Análisis, diseño y control de convertidores multinivel

Abstract

Esta tesis doctoral se enmarca en el proyecto “Azimut: Energía Eólica Offshore 2020" cuyo objetivo es el desarrollo de nuevas estructuras de conversión que permitan alcanzar una mayor potencia y tensión para aplicaciones de generación eólica en parques offshore. Tradicionalmente, los aerogeneradores se han diseñado para trabajar con redes de 690 V. Este nivel de tensión, sin embargo, resulta cada vez más pequeño a medida que aumenta la potencia de los aerogeneradores. Las aplicaciones offshore, además, emplean casi de forma generalizada estructuras full-converter que requieren convertidores de mucho mayor tamaño que los hasta ahora dominantes sistemas DFIG. Todo ello hace que exista un fuerte interés en aumentar la tensión de trabajo de manera a poder trabajar con una potencia cada vez mayor sin que la corriente aumente de forma inmanejable. Distintos fabricantes trabajan ya en esta línea y actualmente existen en el mercado turbinas comerciales que trabajan a una tensión de 3.3 kV para lo cual emplean convertidores de tres niveles, normalmente de tipo NPC. En un futuro próximo se prevé que la tensión siga aumentando hasta alcanzar tensiones de 6.6 kV. La finalidad de este trabajo de investigación es la concepción de un convertidor capaz de trabajar con una potencia de 10 MW conectado a una red de 6.6 KV. Para ello se parte de la base de que el convertidor empleará una topología de 5 niveles lo que permitirá alcanzar estos valores empleando IGBTs de 4.500 V y 1.200 A. La tesis repasa las topologías existentes en la literatura actual y las analiza desde el punto de vista de las duras condiciones propias de las aplicaciones eólicas full-converter (que deben trabajar en un rango de variación total del índice de modulación y del factor de potencia). Debido a los diversos inconvenientes que presentan, se han propuesto dos nuevas estructuras de convertidores de 5 niveles. La tesis presenta además una novedosa modulación vectorial que permite controlar todas las variables de las nuevas topologías y, al mismo tiempo, asegurar una frecuencia fija de conmutación de los semiconductores. Finalmente, las ventajas de las topologías propuestas, así como de su modulación, son corroboradas experimentalmente.