Sistemas de controle para a operação eficiente de conversores modulares multiníveis em acionamentos elétricos

Abstract

O conversor modular multiníveis é uma das topologias mais adequadas para o processamento de energia em níveis elevados de tensão, dada a sua característica de dividir simetricamente os esforços entre os vários submódulos que o compõem. Características adicionais como baixa distorção harmônica e redundância tornam este conversor atrativo em sistemas de acionamento de máquinas de alta potência. Uma dificuldade já conhecida nesta aplicação é o aumento da oscilação de energia dos capacitores de maneira inversamente proporcional à frequência da máquina, tornando necessário o uso técnicas específicas que permitem a operação em baixas frequências. As correntes de circulação do conversor em conjunto com uma tensão de modo comum de média frequência são usualmente empregadas para redistribuir energia entre os capacitores do conversor, atenuando ou anulando a ondulação natural de baixa frequência. Este trabalho propõe uma estratégia de modulação descontínua que maximiza a amplitude da tensão de modo comum gerada, diminuindo os esforços de corrente, as perdas de comutação e a probabilidade de saturação dos sinais de controle devido a eventos dinâmicos rápidos. Resultados experimentais obtidos com um protótipo de baixa tensão e simulações de um sistema de média tensão mostraram reduções de até 27% nas perdas com relação à estratégia convencional. O trabalho também propõe, entre outras melhorias, uma estratégia de controle de corrente com esquema antiwindup e feedforward de perturbações integrada que garante a máxima utilização das tensões disponíveis nos capacitores de braço, melhorando a resposta e a robustez do sistema, principalmente durante transitórios rápidos. Contribuições adicionais incluem um modelo genérico das potências absorvidas pelos braços do MMC, empregado para gerar uma estratégia de controle das energias que utiliza de forma otimizadas os graus de liberdade do conversor; e um modelo para simulação simplificado com apenas um submódulo equivalente por braço e reduzido custo computacional, mas que reproduz os efeitos do tempo morto e da limitação da largura de pulso mínimo gerado pelos submódulos. Os resultados experimentais de um sistema de acionamento de máquina empregando os controladores propostos foram obtidos com um protótipo em escala reduzida de um sistema em back-to-back composto por dois conversores MMC com 30 submódulos cada.

Abstract: The modular multilevel converter is one the most suitable topologies for processing energy at high voltages, given its intrinsic feature of equally sharing stresses among its many submodules. Additional characteristics such as low harmonic distortion and redundancy make this converter attractive for applications in high-power variable speed drives. One difficulty already discussed in the literature concerning this application is the increase of the capacitor energy ripples in an inversely proportional relation to the operating frequency, which can be overcome by using specific techniques that allow operation at low frequencies. Circulating currents are used in combination with a medium-frequency common-mode voltage to exchange power among the capacitors of the converter, attenuating or annulling the natural low-frequency ripple. This work proposes a discontinuous modulation scheme that maximizes the amplitude of the generated common-mode voltage, reducing conduction and switching losses and the probability of saturating the control signals during fast dynamic events. Experimental results obtained with a low voltage prototype and the simulation of a medium voltage system indicate power loss reductions of up to 27% with respect to the traditional strategy. This work, among other improvements, also proposes a current control strategy with an integrated anti-windup and optimized disturbance feedforward scheme that ensures the maximum utilization of capacitor voltages available, further improving the system response and robustness to fast dynamic events. Additional contributions include a generic model for the power absorbed by the converter arms, which has been employed to design an energy control scheme that optimally utilizes the degrees of freedom of the converter; and a simplified simulation model with one equivalent submodule per arm and reduced computational cost, that, however, can reproduce the effects of dead time and minimum pulse width generated by the submodules. The experimental results of a machine drive system employing the proposed controllers were obtained with a down-scaled back-to-back prototype composed of two MMCs with 30 submodules each.