puede conducir corriente en ambos sentidos. Esto se ejemplifica en el gráfico de tensión frente a corriente mostrado en la figura 5, en el que los números mostrados indican los respectivos cuadrantes.
El principio del circuito dado a conocer en la patente DE 101 03031 A1 ha sido incorporado en topologías dadas a conocer en las patentes WO 2007/028349 A1 y WO 2007/0328350 A1 para esquemas de corriente continua de alta tensión (HVDC, high voltage direct current) de tipo convertidor de fuente de tensión (VSC, voltage source converter). Sin embargo, las patentes GB 2 294 821 A, DE 101 03 031 A1, WO 2007/028349 A1 y WO 2007/0328350 A1 consideran el convertidor de cadena como una serie de módulos de electrónica de potencia que se pueden controlar para proporcionar una fuente de tensión continuamente variable. El objetivo de la invención es extender estos principios a uno que se pueda aplicar a una gama de topologías, y que dé lugar a convertidores adecuados para conversión de potencia a altas tensiones.
La patente WO 2008/067784 A1 da a conocer un dispositivo para convertir una corriente eléctrica, que tiene conexiones de CA y conexiones de CC. Una rama de módulo de fase está dispuesta entre cada conexión de CC y cada conexión de CA. Cada ramificación de módulo de fase tiene una conexión en serie compuesta de submódulos, cada uno de los cuales comprende un acumulador de energía y semiconductores de potencia. El dispositivo comprende además sensores de medida para proporcionar valores reales, y medios de control conectados a los sensores de medida. Los medios de control comprenden una unidad de regulación de corriente y unidades de control, asociadas cada una con una rama de módulo de fase, donde la unidad de regulación de corriente está configurada para proporcionar valores objetivo de rama para las unidades de control.
La patente US 2004/022081 A1 da a conocer un sistema para capturar energía eléctrica desde un generador de velocidad variable. El sistema incluye un convertidor matricial que utiliza celdas de conmutación multinivel, de puente completo, en las que hay dispositivos semiconductores condicionados a una tensión de CC constante conocida, de un condensador. El convertidor matricial multinivel puede generar una forma de onda de tensión multinivel de magnitudes y frecuencias arbitrarias. El convertidor matricial se puede controlar utilizando modulación vectorial espacial.
El documento DE10217889A1 da a conocer convertidores matriciales de CA/CA que utilizan brazos de puente H en cascada.
La invención se define mediante la reivindicación independiente.
Se describen realizaciones preferidas mediante las reivindicaciones dependientes.
A continuación se describirán realizaciones de la invención, a modo de ejemplos no limitativos, haciendo referencia a las figuras adjuntas, en las que:
la figura 1 muestra la síntesis de una forma de onda de potencia de 50 Hz, escalonando la conmutación de una serie de módulos en un convertidor de cadena;
la figura 2 muestra un módulo de 4 cuadrantes;
la figura 3 muestra un gráfico de tensión contra corriente para el módulo de 4 cuadrantes de la figura 2.
la figura 4 muestra un módulo de 2 cuadrantes;
la figura 5 muestra un gráfico de tensión contra corriente para el módulo de 2 cuadrantes de la figura 4.
la figura 6 muestra un elemento de fuente de corriente, de acuerdo con una realización de la invención;
la figura 7 muestra un elemento de fuente de corriente, de acuerdo con otra realización de la invención;
la figura 8 muestra una disposición de circuito esquemática de un convertidor trifase a trifase, de acuerdo con otra realización de la invención;
la figura 9 muestra una topología de circuito detallada del convertidor trifase a trifase de la figura 8;
las figuras 10a y 10b muestran las tensiones y corrientes de CA cuando el convertidor trifase a trifase de la figura 8 se utiliza para interconectar una red de 50 Hz y una red de 25 Hz;
las figuras 11 y 12 muestran la operación de dos de los elementos de fuente de corriente del convertidor trifase a trifase de la figura 8;
la figura 13 muestra una topología de circuito detallada de un convertidor trifase a monofase, de acuerdo con otra realización de la invención;
la figura 14 muestra una topología de circuito detallada de un convertidor trifase a ±CC simétrica, de acuerdo con un ejemplo que no cae dentro del alcance de las reivindicaciones;
la figura 15 muestra una disposición de circuito esquemática de un convertidor de CC a CA monofase simétrica, de acuerdo con un ejemplo que no cae dentro del alcance de las reivindicaciones.
la figura 16 muestra una topología de circuito detallada del convertidor de CC a CA monofase simétrica de la figura 15.
la figura 17 muestra las tensiones y corrientes de elementos de corriente constantes superiores de una simulación del convertidor de CC a CA monofase simétrica de la figura 15;
la figura 18 muestra las tensiones de condensador de la simulación del convertidor de CC a CA monofase simétrica de la figura 15;
la figura 19 muestra las corrientes de CC y CA separadas cuando la tensión de CA y la referencia de corriente de CA de la simulación se invierten ambas en polaridad.
la figura 20 muestra una disposición de circuito esquemática de un convertidor de CC a CC aislado galvánicamente, de acuerdo con un ejemplo que no cae dentro del alcance de las reivindicaciones; y
la figura 21 muestra una topología de circuito detallada del convertidor de CC a CC aislado galvánicamente de la figura 20.
En la figura 6 se muestra un elemento de fuente de corriente 10, de acuerdo con una realización de la invención. El elemento de fuente de corriente 10 incluye un primer y un segundo terminales de tensión V1 , V2 y una cadena de módulos M1 , M2 , M3....MN y un inductor L conectados en serie entre los terminales de tensión.
En la realización mostrada en la figura 6, cada uno de los módulos M1 , M2 , M3....MN incluye dos pares de conmutadores de semiconductores 12, 14, 16, 18 en forma de transistores bipolares puerta aislados, conectados en una disposición de puente completo con un condensador 20 para definir un módulo bipolar de 4 cuadrantes.
En otra realización, que se muestra en la figura 7, cada uno de los módulos M1 , M2 , M3....MN incluye un par de conmutadores de semiconductores 12, 14 en forma de transistores bipolares puerta aislados, conectados en una disposición de semipuente con un condensador 20 para definir un módulo unipolar de 2 cuadrantes
El elemento de fuente de corriente 10 mostrado en cada una de las figuras 6 y 7 incluye un circuito de control 22 conectado a través del primer y el segundo terminales de tensión V1 , V2. El circuito de control 22 mide la tensión a través del primer y el segundo terminales de tensión V1 , V2 para determinar la diferencia de potencial V12 a través de los dos terminales V1 , V2 y mide la corriente I12 a través del inductor L.
El elemento de fuente de corriente 10 incluye asimismo un elemento de control 24 asociado operativamente con los módulos M1 , M2 , M3....MN para controlar el funcionamiento de los conmutadores de semiconductores en respuesta a los valores medidos de tensión y de corriente V12 , I12 recibidos desde el circuito de control 22, para regular la corriente a través del inductor L, de acuerdo con una señal de control recibida Idemanda.
En uso, para formar un convertidor, uno o varios elementos de fuente de corriente 10 están conectados entre un circuito de entrada y un circuito de salida para facilitar una transferencia de potencia neta entre los circuitos de entrada y de salida.
En la forma más simple de convertidor, el circuito de entrada está conectado al primer terminal de tensión V1 de un elemento de fuente de corriente 10 y un circuito de salida está conectado al segundo terminal de tensión V2 del elemento de fuente de corriente 10.
La utilización de módulos unipolares 2 cuadrantes M1 , M2, M3....MN o módulos bipolares de 4 cuadrantes M1 , M2 , M3...MN depende de si se invierten las tensiones entre los circuitos de entrada y de salida.
El elemento de fuente de corriente 10 está conectado entre los circuitos de entrada y de salida, de tal modo que las corrientes de entrada y de salida pueden circular solamente dentro del contexto de los circuitos de entrada y de salida, y está dispuesto un trayecto de circulación para todas las corrientes que permite la interacción para un intercambio de potencia entre los circuitos de entrada y de salida.
Está dispuesto un controlador que calcula el perfil de corriente requerido desde el elemento de fuente de corriente 10, según la naturaleza de los circuitos de entrada y de salida. El controlador comunica con el elemento de control 24 del elemento de fuente de corriente 10, proporcionando la señal de control Idemanda requerida para permitir que el elemento de control 24 controle la corriente a través del inductor L.
El elemento de control 24 controla la corriente a través del inductor L mediante controlar la conmutación de los conmutadores de semiconductores de los módulos M1 , M2 , M3....MN con el fin de conmutar los módulos dentro y fuera de la cadena de módulos para mantener la suma de las tensiones sobre la cadena de módulos M1 , M2 , M3....MN y el inductor, igual a la diferencia V12 entre las tensiones en el primer y el segundo terminales de tensión V1 , V2 , variando al mismo tiempo las tensiones sobre los módulos individuales M1 , M2 , M3....MN con el fin de variar la tensión e sobre el inductor L y controlar, de ese modo, la velocidad del cambio de corriente en el inductor L, de acuerdo con la siguiente ecuación:
Figure imgf000005_0001
donde L es el valor de inductancia del inductor L, de manera que:
V y CLM =V ' 12 - ^ L ■L/> ~
A t y ¿'°
donde Vclm es la tensión requerida desde la cadena de módulos, o es la corriente medida e íd es la corriente requerida al término del periodo de muestreo Ai.
Esto permite que se controle la corriente en los circuitos de entrada y de salida regulando el elemento de fuente de corriente para seguir la diferencia de corriente instantánea entre la corriente que pasa a través del elemento de fuente de corriente para los circuitos de entrada y de salida.
La inductancia L del inductor L, la capacitancia del condensador 20 de cada módulo M1, M2 , M3....MN y el periodo de muestreo At se tienen que elegir para adecuarse a la aplicación.
Cada uno de los módulos M1, M2 , M3....MN proporciona su tensión desde el condensador 20, y la conmutación de los conmutadores de semiconductores se controla para garantizar que la carga del condensador 20 de cada uno de los módulos M1, M2 , M3....MN se mantiene dentro de límites predeterminados.
El almacenamiento transitorio de energía proporcionado por el condensador 20 de cada uno de los módulos M1, M2 , M3....MN permite una transferencia de potencia neta entre los circuitos de entrada y de salida, manteniendo al mismo tiempo los circuitos de entrada y de salida independientes entre sí.
La transferencia de potencia se efectúa por medio de una corriente diferencial a través del módulo de fuente de corriente, que tiene que invertir su polaridad lo suficiente como para restablecer la carga en cada condensador 20. En realizaciones preferidas de la invención, se construye un conjunto matricial de elementos de fuente de corriente 10, y se muestra de forma esquemática una realización de este tipo en la figura 8, en la que nueve elementos de fuente de corriente 10 están conectados en un conjunto matricial 3x330 para interconectar dos redes trifásicas. Esta disposición, de la que se muestra una topología de circuito detallada en la figura 9, requiere solamente un convertidor cuando se compara con un procedimiento convencional de conectar dos sistemas HVDC, espalda contra espalda con un enlace c C de acoplamiento. Por consiguiente, existe solamente un conjunto de pérdidas. Hay asimismo menos componentes, lo que hace el convertidor más pequeño, y más barato de construir.
Los usos prácticos de la topología mostrada en la figura 9 incluyen modificación de frecuencia estática, tal como modificación de frecuencia de 50 Hz a 400 Hz, que se requiere en aplicaciones aeroespaciales y de embarcaciones. Haciendo referencia a la figura 8, cada conexión de fase del conjunto matricial 30 contribuye un tercio del requisito de corriente de la fase a la que está conectada.
Suponiendo que los circuitos de entrada y de salida están equilibrados, cualquier diferencia transitoria entre los dos conjuntos de formas de onda es proporcionada por la energía en los condensadores 20 de los módulos M1, M2 , M3....MN del elemento de fuente de corriente 10.
Si las dos redes trifásicas están equilibradas en fase con sus respectivas tensiones, de manera que solamente se está transfiriendo potencia y las tensiones tienen magnitudes de pico V1 y V2 , entonces forman el equilibrio de potencia:
3 3
P = --Vl -Il =- - V2-I2
2 2
y las corrientes I1, I2 en los circuitos de entrada y de salida tendrán las magnitudes siguientes:
h = ~ .
3 T -K ~\ = 1 2 2 ñ
\v,\
Dado que cada conexión de fase del conjunto matricial 30 contribuye con un tercio del requisito de corriente de la fase a la que está conectada, y señalando que existe una inversión en la polaridad de la corriente para proporcionar un equilibrio de potencia, la matriz de la demanda de corriente es:
( í al Í a l ) Ü a l h l ) i * al * e l )
is = (hl Í a l ) ih i + *¿2 ) (hi + ^ 2 )
O'cl+^ 2) ( i c 1 l ' í h b l 2 ) / O V*c'lcl+ 1^ í c 2 >)_
donde
Figure imgf000006_0001
Análogamente, la tensión a través de los terminales es:
Figure imgf000006_0002
sen(co • t)
en(<D • t - 2n /3 )
donde
Figure imgf000006_0003
Figure imgf000006_0004
en(co -t + 2n 13)
En las figuras 10a y 10b se muestran tensiones y corrientes de CA de un modelo MATLAB basado en la topología de circuito mostrada en la figura 9 y que representa dos sistemas CA trifásicos de 11 kV que se están haciendo funcionar a 20 MW usando cadenas de 16 módulos bipolares en los que un sistema está funcionando a 50 Hz y el otro a 25 Hz , mostrándose el sistema de 50 Hz a la izquierda y mostrándose el sistema de 25 Hz a la derecha. El funcionamiento es de bucle abierto, de manera que no hay ninguna distorsión en las corrientes de CA, incluyendo desplazamiento de CC. Sin embargo, añadir control de retroalimentación y optimizar el funcionamiento del sistema reduciría o eliminaría esto
Las figuras 11 y 12 muestran el funcionamiento de dos de los elementos de fuente de corriente 10, mostrando la figura 11 la tensión de cadena superior y la tensión de elemento para los dos elementos, y mostrando la figura 12 las tensiones de condensador para los dos elementos. Estas figuras muestran, en particular, que no hay deriva en las tensiones de los condensadores y, por lo tanto, destacan que la transferencia de potencia de CA está equilibrada. En otras realizaciones, seis elementos de fuente de corriente 10 están conectados en un conjunto matricial 30 de 3x2 para interconectar una red CA trifásica y una red CC, tal como puede ser necesario en transmisión CC de alta tensión.
La topología de circuito para una realización de este tipo se muestra en la figura 13, en la que la tensión de CC es menor que la tensión CA de pico. En esta realización, cada uno de los elementos de fuente de corriente 10 incluye módulos bipolares de 4 cuadrantes M1, M2 , M3....MN para garantizar el equilibrio de condensadores.
La topología de circuito para un ejemplo que no cae dentro del alcance de las reivindicaciones se muestra en la figura 14, en la que la tensión de Cc es mayor que la tensión de CA de pico. En esta realización, cada uno de los elementos de fuente de corriente 10 incluye módulos unipolares de 2 cuadrantes M1, M2 , M3....MN, dado que el equilibrio de condensadores procede de una inversión de corriente y no de una inversión de tensión.
En la figura 15 se muestra una disposición esquemática de un convertidor, según un ejemplo que no cae dentro del alcance de las reivindicaciones, en el que está formado un "convertidor bifase" (equivalente activo del rectificador bifase) conectando un par de elementos de fuente de corriente 10a, 10b a los terminales antifase de un transformador de toma central 32, estando los extremos libres de los elementos de fuente de corriente compartidos para formar el terminal de tensión de CC y formando la toma central la conexión común de 0 V.
Un convertidor construido de acuerdo con la disposición mostrada en la figura 15, de la que se muestra una topología de circuito detallada en la figura 16, es adecuado para conectar una red de CC a una red de CA monofase simétrica.
Cada uno de los elementos de fuente de corriente 10 incluye módulos bipolares de 4 cuadrantes M1, M2 , M3....MN y, a diferencia de la topología mostrada en la figura 14, la tensión de CC puede ser menor que la tensión CA de pico en la topología mostrada en la figura 16.
Para mostrar el funcionamiento de la topología de circuito mostrada en la figura 16, el solicitante ha simulado una aplicación en la que se puede utilizar un suministro de CA de 25 kV, 4 MW, 50 Hz, tal como el utilizado para tracción, a un nivel de CC para controlar directamente los motores de tracción.
En este ejemplo, la CC se divide y pasa igualmente y en oposición a través de los bobinados del transformador. Para minimizar la aparición de este flujo que provoca la aparición de un flujo de CC en el núcleo del transformador, es necesario que los bobinados estén enrollados con doble cable para que se cancele el flujo de CC en los dos bobinados.
La tensión y la corriente son, por lo tanto:
Figure imgf000007_0001
y para el equilibrio:
N-VM-Il = - - V c -I2 -cos(<l>)
donde el lado derecho de la ecuación representa la potencia de CA, Vm es la tensión de los módulos individuales y N representa el número de módulos que son conmutados por cuarto de ciclo.
El factor N puede variar de acuerdo con las condiciones y, en la simulación se utilizó un valor nominal de 8 para una cadena de 16 módulos.
En la simulación, si los módulos tienen una tensión de 4,5 kV, la corriente de CC será de 400 A a una CC de 10 kV. La impedancia de CA es de 156,6 Q y, por lo tanto, un reactor de línea del 20 % de este valor es 100 mH.
La capacitancia de los módulos se elige para proporcionar una ondulación pico a pico máxima en corriente máxima y, en la simulación, se utilizó un valor de 3 mF.
En la figura 17 se muestran las tensiones y corrientes de elementos de corriente constante superiores resultantes de la simulación, en la que el control funciona con una frecuencia de muestreo de 2 kHz.
A partir de los resultados mostrados en la figura 17 se puede ver que la corriente de convertidor Ic puede seguir la corriente de referencia Iref con razonable precisión.
Las tensiones de condensador se muestran en la figura 18 y son estables, demostrando de ese modo que se mantiene el equilibrio de potencia. En particular, la figura 18 muestra que la corriente de CA de pico es menor que la corriente de CC, de manera que la corriente nunca se invierte.
Extender este modelo para incluir una forma duplicada de lo anterior con la tensión de CA y la corriente de referencia de CA invertidas ambas en polaridad, permite demostrar el funcionamiento completo del convertidor. La figura 19 muestra las corrientes de CA y CC resultantes, separadas para proporcionar las condiciones del terminal. En otro ejemplo más que no cae dentro del alcance de las reivindicaciones, dos de los convertidores mostrados en la figura 16 están conectados espalda contra espalda para interconectar dos redes de CC, y se muestra una disposición esquemática en la figura 20.
Se contempla que un convertidor en la forma mostrada en la figura 20, del que se muestra una topología de circuito detallada en la figura 21, es adecuado para utilizar en transmisión HVDC, en particular cuando es necesario conectar esquemas HVDC existentes diferentes.
En este ejemplo que no cae dentro del alcance de las reivindicaciones, cada uno de los elementos de fuente de corriente 10 incluye módulos bipolares de 4 cuadrantes M1, M2 , M3....MN, que permiten invertir la polaridad de cualquiera de las redes de CC. Por lo tanto, se contempla que la topología de circuito mostrada en la figura 21 se puede aplicar a sistemas HVDC convencionales que utilizan tiristores para invertir la polaridad de la tensión.

Claims (4)

REIVINDICACIONES
1. Un convertidor para interconectar dos redes CA, denominándose respectivamente dichas dos redes CA "circuito de entrada" y "circuito de salida",
- incluyendo dicho convertidor nueve elementos de fuente de corriente conectados en un conjunto matricial de 3x3 y configurados para interconectar directamente dos redes CA trifásicas, o
- incluyendo dicho convertidor seis elementos de fuente de corriente conectados en un conjunto matricial de 3x2 y configurados para interconectar directamente una red de CA trifásica y una red de CA monofásica, estando cada uno de dichos elementos de fuente de corriente (10) configurado para ser conectado entre el circuito de entrada y el circuito de salida para facilitar una transferencia de potencia neta entre los circuitos de entrada y de salida efectuada por medio de una corriente diferencial a través de cada elemento de fuente de corriente, comprendiendo cada elemento de fuente de corriente (1) un primer y un segundo terminales de tensión (V1 , V2) y una cadena de módulos (M1-Mn) y un inductor (L) conectado en serie entre el primer y segundo terminales de tensión, donde cada módulo incluye por lo menos un par de conmutadores de semiconductores (12, 14, 16, 18) conectados en paralelo con un condensador (20), siendo cada módulo un módulo bipolar de 4 cuadrantes, incluyendo además cada elemento de fuente de corriente:
un circuito de control (22) conectado a través del primer y el segundo terminales de tensión y configurado para medir la diferencia de potencial (V12) a través del primer y el segundo terminales de tensión y la corriente a través del inductor (I12), y
un elemento de control (24) asociado operativamente con los conmutadores de semiconductores para controlar el funcionamiento del conmutador de semiconductores en respuesta a los valores de tensión y corriente medidos (V12 , I12) para regular la corriente a través del inductor de acuerdo con una señal de control recibida (Idemanda), de manera que los conmutadores de semiconductores de cada módulo están configurados para ser controlados para conectar y desconectar módulos de la cadena de módulos con el fin de mantener la suma de las tensiones sobre la cadena de módulos y el inductor, igual a la diferencia de potencial a través del primer y el segundo terminales de tensión del elemento de fuente de corriente, variando al mismo tiempo las tensiones sobre los módulos individuales para variar la tensión sobre el inductor y controlar, de ese modo, la velocidad del cambio de corriente en el inductor y, de ese modo, los conmutadores de semiconductores de cada módulo están configurados para ser controlados para garantizar que la carga del condensador (20) del módulo se mantiene dentro de límites predeterminados,
incluyendo además el convertidor un controlador que está configurado para calcular la corriente diferencial a producir por el, o cada elemento de fuente de corriente, y configurado para enviar la señal de control (Idemanda) al elemento de control (24) del, o de cada elemento de fuente de corriente, de manera que el elemento de control puede controlar los conmutadores de semiconductores para que el, o cada elemento de fuente de corriente produzca la corriente diferencial calculada.
2. El convertidor según la reivindicación 1, en el que cada conmutador de semiconductores comprende un transistor bipolar de puerta aislada.
3. El convertidor según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que los conmutadores de semiconductores de cada módulo están conectados con el respectivo condensador en una disposición de puente completo para definir un módulo bipolar de 4 cuadrantes que puede desarrollar tensión positiva o negativa y puede conducir corriente en ambos sentidos.
4. El convertidor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el, o cada elemento de fuente de corriente está configurado para ser conectado entre el circuito de entrada y el circuito de salida, de manera que pueden circular corrientes de entrada y de salida solamente dentro de los circuitos de entrada y de salida respectivamente, y el, o cada elemento de fuente de corriente define un trayecto de circulación para corriente dentro del convertidor que permite un intercambio de potencia entre los circuitos de entrada y de salida.
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