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Deduccion de los Estados de Conmutacion para los Inversores Multinivel VSC-MMC. Descripcion Orientada a la Ensenanza en Ingenieria.

Deduction of Commutation States for VSC-MMC Multilevel Inverters. Description Oriented to Teaching in Engineering

INTRODUCCION

Este articulo aborda la explicacion de los estados de conmutacion y el principio de funcionamiento de los inversores multinivel desde una perspectiva academica. La literatura tecnica reporta gran cantidad de publicaciones que principalmente incluyen propuestas para topologias de inversores multinivel, (Rodriguez et al., 2002; Rodriguez et al., 2007) presentan revisiones bibliograficas que incluyen las topologias y estrategias de control mas comunes para inversores multinivel. A pesar de que los inversores multinivel son ampliamente estudiados por la comunidad cientifica, la revision bibliografica no reporta algun articulo que detalle el principio de funcionamiento o los estados de conmutacion para los inversores multinivel. Por esta razon, estudiantes de ingenieria o ingenieros usualmente tienen dificultades para entender articulos que estan relacionados con estos topicos. Este articulo pretende ser una guia para entender su principio de funcionamiento, brindando herramientas y propiciando el entendimiento de articulos cientificos o academicos de mayor complejidad.

El inversor multinivel se presenta como una alternativa para obtener tensiones en AC a partir de tensiones en DC en aplicaciones de alta tension, los conceptos basicos pueden consultarse en (Rashid, 2004) (Rashid, 2011). En (Rodriguez et al., 2002) se presenta un resumen de las topologias de inversores multinivel que se han venido usando de forma tradicional, dentro de las cuales se encuentran: inversor multinivel de diodo fijador (diode-clamped), inversor multinivel de condensador fijador (capacitor-clamped), inversor multinivel con conexiones de inversores en cascada (cascade multiceli with separates dc sources) e inversores multinivel hibridos (Zhao et al., 2010). Sin embargo, recientemente se ha empezado a usar, debido a su versatilidad, la topologia VSC-MMC como fuente de corriente controlada para algunas aplicaciones que requieren conexion a la red electrica (Voltage Source Converter--Multi-Modular Converter) (Martinez-Rodrigo et al., 2015).

Esta topologia se ha venido adoptando en diversas aplicaciones de ingenieria: transmision en HVDC (Gnanarathna et al., 2011), convertidores Statcom (Du y Liu, 2013; Mohamandi y Tavakoli-Bina, 2011), generacion eolica (Zhang et al, 2016), generacion fotovoltaica (Ge et al., 2017) y motores de induccion (Harz, 2017). Esto debido a que presenta las siguientes ventajas sobre los inversores multinivel tradicionales: 1) Es una topologia modular, por lo que es facilmente escalable. 2) El almacenamiento de energia se realiza en los condensadores de cada modulo o unidad basica. 3) Cuando se implementa el inversor multinivel con un elevado numero de niveles, es posible prescindir de filtros y transformadores. 4) Es posible aumentar la frecuencia de conmutacion debido a que los interruptores no estan sometidos en la etapa de potencia a diferencias de tension muy altas. Por tales ventajas, la topologia VSC-MMC se analizara en este articulo: sin embargo, el procedimiento de analisis presentado puede usarse de forma similar para otras topologias.

Los autores en (Abildgaard y Molinas, 2012) presentan un modelo matematico para el VSC-MMC. Se resalta que para poder modelar se requieren los estados de conmutacion. No obstante, ellos no discriminan los estados de los diodos e interruptores, tampoco explican las condiciones para la operacion de cada uno de los semiconductores. La explicacion propuesta detalla cada uno de los estados de los semiconductores del inversor y presenta las condiciones para su apertura y cierre cuando se inyecta corriente en el lado de alterna a parte de las cargas de la red electrica. Para explicar los estados de conmutacion del inversor VSC-MMC, se propone el uso del control de banda de histeresis de corriente tomando como base la metodologia presentada por (Munoz et al, 2016) para inversores puente H. Se utiliza el control de banda de histeresis debido a que permite obtener el detalle de los estados de conmutacion, utilizando las leyes de Kirchhoff es posible determinar si un semiconductor se activa o no. Ademas, el control de banda de histeresis es un control simple, facil de entender y muy intuitivo. Muchas aplicaciones de ingenieria y en particular algunas aplicaciones en electronica de potencia no utilizan el principio de funcionamiento como base para obtener la estrategia de control; por lo que, no es posible conocer con certeza las ventajas y limitaciones que se tienen. Conocer el detalle de los estados de conmutacion permitira el uso de estrategias de control que parten del modelo del sistema (Mejia et al, 2017). Asi las cosas, este articulo puede servir de base para la deduccion de las ecuaciones de transferencia y control basado en el modelo matematico para inversores multinivel que permiten el control de la corriente o la tension en la salida del inversor.

ESTADOS DE CONMUTACION DEL INVERSOR MULTINIVEL

La Fig. 1 muestra la unidad basica de los inversores multinivel la cual permite la adicion de niveles en la onda de tension en su salida. Esta unidad esta compuesta por los interruptores [Q.sub.1] y [Q.sub.2] (se muestran como IGBTs en la Fig. 1), y por los diodos [D.sub.1] y [D.sub.2] y por un condensador C. Para facilitar el analisis todos los interruptores se consideran ideales; es decir, no se consideran sus perdidas o curvas de encendido y apagado. La unidad basica tiene como funcion aplicar o no, en las terminales a y b, dependiendo de lo que se requiera, la tension del condensador C ([V.sub.DC]/N). [V.sub.DC] es la tension del Bus DC del inversor y N es el numero de niveles por brazo. Los estados de conmutacion de la unidad basica estan definidos por los sentidos de corriente y las polaridades de las tensiones que se establecen en las terminales a y b. Para explicar los estados de conmutacion se utiliza el convertidor multinivel de la Fig. 2 que incluye dos unidades basicas por brazo, en total cuatro unidades por rama.

El inversor multinivel de la Fig. 2 esta compuesto por un Bus DC, un brazo superior y un brazo inferior que se conectan respectivamente a traves de los inductores [L.sub.1] y [L.sub.2] a la fuente de tension alterna [v.sub.red]. Los brazos inferior y superior componen una de las ramas del inversor (rama z con z = a, b, c). El Bus DC esta compuesto por los condensadores ([C.sub.1] y [C.sub.2]) con un punto medio n que se conecta al neutro del sistema trifasico. El brazo superior esta compuesto por dos unidades basicas y un inductor [L.sub.1] que se conectan entre el Nodo z y el terminal positivo del Bus DC (Bus DC+). El brazo inferior tambien tiene dos unidades basicas y un inductor [L.sub.2] que se conectan entre el Nodo z y la terminal negativa del Bus DC (Bus DC-). Las referencias para el sentido de la corriente y la polaridad de las bobinas tambien se ilustran en la Fig. 2, asumiendo que la corriente es positiva cuando la corriente de la red entra al Nodo z. En este articulo no se pretende hacer una contribucion al control del dispositivo si no que corresponde a una explicacion detallada del principio de funcionamiento del inversor multinivel. Por lo tanto, se considera para el analisis que las tensiones del Bus DC y de las unidades basicas estan reguladas a sus valores nominales de operacion ([V.sub.DC] para cada condensador del Bus DC y [V.sub.DC]/2 para cada unidad basica).

La Fig. 3 muestra las formas de onda de tension y corriente en la salida del inversor multinivel. En la parte superior de la figura, la onda de color azul representa la tension alterna [v.sub.red] que se conecta en bornes de la salida del inversor y que es impuesta por la red electrica. Mientras que en la parte inferior de la figura, la onda de color rojo representa la corriente de referencia [i.sub.ref] que debe ser seguida por la estrategia de control y por ende debe ser generada por el inversor. La [i.sub.ref], que entra al nodo Z de la figura 2, circula o por la bobina de la rama superior o por la bobina de la rama inferior dependiendo de la polaridad de la tension de la red: si la polaridad de la red es positiva la corriente circula por la rama superior, mientras que si la polaridad es negativa la corriente circula por la rama inferior.

Se utiliza una corriente [i.sub.ref] atrasada 90[grados] con respecto a la tension [v.sub.red] para poder contemplar todas las posibilidades de los estados de conmutacion, el desfase debe ser impuesto por la estrategia de control. La explicacion de los estados de conmutacion del inversor se realiza mediante el uso del control de banda de histeresis, no implicando que el control de banda de histeresis deba utilizarse necesariamente para el control del dispositivo. Se utiliza este control para la explicacion porque permite establecer con detalle los estados de cada uno de los semiconductores del inversor. Las lineas con guiones grises representan las bandas de histeresis superior (BS) e inferior (BI).

El control de banda de histeresis consiste en que la corriente que inyecta el inversor ([i.sub.inv], corriente de color gris con rizado en la figura 3) debe seguir la corriente [i.sub.ref] de tal manera que no se salga de las bandas BS y BI, los estados de conmutacion y la secuencia de disparo para que [i.sub.inv] siga a [i.sub.ref] se explica en detalle en este articulo. El eje de las ordenadas se divide en cuatro partes de acuerdo a los cinco niveles que se pueden establecer en el inversor multinivel de la Fig. 2. Los niveles de tension se dividen como sigue: dos niveles de tension positivos (niveles 1+ y 2+ con [V.sub.1+] = [V.sub.DC]/2 y [V.sub.2+] = [V.sub.DC] respectivamente), dos niveles de tension negativos (niveles 1- y 2- con [V.sub.1-] = -[V.sub.DC]/2 y [V.sub.2-] = -[V.sub.DC] respectivamente) y un nivel de cero voltios (nivel 0 con [V.sub.0]). El eje de las abscisas es el eje del tiempo y se divide en 8 zonas de acuerdo a la polaridad de la tension [v.sub.red], el sentido de la corriente [i.sub.ref] y la ubicacion de [v.sub.red] entre los niveles de tension que puede aplicar el inversor. Las zonas se establecen teniendo en cuenta los niveles de tension para que la diferencia de tension en la bobina de salida del inversor no sea superior a la tension entre niveles. Esto se establece como requerimiento en inversores multinivel que usualmente manejan altas tensiones. Las zonas se definen de acuerdo a las condiciones que se presentan en la Tabla 1.

En la parte superior de la Fig. 3 se grafican la tension de la red y la tension del inversor; mientras que en la parte inferior se grafican la corriente de referencia, las bandas de histeresis y la corriente del inversor. En cada zona se muestran dos recorridos para la corriente cuyos recorridos se marcaron en sus extremos con puntos rojos y letras. Cada recorrido representa la dinamica de la corriente del inversor de tal modo que es posible establecer la secuencia de conmutacion de los semiconductores. Las lineas horizontales negras en la parte superior de la Fig. 3 son las tensiones que el inversor impone mediante la conmutacion (modulacion) y tambien se marcan con puntos rojos y letras para poder relacionar cada tramo de la tension del inversor con su respectivo tramo de corriente.

Para entender el principio de funcionamiento y detallar los estados de conmutacion del inversor se debe tener en cuenta lo siguiente: 1) Cuando en bobinas y condensadores la corriente entra por el mas (+) el elemento almacena energia, mientras que cuando la corriente entra por el menos (-) el elemento entrega energia. 2) Cuando la corriente aumenta de magnitud independiente de su sentido, la bobina esta almacenando energia. Se mencionan dos ejemplos: 2a) En la zona 1, cuando la corriente pasa del punto B al punto C, la corriente se vuelve mas negativa pero la bobina esta almacenando energia. 2b) En la zona 3, cuando la corriente pasa del punto H al punto I, la corriente se vuelve mas positiva y tambien la bobina almacena energia. La bobina cede energia en el caso contrario cuando la corriente disminuye su magnitud, por ejemplo en la zona 1 cuando pasa del punto A al punto B y en la zona 3 cuando pasa del punto G al punto H.

Los estados de conmutacion que permiten realizar todos los recorridos de corriente de la Fig. 3 pueden verse en la Fig. 4 para el semiciclo positivo de [v.sub.red] y en la Fig. 5 para el semiciclo negativo de [v.sub.red]. Se explicara a continuacion los detalles para obtener los estados de conmutacion de la zona 1; de forma similar usando las Fig. 4 y 5 pueden obtenerse el resto.

En la zona 1, la tension [v.sub.red] es mayor que cero y se encuentra entre los niveles 0 y 1+. Por lo que el inversor en sus bornes de salida debe conmutar entre el nivel 0 (0 V) y el nivel 1+ ([V.sub.DC]/2). Tambien se tiene que la corriente del inversor es menor que cero, debido a que circula de arriba hacia abajo. Para el recorrido desde A hacia B, la corriente del inversor esta aumentando de valor volviendose mas positiva, lo que indica que su magnitud esta disminuyendo y la bobina esta cediendo energia. Esto quiere decir que la polaridad de la tension en la bobina [L.sub.1] debe imponerse con el menos arriba y el mas abajo. Asi se garantiza que la corriente del inversor circula desde el menos hacia al mas de la bobina de tal forma que cede energia y se descarga.

Para aplicar una tension que es mas negativa en el terminal de arriba de la bobina con respecto al terminal de abajo, la tension que impone el inversor debe ser menor que la tension [v.sub.red]; para que se cumpla esta condicion y para que la diferencia de tension en la bobina no sea superior a [V.sub.DC]/2, el inversor debe aplicar una tension de 0 V; es decir, el nivel 0. El nivel 0 puede darse si no se actua sobre ningun interruptor de tal forma que los diodos superiores de las unidades basicas se polarizan directamente. Esto garantiza que la tension en la terminal de arriba en la bobina es cero ([V.sub.BUS_DC+] - [V.sub.BUS_SUP] - [V.sub.BUS_INF] = 0). La polarizacion de los diodos superiores tambien garantiza que el sentido de la corriente del inversor es negativa.

Para el recorrido desde B hacia C, la corriente del inversor esta disminuyendo de valor volviendose mas negativa, lo que indica que su magnitud esta aumentando y la bobina esta absorbiendo energia. Esto quiere decir que la polaridad de la tension en la bobina [L.sub.1] debe imponerse con el mas arriba y el menos abajo. Asi se garantiza que la corriente del inversor circula desde el mas hacia al menos de la bobina de tal forma que absorbe energia y se carga.

Para aplicar una tension que es mas positiva en el terminal de arriba de la bobina con respecto al terminal de abajo, la tension que impone el inversor debe ser mayor que la tension [v.sub.red]; para que se cumpla esta condicion y para que la diferencia de tension en la bobina no sea superior a [V.sub.DC]/2, el inversor debe aplicar una tension de [V.sub.DC]/2, es decir el nivel 1+. El nivel 1+ puede darse si se actua sobre uno de los dos interruptores inferiores de las unidades basicas. En este articulo se eligio el interruptor inferior de la unidad basica inferior. Cuando este interruptor se cierra evita que la tension del modulo se reste a la tension del

BUS DC, la tension en el terminal superior de la bobina es ([V.sub.BUS_DC+] - [V.sub.BUS_SUP] = [V.sub.DC]/2). En este caso, el diodo superior de la unidad basica superior se polariza directamente y el interruptor inferior la unidad basica inferior se cierra, garantizando que la corriente del inversor circula desde arriba hacia abajo. La Tabla 2 muestra el resumen de la secuencia de activacion para interruptores en cada zona, La letra A indica interruptor abierto y la letra C indica interruptor cerrado. La logica de disparo se diseno para reducir el numero de conmutaciones de los interruptores, observe que solo se activa un interruptor a la vez para cambiar de estado de conmutacion. Las ecuaciones que permiten el modelamiento del inversor pueden obtenerse facilmente si se aplican las leyes de Kirchhoff para los estados planteados en las Fig. 5 y 6, tambien pueden verificarse usando la Tabla 2.

En terminos generales se puede afirmar que:

1) Cuando no se ejecuta ninguna accion de control, los diodos se polarizan directamente de tal forma que la tension de la unidad basica se resta a la tension del Bus DC. Esto permite bajar en un nivel la tension aplicada en la salida del inversor.

2) Cuando se cierra el interruptor de la unidad basica, el interruptor evita que la tension de la unidad basica se reste a la tension del Bus DC (funciona como bypass de la tension de la unidad basica). En este caso la unidad basica no permite el paso hacia el nivel inferior de la tension del brazo.

3) De acuerdo al sentido de la corriente del inversor es la polarizacion de los diodos en las unidades basicas: 3a) Para las zonas 1 y 2 donde las corrientes circulan de arriba hacia abajo (corriente negativa), los diodos superiores de las unidades basicas se polarizan cuando no se ejecuta accion alguna sobre los interruptores. 3b) Similarmente, para las zonas 3 y 4 donde las corrientes circulan de abajo hacia arriba, los diodos inferiores se polarizan directamente. 3c) Un analisis similar puede hacerse para el semiciclo negativo donde los diodos inferiores de las unidades basicas se activan para corrientes negativas, mientras que los diodos superiores se activan cuando la corriente es positiva.

4) El intercambio de energia de las bobinas se realiza cada vez que cambian los estados de conmutacion, permitiendo el control de la corriente del inversor.

5) El intercambio de energia con el Bus DC se realiza cada cuarto de ciclo cuando la corriente del inversor cambia de sentido.

6) Se requiere dos bobinas para poder realizar el control de corriente, [L.sub.1] para el brazo superior o semiciclo positivo de [v.sub.red]; mientras que [L.sub.2] para el brazo inferior o semiciclo negativo de [v.sub.red]. Una sola bobina para ambos brazos ocasionaria conflictos de control ya que [L.sub.1] y [L.sub.2] dependiendo de la secuencia de conmutacion deben alternar su polaridad para poder intercambiar correctamente energia con la red electrica y los condensadores del bus DC.

PROPUESTA PARA LA ENSENANZA EN INGENIERIA

La clase de inversores multinivel VSC-MMC debe ser parte del curso de electronica de potencia para ingenieros electricistas, electronicos o afines. Los alumnos de electronica de potencia deben tener conocimientos previos de circuitos electricos y de electronica basica, de tal manera que puedan utilizar las leyes de los circuitos electricos y establecer los criterios para la conduccion y bloqueo de los semiconductores. A continuacion se presenta a una propuesta que consiste en un procedimiento detallado para la ensenanza del inversor VSC-MMC en ingenieria.

Todo el conocimiento requerido para cada paso del procedimiento esta soportado en este articulo; no obstante, en el caso que se requiera conocimiento adicional se indica la referencia bibliografica donde se puede consultar. Los objetivos de la clase son: 1) ensenar el principio de funcionamiento, 2) establecer los estados de conmutacion para el inversor y 3) establecer la secuencia de activacion de los interruptores. A continuacion se indican los pasos a seguir.

1. Realizar repaso de circuitos electricos y electronica basica. Este paso es opcional, el profesor puede indicar a los alumnos que realicen el repaso en su tiempo de estudio individual.

2. Ensenar el principio de funcionamiento de inversores puente H que puede consultarse en (Munoz et al, 2016) para que los alumnos empiecen a familiarizarse con la tematica de inversores.

3. Establecer un paralelo entre inversores puente H e inversores multinivel de tal manera que se establezcan ventajas y desventajas (Rashid, 2004).

4. Mostrar el uso potencial de inversores multinivel en algunas aplicaciones de ingenieria (Gnanarathna et al., 2011; Du y Liu, 2013; Mohamandi y Tavakoli-Bina, 2011; Zhang et al, 2016).

5. Mostrar las topologias de inversores multinivel mas comunes, consultar (Rodriguez et al., 2002).

6. Realizar un comparativo entre las topologias de inversor multinivel mas comunes, mostrar las ventajas de la topologia VSC-MMC sobre las demas (Martinez-Rodrigo et al., 2015). A partir de este paso, la clase debe enfocarse en inversores VSC-MMC.

7. Dibujar o proyectar en la pizarra la unidad basica del inversor multinivel VSC-MMC y definir cada uno de sus componentes, ver Fig. 1.

8. Dibujar o proyectar en la pizarra la topologia basica para 5 niveles por fase. No es conveniente emplear mas de 5 niveles porque la explicacion podria ser muy compleja. Sin embargo, se debe explicar como se pueden generar los niveles a partir de la adicion de mas unidades basicas, ver Fig. 2. En este paso tambien se deben definir brazos, ramas y fases del sistema.

9. Dibujar o proyectar en la pizarra las formas de onda de: tension de la red, corriente de referencia, bandas de histeresis, corriente del inversor y tension del inversor en el nodo Z (ver Fig. 3). Definir correctamente cada forma de onda.

10. Definir las zonas que permiten establecer los diferentes estados de conmutacion del inversor. Para esto se debe utilizar la Tabla 1 donde se comparan el voltaje de red y la corriente de referencia. Para poder obtener todas las combinaciones posibles para los estados, se debe definir una corriente de referencia desfasada 90 con respecto al voltaje de la red.

10. Explicar el comportamiento energetico de bobinas y condensadores, definir voltajes y corrientes de referencia.

11. Explicar el control de banda de histeresis que permitira definir los estados de conmutacion (ver Fig. 4 y 5). Indicar que la banda de histeresis se utiliza para la explicacion mas no para el control.

12. Tras definir los estados de conmutacion, explicar el intercambio energetico entre bobinas, condensadores y la red electrica usando las leyes circuitales de Kirchhoff.

13. A partir de los estados de conmutacion, definir la secuencia de activacion de los interruptores. La secuencia de activacion debe plantearse de tal manera que se haga el minimo numero de conmutaciones posible (ver Tabla 2).

RESULTADOS DE SIMULACION

La simulacion de la dinamica del inversor para validar la explicacion del articulo se realizo en Matlab-Simulink (Fig. 6), implementando el esquema el inversor multinivel de la Fig. 2. La tension del Bus DC se fijo en 340 V, cada condensador del bus DC ([C.sub.1] y [C.sub.2]) es de 4700 [micron]F. Cada unidad basica tiene una tension fija de 85 V cuyos condensadores son 2300 [micron]F. Las inductancias de salida ([L.sub.1] y [L.sub.2]) son 10 mH. Los interruptores de las unidades basicas corresponden al bloque "IGBT/Diode" de Matlab-Simulink que permite la implementacion de interruptores ideales. La fuente de alterna en la salida del inversor es de 120 Vrms. Las resistencias de los condensadores y bobinas se fijaron en 0.001 [ohm] para evitar singularidades matematicas en la solucion numerica de la simulacion.

Los parametros y valores nominales de la simulacion fueron elegidos de acuerdo a la experiencia de los investigadores. Se utilizo un bloque S-Function como interfaz de programacion y control. El control de corriente de banda de histeresis se fijo con 2 Arms a una frecuencia de 60 Hz atrasada 90[grados] con la tension AC, tal y como se mostro en la Fig. 3. Las bandas de histeresis se calcularon como un porcentaje de la corriente de referencia (3%). El bloque S-Function tiene como entradas la medida de las corrientes en los brazos superior e inferior y la medida de la tension de la red; mientras que las salidas son las senales de disparo de cada uno de los interruptores del inversor multinivel. Se programo la S-Function usando los estados de conmutacion definidos en las Fig. 4 y 5. Los resultados de las formas de onda de corriente y tension del inversor multinivel se muestran en la Fig. 7.

La Fig. 7 muestra en su parte superior la tension de la red, en el medio la corriente del inversor del brazo superior ([i.sub.inv_sup]) y en la parte inferior la corriente del brazo inferior ([i.sub.inv_inf]). La suma de las corrientes [i.sub.inv_sup] y [i.sub.inv_inf] corresponden a la corriente de salida del inversor que es senoidal y que esta atrasada 90[grados] con respecto a la tension de la red. Se remarcan, en las formas de onda de las corrientes [i.sub.inv_sup] y [i.sub.inv_inf], las zonas que delimitan los estados de conmutacion tal y como se delimitaron en la Fig. 3. Se puede observar de [i.sub.inv_sup] y [i.sub.inv_inf] que siguen la corriente de referencia senoidal y que los estados de conmutacion descritos en este articulo son coherentes. Solo hay que hacer la salvedad que el brazo superior permite el control de las zonas 1, 2, 3 y 4; mientras que el brazo inferior permite el control de las zonas 5, 6, 7 y 8. Esto implica que hay que fijar una corriente de 0 A cuando el brazo no se encuentra operativo.

Tambien hay que resaltar que se presentan unos picos de corriente cuando se cambia de zona de operacion (ver circulo en la Fig. 6). Esto se da debido a que entre zona y zona cambian los semiconductores que se deben cerrar dadas las condiciones para la apertura y cierre. El control de banda de histeresis no actua rapido y permite tales picos, un reto para el ingeniero de diseno esta orientado a la disminucion de estos picos evitando que se salgan de la banda de histeresis o de los objetivos de control. Los picos en este articulo no fueron totalmente corregidos debido a que se trata de un documento orientado a la ensenanza en ingenieria; corregir los picos involucraria un analisis diferente y un objetivo diferente para el articulo. Se puede concluir de los resultados que el principio de funcionamiento descrito y los estados de conmutacion basado en las condiciones planteadas corresponde al cuerpo de trabajo presentado.

CONCLUSIONES

El articulo presenta el principio de funcionamiento de inversores multinivel, detallando cada uno de los estados para interruptores y diodos; tambien se presentan las condiciones que permiten la apertura y el cierre de cada uno de los semiconductores. La explicacion de los estados de conmutacion se valido mediante resultados de simulacion. En cuanto al principio de funcionamiento se puede concluir lo siguiente:

La unidad basica permite disminuir un nivel de la tension de salida del inversor, para esto no se debe ejecutar accion alguna de control sobre los interruptores del modulo dejando que los diodos conduzcan; por el contrario, si se decide activar el interruptor de la unidad basica, la unidad basica funciona como bypass impidiendo que la tension del modulo se reste a la tension del Bus DC y evitando que se pase al nivel inferior de tension.

La activacion de los interruptores y diodos de la unidad basica depende de la tension de la red, de la corriente del inversor y de la magnitud de la tension de la red con respecto a los niveles del inversor. Todo esto determina los estados de conmutacion del inversor, para lograr un control efectivo se requiere conocer en cada instante el estado de las variables (tension y corriente) del inversor.

El intercambio de energia de las bobinas se realiza cada vez que cambian los estados de conmutacion, mientras que el intercambio de energia con el Bus DC se realiza cada cuarto de ciclo cuando la corriente del inversor cambia de sentido.

Se requieren dos bobinas para poder realizar el control de corriente implicando dos corrientes de referencia. No es posible el uso de una sola bobina ya que se presentan conflictos en el control debido a que la bobina estaria polarizada simultaneamente con tension positiva y negativa en algunos casos.

http://dx.doi.org/ 10.4067/S0718-50062018000100012

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a la Universidad de Antioquia (UdeA) por el apoyo del programa de sostenibilidad y al proyecto CODI 2015-7747.

REFERENCIAS

Abildgaard E.N. y M. Molinas; Modelling and Control of the Modular Multilevel Converter (MMC). Elsevier Journal on Energy Procedia, 40(1), 227-236 (2012)

Du. S. y J. Liu; A study on dc voltage control for chopper-cell-based modular multilevel converters in D-STATCOM application. IEEE Transaction on Power Delivery, 28(4), 2030-2038 (2013)

Ge, B., Y. Liu, H. Abu-Rub y F.Z. Peng; State-of-Charge Balancing Control for Battery Energy Stored Quasi-Z Source Cascaded Multilevel Inverter Based Photovoltaic Power System. IEEE Transactions on Industrial Electronics, pp. (99), on-press (2017)

Gnanarathna, U.N., A.M. Gole y R.P. Jayasinghe; Efficient Modeling of Modular Multilevel HVDC Converters (MMC) on Electromagnetic Transient Simulation Programs. IEEE Transaction on Power Delivery, 26(1), 316-324 (2011)

Harz, H.; Efficient induction motor drive with multilevel inverter and variable rotor flux. Industrial Electronics (ISIE), 2017 IEEE 26th International Symposium on, Junio 2017, Edinburgh, UK (2017)

Martinez-Rodrigo. F., S. de Pablo y L.C. Herrero-de Lucas; Current control of a modular multilevel converter for HVDC applications. Elsevier International Journal on Renewable Energy, 83(1), 318-331 (2015)

Mejia-Ruiz G. E., N. Munoz-Galeano y J.M. Lopez-Lezama; Modeling and development of a bridgeless PFC Boost rectifier. Revista Facultad de Ingenieria, Universidad de Antioquia, 82(1), 9-21 (2017)

Mohammadi, H. y M. Tavakoli-Bina; A transformerless medium-voltage STATCOM topology based on extended modular multilevel converters. IEEE Transactions on Power Electronics, 26(5), 1534-1545 (2011)

Munoz-Galeano, N., J.B. Cano-Quintero y J.M. Lopez-Lezama; Ensenando el Funcionamiento de los Inversores Puente H: Analisis del Intercambio de Potencia entre Bobinas y Condensadores. Revista Formacion Universitaria, 9(1), 117-124 (2016)

Rashid, M.H., Electronica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones, 3a Ed., 1-904. Pearson Educacion, Mexico, Naucalpan de Juarez (2004)

Rashid, M.H., Power Electronics Handbook, 3a Ed., 1-1362. Elsevier, Burlington, USA (2011)

Rodriguez, J., J. S. Lai y F.Z. Peng; Multilevel Inverters: A Survey of Topologies, Controls, and Applications. IEEE Transaction on Industrial Electronics, 49(4), 724-738 (2002)

Rodriguez, J., S. Bernet, B. Wun, J.O. Pont y S. Kouro; Multilevel Voltage-Source-Converter Topologies for Industrial Medium-Voltage Drives. IEEE Transaction on Industrial Electronics, 54(6), 2930-2945 (2007)

Zhang, H., F. Gruson y D. Florez; Christophe Saudemont. Design and Control of a DC Series Offshore Wind Farm Based on HVDC-MMC. Symposium de Genie Electrique, Jun 2016, Grenoble, France (2016)

Zhao, J., X. He, Y. Han, Y. Deng y R. Zhao; Analysis and testing on the switching states transitions of hybrid clamped multilevel inverters. 5t IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives (PEMD 2010), Abril 2010, Brighton, UK (2010)

Nicolas Munoz-Galeano, Jesus M. Lopez-Lezama y Fernando Villada-Duque

Fac. de Ingenieria, Depto Ing. Electrica, Grupo de Manejo Eficiente de la Energia--GIMEL, Universidad de Antioquia, Calle 67 No. 53-108, Oficina 19-437, Medellin, Colombia

(e-mail: nicolas.munoz@udea.edu.co, jmaria.lopez @udea.edu.co, fernando.villada@udea.edu.co)

Recibido Jun. 2, 2017; Aceptado Ago. 8, 2017; Version final Sep. 23, 2017, Publicado Feb. 2018

Leyenda: Fig. 1: Unidad basica para el convertidor multinivel VSC-MMC.

Leyenda: Fig. 2: Representacion por fase del convertidor multinivel VSC-MMC de 5 niveles.

Leyenda: Fig. 3: Formas de onda que permiten la explicacion de los estados de conmutacion.

Leyenda: Fig. 4: Estados de conmutacion para el semiciclo positivo (rama superior).

Leyenda: Fig. 5: Estados de conmutacion para el semiciclo negativo (rama inferior).

Leyenda: Fig. 6: Simulacion implementada en Matlab-Simulink.

Leyenda: Fig. 7: Resultados de simulacion: formas de onda de voltaje y corrientes generadas.
Tabla 1: Zonas que establecen los diferentes estados
de conmutacion del inversor multinivel de la Fig. 2.

Zona 1                                             Zona 2

[v.sub.red]>0                                   [v.sub.red]>0
[i.sub.ref]<0                                   [i.sub.ref]<0
[V.sub.0]<[V.sub.red]<[V.sub.1+]      [V.sub.1+]<[V.sub.red]<[V.sub.2+]

Zona 3                                             Zona 4

[v.sub.red]>0                                   [v.sub.red]>0
[i.sub.ref]>0                                   [i.sub.ref]>0
[V.sub.1+]<[V.sub.red]<[V.sub.2+]     [V.sub.0]<[V.sub.red]<[V.sub.1+]

Zona 5                                             Zona 6

[v.sub.red]<0                                   [v.sub.red]<0
[i.sub.ref]>0                                   [i.sub.ref]>0
[V.sub.1-]<[V.sub.red]<[V.sub.0]     [V.sub.2-]<[V.sub.red]< [V.sub.1-]

Zona 7                                             Zona 8

[v.sub.red]<0                                   [v.sub.red]<0
[i.sub.ref]<0                                   [i.sub.ref]<0
[V.sub.2-]<[V.sub.red]<[V.sub.1-]     [V.sub.1-]<[V.sub.red]<[V.sub.0]

Tabla 2: Secuencia de activacion para los interruptores

            Zona 1    Zona 2    Zona 3    Zona 4    Zona 5

            AB   BC   DE   EF   GH   HI   JK   KL   MN   NO

[Q.sub.1]   A    C    C    C    A    A    A    A    A    A
[Q.sub.2]   A    A    A    A    A    A    C    A    A    A
[Q.sub.3]   A    A    C    A    A    A    A    A    A    A
[Q.sub.4]   A    A    A    A    A    C    C    C    A    A
[Q.sub.5]   A    A    A    A    A    A    A    A    A    C
[Q.sub.6]   A    A    A    A    A    A    A    A    A    A
[Q.sub.7]   A    A    A    A    A    A    A    A    A    A
[Q.sub.8]   A    A    A    A    A    A    A    A    A    A

             Zona 6    Zona 7    Zona 8

             PQ   QR   ST   TU   VW   WX

[Q.sub.1]    A    A    A    A    A    A
[Q.sub.2]    A    A    A    A    A    A
[Q.sub.3]    A    A    A    A    A    A
[Q.sub.4]    A    A    A    A    A    A
[Q.sub.5]    C    C    A    A    A    A
[Q.sub.6]    A    A    A    A    C    A
[Q.sub.7]    C    A    A    A    A    A
[Q.sub.8]    A    A    A    C    C    C
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Author:Munoz-Galeano, Nicolas; Lopez-Lezama, Jesus M.; Villada-Duque, Fernando
Publication:Formacion Universitaria
Date:Feb 1, 2018
Words:6148
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