Controle ressonante macro-micro para conversores de tensão CC-CA multinível

Abstract

Conversores estáticos de potência CC-CA são utilizados para converter energia elétrica sob a forma de corrente contínua em corrente alternada. Também chamados de inversores, estes dispositivos geram sinais alternados discretos, sendo usualmente necessária a conexão de filtros passa-baixa indutivo-capacitivos (LC) aos terminais de saída de forma a suavizar a tensão em CA desejada. A compensação entre filtragem de tensão de saída e limite de frequência de comutação pode levar a filtros LC grandes e volumosos, significando um aumento no tamanho físico do sistema e seu custo de implementação. Este trabalho propõe uma alternativa para atenuar distorções harmônicas em inversores a partir da combinação de diferentes estágios.Um destes estágios, trata-se de um inversor multinível a diodo grampeado operando em altos valores de tensão e corrente e baixa frequência de comutação. Este inversor, chamado atuador macro, está conectado a um inversor trifásico de dois níveis, chamado atuador micro, mais rápido e mais preciso que o inversor multinível devido à sua frequência de comutação elevada e com níveis de tensão e corrente mais limitados. Nesta abordagem macro-micro, as características opostas dos conversores fazem com que o inversor trifásico corrija as distorções do estágio principal, o qual opera em malha aberta com seus sinais de chaveamento gerados por Padrões de Pulso Otimizados. Para a correta atenuação das distorções harmônicas, o trabalho propõe operar o inversor trifásico a partir de sistemas de controle feedforward e múltiplo-ressonante. A estrutura composta por estes controladores foi validada a partir de uma série de simulações, usando modelos numéricos dos circuitos elétricos dos conversores estudados. Os resultados destas simulações demonstram que a estrutura de controle proposta reduz as distorções harmônicas da tensão de carga a níveis satisfatórios.

Power inverters convert direct current electricity into alternate current. Also called dcac converters, these devices generate discrete alternate waveforms. Therefore, they need inductive-capacitive (LC) low-pass filters connected to its output terminals in order to smooth the ac output waveform. The balance between total harmonic distortion (THD) filtering and the limitation of the switching frequency leads to bulky LC filters. Consequently, it increases the physical size of the system and its costs. This work proposes an alternative for THD attenuation in inverters by combining different stages. The main stage, the macro, comprises of a Neutral-Point-Clamped multilevel inverter operating in high voltage and low switching frequency. This converter is connected to a two-level three-phase inverter, called the micro actuator. The micro is faster and more accurate than the macro actuator due to its higher frequency and limited voltages and currents. In this macro-micro approach, the opposite characteristics of the converters lead the micro actuator to correct the distortions of the main stage, which works in open-loop with its switching signals generated by optimized pulse patterns. For correct THD filtering, feedforward and resonant control systems are designed in order to operate the auxiliary three-phase inverter. The control structure was evaluated through a set of simulations, using numerical models of the electric circuits of the studied converters. The simulation results demonstrate that the proposed control structure reduces THD on the load voltage waveforms.