A Novel Cascaded Multilevel Converter Topology Based On Three-phase Cells

Nome: Renner Sartório Camargo
Tipo: Tese de doutorado
Data de publicação: 24/08/2021
Orientador:

Nomeordem decrescente Papel
Domingos Sávio Lyrio Simonetti Co-orientador
Lucas Frizera Encarnação Orientador

Banca:

Nomeordem decrescente Papel
Domingos Sávio Lyrio Simonetti Coorientador
Emilio José Bueno Peña Coorientador
Lucas Frizera Encarnação Orientador
Luis Guilherme Barbosa Rolim Examinador Externo
Mauricio Aredes Examinador Externo
Walbermark Marques dos Santos Examinador Externo
Weder Tótola Nunes Examinador Externo

Resumo: Devido às características estruturais das redes elétricas modernas, compostas principalmente por uma matriz energética muito diversa e esparsa, e por cargas elétricas que demandam elevados níveis de potência, torna-se cada vez mais importante a preocupação em manter a energia elétrica dentro dos padrões de qualidade definidos pelas normas. Com base nesses requisitos, a utilização de equipamentos baseados em eletrônica de potência, para garantir o perfeito funcionamento das redes elétricas atuais, tem crescido fortemente, incentivando o estudo e o desenvolvimento de equipamentos baseados nessas tecnologias. Aliado a essas características, o aumento do número de equipamentos de alta potência nos parques industriais tem resultado em grandes demandas de energia elétrica, sendo por vezes necessário elevar os níveis de tensão em determinadas instalações, uma vez que o incremento da corrente elétrica afetaria diretamente o custo de instalação devido ao aumento da bitola dos condutores necessários. Porém, esta solução tem como barreira tecnológica o limite físico das chaves semicondutoras normalmente utilizadas para acionar essas cargas conectadas diretamente em redes elétricas com níveis de tensão mais elevados. Para solucionar essas dificuldades tecnológicas, em alguns casos, são escolhidos conversores com múltiplos níveis de tensão, conhecidos na literatura como conversores multinível, e esses dispositivos são importantes para reduzir as correntes elétricas e melhorar o nível de distorção harmônica das ondas de corrente e tensão. Desta forma, o conjunto de soluções disponíveis se expande consideravelmente, uma vez que existem vários tipos de conversores multinível com diferentes topologias, cada um sendo mais adequado a uma aplicação específica. Dentre os conversores multinível, um que se destaca é o baseado em células H bridge e conhecido na literatura como CHB (Cascaded H bridge Converter), com diversas vantagens
estruturais, como modularidade e crescimento moderado de seus componentes à medida que aumenta o número de níveis de tensão, apresentando um custo de construção mais modesto e atraente. Pelas suas características, e por estar muito presente na literatura, o CHB é considerado uma excelente opção para diversos tipos de equipamentos em eletrônica de potência. No entanto, a comutação natural do conversor CHB multinível em determinadas configurações, como uma conexão back-to-back (CHB-B2B), apresenta vários estados de curto-circuito, tornando seu desempenho inviável ou limitante, podendo exigir estágios adicionais de isolamento, aumentando seu custo de implantação e reduzindo sua competitividade. Nessas circunstâncias, este trabalho se propõe a apresentar uma nova topologia de conversor multinível baseada em células H bridge, sem estágios de isolamento, com características
trifásicas e superioridade em algumas métricas quando comparado a um CHB de mesmas especificações, possuindo também um menor número de componentes, menor custo de construção e desempenho semelhante.
Esta proposta difere principalmente do CHB clássico por apresentar uma estrutura construtiva trifásica, com compartilhamento do elo de tensão contínua do capacitor (elo CC) entre as fases, ao invés de um elo CC por módulo por fase, presente no CHB, o que lhe confere características
monofásicas. Esta nova topologia proposta, denominada SDC-CHB (Cascaded H Bridge Converter with Single DC-link) também apresenta vários estados de curto-circuito assim como CHB, porém o funcionamento dos conversores possui estados de chaveamento definidos, sendo uma característica de problemas de eletrônica de potência. Assim, o modo de operação das chaves semicondutoras nesta nova topologia também apresenta estágios de curto-circuito bem
mapeados e conhecidos, tornando-se um ramo atraente para aplicações de controle preditivo baseado em modelo (Model Predictive Control - MPC).
Em resumo, o MPC do conversor a ser controlado, prevê o estado da variável alvo e adota o melhor conjunto de chaveamento necessário para produzir o resultado mais próximo do desejado, agindo de forma diferente das estratégias de chaveamento convencionais e possibilitando a inibição dos estágios de curto circuito inerentes à topologia SDC-CHB. Este trabalho também se dedica ao estudo matemático e ao mapeamento dos estados de curto circuito da nova topologia proposta em uma aplicação de eletrônica de potência como o STATCOM, e à comparação de seu desempenho com este dispositivo utilizando um conversor CHB com características semelhantes. Para validar a proposta, esta topologia foi submetida a simulações no software Simulink Matlab® para análise de dados e posteriormente implementada em plataforma de tempo real
hardware-in-the-loop (HIL) do fabricante OPAL-RT, modelo 5700, para comprovar sua aplicabilidade. Para análise do rendimento do conversor, foram efetuadas medições das perdas por condutividade e chaveamento através do software PLECS® da empresa Plexim, onde pode-se observar o gasto energético do conversor nos diferentes modos de operação. Finalmente, trabalhos futuros e melhorias a serem desenvolvidas para esta topologia são propostos para aprimorar o conhecimento e expandir seu campo de aplicações em dispositivos eletrônicos de potência.
Palavras-chave: Conversores Multinível; Conversor em Cascata com ponte-H (CHB); Conversor em Cascata com ponte H e elo CC compartilhado (SDC-CHB); Controle Preditivo baseado em Modelo (MPC); Simulink Matlab; Hardware em Tempo Real (HIL); OPAL-RT.

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