estudo e desenvolvimento de conversores multiníveis modulares

ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE CONVERSORES MULTINÍVEIS
MODULARES(1)
Dimas Alã Schuetz(2), Guilherme Sebastião da Silva(3)
(1)
Trabalho executado com recursos do Edital 271/2014, da Pró-Reitoria de Pesquisa.
Estudante, bolsista, de Engenharia Elétrica na Universidade Federal do Pampa, Campus Alegrete, RS. Email:
[email protected];
(3)
Orientador; Universidade Federal do Pampa, Campus Alegrete;
(2)
RESUMO: Conversores multiníveis tem sido utilizados em aplicações de alta potência e alta tensão, despertando o
interesse no estudo de estratégias de controle, estratégias de modulação e novas aplicações para estes conversores. O
objetivo deste trabalho é apresentar o estudo e a aplicação de duas estratégias de modulação utilizadas no Conversor
Multinível Modular (Modular Multilevel Converter – MMC). Através do software MATLAB/Simulink® foram realizadas as
simulações da estratégia com múltiplas portadoras (triangulares) dispostas em fase (PD) e da estratégia com múltiplas
portadoras deslocadas em fase (PS) para uma comparação dos resultados obtidos. A partir dos resultados de simulação
é possível analisar as vantagens de cada estratégia em relação às taxas de distorção harmônica total (Total Harmonic
Distortion – THD) e ao número de níveis da tensão de saída do MMC. Desta forma, pode-se escolher corretamente a
estratégia de modulação para determinada aplicação bem como o projeto dos filtros passivos (indutor e capacitor) do
MMC.
Palavras-Chave: Conversor Multinível, Estratégias de Modulação, Número de Níveis, Taxa de Distorção Harmônica.
INTRODUÇÃO
Conversores estáticos convencionais normalmente possuem dois ou três níveise operam em baixos
níveis de tensão. De forma análoga aos conversores estáticos convencionais, conversores multiníveis são
dispositivos responsáveis pela conversão de energia elétrica alternada em contínua, ou vice-versa. Os
conversores multiníveis têm aumentado o interesse da indústria em áreas de aplicação em alta potência e
alta tensão, principalmente porque operam com altos níveis de tensão enquanto usam dispositivos
semicondutores com baixo limite de tensão. Além desta característica, também proporcionam uma baixa
THD, quando comparado aos conversores estáticos de dois níveis.
O MMC é uma topologia recente de conversor multinível, que tem se mostrado vantajosa para
aplicações de linhas de transmissão em alta tensão e corrente contínua (Hight Voltage Direct Current HVDC) (NAMI et al., 2015). Dentro desta topologia, alguns aspectos positivos chamam atenção, como a
utilização de uma única fonte CC isolada para cada célula, a fácil implementação para diferentes níveis de
tensão e potência e a possibilidade de operação de forma segura em falhas dos dispositivos. Inicialmente, o
MMC foi aplicado em veículos de tração e na interligação de sistemas elétricos de potência através de
linhas HVDC. Recentemente, expandiu-se a área de aplicação do MMC, sendo utilizado também no
acionamento de máquinas elétricas (ANTONOPOULOS et al., 2014) e como compensador estático de
reativos (HAGIWARA; MAEDA; AKAGI, 2012).
Existem diversas estratégias de modulação desenvolvidas para o MMC, das quais se destaca a
estratégia de modulação por largura de pulso (Pulse-Width Modulation – PWM), que pode ser empregada
em conversores multiníveis operando em alta frequência, reduzindo significativamente o volume dos filtros
da tensão de saída. Dentre as estratégias PWM existem quatro categorias de modulação, que são
classificadas de acordo com a disposição de amplitude e fases das portadoras. Neste trabalho é dada
ênfase à estratégia com múltiplas portadores dispostas em fase (Phase Disposition – PD) e à estratégia
com múltiplas portadoras deslocadas em fase (Phase Shift – PS).
Através dos resultados obtidos será feita uma comparação em termos de THD, número de níveis de
tensão e a avaliação do impacto da escolha da estratégia de modulação na tensão sobre os indutores dos
polos do MMC.
METODOLOGIA
O MMC é composto basicamente por um único barramento CC conectado a N submódulos (SMs) em
cada um dos polos, conforme apresentado na figura 1 (a). Cada SM pode assumir dois níveis de tensão
distintos: a tensão do capacitor ou tensão nula. A comutação das chaves semicondutoras destes SMs é feita
de forma complementar, onde são utilizadas estratégias de modulações diferentes para a obtenção de
ondas de tensão de diversos níveis. O circuito interno de um SM meia-ponte consiste basicamente em dois
interruptores (T1 e T2) conectados a um capacitor interno com tensão Vcp. Quando o interruptor T1 está
conduzindo, a tensão Vcp estará sobre o interruptor T2, fazendo com que a tensão medida no SM do polo
Anais do VII Salão Internacional de Ensino, Pesquisa e Extensão – Universidade Federal do Pampa
Figura 1. Resultados de Simulação de FFT e THD. (a) Topologia do MMC simulado com N=1.
Resultados da estratégias (b) PD N+1, (c) PD 2N+1, (d) PS N+1 e (e) PS 2N+1 níveis.
THD = 51.00 %
vcp
+
C
T1
T2
vp
60
40
20
v
L
0
THD = 26.26 %
100
80
Magnitude
Vcc
2
Magnitude
100
ip
80
60
40
20
0
20
40 Ordem
60
80
0
100
0
20
40 Ordem
(b)
i
in
+
C
T1
T2
vn
60
40
20
0
(a)
80
100
THD = 26.88 %
100
THD = 53.00 %
80
Magnitude
vcn
Magnitude
Vcc
2
100
L
60
(c)
80
60
40
20
0
50
100
Ordem
150
200
0
0
50
(d)
100
Ordem
150
200
(e)
Fonte: Desenvolvido pelo autor.
positivo (Vp), seja a tensão Vcp. De forma contrária, quando o interruptor T2 estiver conduzindo, a tensão Vcp
surgirá sobre T1, fazendo com que a tensão Vp medida seja igual à zero. O comportamento do SM para o
polo negativo é análogo ao polo positivo.
A comutação dos SMs é realizada a partir da modulação PWM, na qual são aplicadas as estratégias
PD e PS. Essas estratégias podem ser implementadas de forma a aumentar o número de níveis da tensão
de fase do MMC. A estratégia PD se destaca pela facilidade de implementação. Nesta estratégia, N
portadoras são inseridas em cada polo, com mesma amplitude, dispostas em fase e deslocadas
verticalmente, a fim de ocuparem espaços adjacentes. No polo positivo do MMC as N portadoras são
inseridas com uma defasagem de 180° em relação ao polo negativo, gerando N+1 níveis de tensão de fase.
Já para a obtenção de 2N+1 níveis de tensão de fase, as portadoras do polo positivo devem ser
implementadas com o mesmo ângulo de defasagem polo negativo, sendo nula a defasagem das portadoras
entre os polos. Já a estratégia PS utiliza N portadoras em cada polo com a mesma amplitude, porém com
um deslocamento de 360/N graus entre si. Para a obtenção de N+1 níveis de tensão de fase, as portadoras
no polo positivo e no polo negativo devem ter ângulos iguais. Porém, para obter 2N+1 níveis de tensão de
fase as portadoras devem ter uma defasagem de 360/2N graus entre os polos negativo e positivo.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A comparação das estratégias de modulação PD e PS, aplicadas ao MMC, tem a finalidade de
apresentar as principais características em relação às taxas de THD em relação ao número de níveis de
cada estratégia. Nas figuras 1 (b) e (c) estão representadas a FFT e a THD da estratégia PD para N+1 e
2N+1 níveis, respectivamente. Nas figuras 1 (d) e (e) verifica-se que a amplitude dos harmônicos diminui
com o aumento do número de níveis.
Conforme resultados apresentados, os harmônicos mais significativos estão localizados em bandas
laterais em torno da frequência da portadora, sendo que não existem harmônicos na frequência de
chaveamento de 1080 Hz (18ª ordem). Além disso, é possível verificar uma variação significativa da THD
conforme o aumento do número de níveis para ambas as estratégias.
CONCLUSÕES
Através do aumento do número de níveis pode se concluir que o resultado da THD diminui
significativamente. Além da THD, o volume do filtro passivo também se reduz conforme o aumento do
número de níveis. Finalmente, em termos de THD, verificou-se que a estratégia de modulação PD se mostra
mais atrativa em relação à estratégia PS.
REFERÊNCIAS
ANTONOPOULOS, A. et al. Modular Multilevel Converter AC Motor Drives With Constant Torque From Zero to Nominal
Speed. IEEE Transactions on Industry Applications, v. 50, n. 3, p. 1982–1993, maio 2014.
HAGIWARA, M.; MAEDA, R.; AKAGI, H. Negative-Sequence Reactive-Power Control by a PWM STATCOM Based on a
Modular Multilevel Cascade Converter (MMCC-SDBC). IEEE Transactions on Industry Applications, v. 48, n. 2, p.
720–729, mar. 2012.
NAMI, A. et al. Modular Multilevel Converters for HVDC Applications: Review on Converter Cells and Functionalities.
IEEE Transactions on Power Electronics, v. 30, n. 1, p. 18–36, jan. 2015.
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