Study of modulation techniques for multilevel converters in open-end wind systems

Autor: Herbert de Oliveira Ramos
Přispěvatelé: Marcos Antônio Severo Mendes, Frederico Ferreira Viana Matos, Clodualdo Venicio de Sousa, Thiago Ribeiro de Oliveira
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2019
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)
instacron:UFMG
Popis: A difusão de aplicações com elevados níveis de tensão e potência, resposta dinâmica fina e alto grau de qualidade de energia, impulsionam estudos e avanços na área dos conversores multiníveis. Os progressos dessas estruturas complexas estão intimamente relacionados aos avanços e adequações das estratégias de modulação. Devido ao número de chaves semicondutoras a serem comandadas e à quantidade de estados que produzem um mesmo nível de tensão nessas topologias, os moduladores possuem maior flexibilidade de operação, mas também maior complexidade de implementação. Este trabalho apresenta o estudo comparativo do desempenho de algumas técnicas de modulação para uma estrutura de conexão multinível, do ponto de vista de perdas e de qualidade de energia. Utilizando dois conversores independentes, alimenta-se uma carga com terminais abertos, obtendo-se assim um sistema com tensão multinível aplicável à diversas finalidades. Essa estrutura é chamada de sistema conectado com terminais abertos. Para essa topologia, implementa-se uma modulação com vetores espaciais centrados, que através da soma de um sinal adequado de sequência zero às referências de fase, obtêm-se resposta equivalente à uma modulação vetorial otimizada, comparando as ondas modulantes à portadoras triangulares em fase. Além do cálculo dos sinais de referência, aplica-se uma decodificação baseada em máquina de estados para definição da sequência de chaveamentos do conversor. Essa estratégia é capaz de otimizar o conteúdo harmônico de saída, enquanto mantém equilibradas as perdas entre os dispositivos. Originalmente a máquina de estados é alimentada por um sinal digital modulado e precisa ser processada a uma frequência centenas de vezes maior que a frequência de chaveamento do conversor. Para implementação do decodificador em um processador digital de sinais com periférico PWM, uma modificação no algoritmo é proposta, de forma a permitir que os mesmos sinas de comando sejam obtidos com velocidade de processamento equivalente à frequência de amostragem do sistema. Além disso, um algoritmo generalizado expansível para sistemas baseados em conversores com capacitores flutuantes de n-níveis é desenvolvido. Resultados experimentais para um sistema de três níveis, conciliados a simulações de três e mais níveis são apresentados afim de validar a implementação proposta e avaliar o desempenho da técnica de modulação. The spread of applications with high voltage and power levels, fine dynamic response and high power quality stimulate studies and advances in the field of multilevel converters. The progress of these complex structures is closely related to the advances and adaptations of modulation strategies. Due to the number of commanded semiconductor switches and the number of states that produce the same voltage level in these topologies, modulators have greater operating flexibility but also greater implementation difficulty. This paper presents a comparative study of the performance of some modulation techniques for a multilevel connection structure, in terms of loss and power quality. Using two independent inverters, a load with open terminals is fed, thus obtaining a system with multilevel voltage. This structure is called Open-End Windings system. For this topology, a modulation with centered space vectors is implemented, which, by adding an appropriate zero sequence signal to the phase references, gives an equivalent response to an optimized vector modulation, comparing the modulating waves to carries with the same phase. In addition to calculating the reference signals, a decoder based in finity state machine is applied for defining the drive switching sequence. This strategy is able to optimize the harmonic output content while keeping losses between devices balanced. Originally the finite state machine is powered by a modulated digital signal and needs to be processed at a frequency hundreds of times higher than the drive's switching frequency. To implement the decoder in a digital signal processor that has PWM peripheral, a modification of the algorithm is proposed, so that the same command signals are obtained with processing speed equivalent to the system sampling frequency. In addition, a generalized expandable algorithm for n-level flying capacitor converters based systems is developed. Experimental results for a three-level system, combined with simulations of three and more levels are presented in order to validate the proposed implementation and evaluate the performance of the modulation technique.
Databáze: OpenAIRE
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