Sistemas Híbridos para la Simulación de Técnicas de Control y Modulación para un Inversor Trifásico de Tres Niveles con Topología ANPC

Abstract

La energía eléctrica en nuestros hogares es algo a lo que se está acostumbrados y se da por sentado, cada vez se exige una mayor calidad en la red, y, por otro lado, la preocupación por el uso de energías limpias ha ido calando en la consciencia colectiva, siendo cada vez mas demandadas para proteger el medioambiente. Es en este contexto donde la electrónica de potencia juega cada vez más su importante papel, los convertidores de potencia son fundamentales en la transferencia de energía eléctrica en sectores claves como el fotovoltaico, donde la inyección energética a red va ligada obligatoriamnete al uso de inversores, que tienen que cumplir con unos estándares de calidad y a la vez minimizar las pérdidas energéticas derivadas de la conversión. También se encuentran otras aplicaciones industriales, como el control de motores trifásicos a través de variadores de frecuencia o fuentes de alimentación ininterrumpidas (UPS) entre otras. En el presente trabajo, se muestran diversas técnicas de control aplicadas a un inversor trifásico de tres niveles de tipología ANPC (Active Neutral-Point-Clamped), y se comparan los resultados que proporciona cada una de ellas a nivel de distorsión armónica y frecuencia de conmutación, que va ligada directamente con las pérdidas, que son los aspectos claves para tener en cuenta en los inversores. Se estudiarán en primer lugar técnicas clásicas de modulación, como PS-PWM (phase-shifted PWM) y SVM (space vector modulation), luego se aplicará una técnica de mitigación de ciertos armónicos (SHM), que cada vez se está haciendo más importante en aplicaciones de media y alta potencia para cumplir con las normativas de calidad de red. Finalmente se aplicarán dos técnicas de control predictivo, una con frecuencia de conmutación fija (PS-MPC) y otra variable (FCS-MPC), por la cada vez mayor importancia de estas en el control de convertidores de potencia. Es también la intención de este trabajo, hacer lo más didáctico posible el estudio de los inversores y técnicas de control, a la vez que usar todo el potencial que ofrece la herramienta Simulink de Matlab para llevar a cabo las simulaciones, usando todas las ventajas de programar en lenguaje C los algoritmos de control.

Electric energy in our homes is something that we take for granted, we demand more and more quality on the grid, and, on the other hand, the concern about the use of clean energy has been pervading the collective consciousness, being increasingly demanded to protect the environment. It is in this context where power electronics play its important role, power converters are essential in the transfer of electrical energy in key sectors such as photovoltaic, where energy injection to the grid is mandatory linked to the use of inverters, that they have to comply with quality standards and at the same time minimize the energy losses derived from the conversion. We also find other industrial applications, such as the control of three-phase motors through variable speed drives or uninterruptible power supplies (UPS), among others. In the present work, the aim is to compare several control techniques applied to Active Neutral-PointClamped (ANPC) converter to compare the results provided by each one at the level of harmonic distortion and switching frequency, which is directly linked to losses, which are the key aspects to consider in power converters. Classical modulation techniques such as phase-shifted PWM (PS-PWM) and space vector modulation (SVM) will be studied first, then a selective harmonic mitigation (SHM) technique will be applied, which is becoming increasingly important in medium and high-power applications to meet network quality regulations. Finally, two predictive control techniques will be applied, one with a fixed switching frequency (PS-MPC) and another variable (FCS-MPC), due to the increasing importance of these in the control of power converters. It is also the intention of this work, to make the study of inverters and control techniques as didactic as possible, while using the full potential offered by Matlab’s Simulink tool to carry out simulations, using all the advantages of program the control algorithms in C language.