A novel pulsewidth modulation for the comprehensive neutral-point voltage control in the three-level three-phase neutral-point-clamped dc-ac converte

Abstract

Las topologías de convertidores multinivel han recibido una atención especial durante las dos últimas décadas debido a sus notables ventajas en aplicaciones de alta potencia y media/alta tensión. En estas topologías, y comparadas con el convertidor tradicional de dos niveles, el voltaje que soporta cada dispositivo semiconductor es menor, evitando los problemas asociados con la interconexión serie de dispositivos. La distorsión armónica en la tensión de salida es también menor y la eficiencia mayor. Pero incorporan un número superior de dispositivos semiconductores y la estrategia de modulación resultante es, por tanto, más compleja.<br/>Entre estas topologías, el convertidor cc-ca de tres niveles trifásico con conexión al punto neutro del bus de cc es probablemente el más popular. La aplicación a este convertidor de técnicas de modulación convencionales causa una oscilación de la tensión del punto neutro de baja frecuencia (tres veces la frecuencia fundamental de la tensión de salida). Esta oscilación, a su vez, supone un incremento del estrés de tensión de los dispositivos y provoca la aparición de armónicos de baja frecuencia en la tensión de salida.<br/>Esta tesis presenta una nueva técnica de modulación del pulso de conducción de los dispositivos semiconductores para convertidores de tres niveles trifásicos con conexión a punto neutro, capaz de conseguir un control completo de la tensión del punto neutro con una distorsión armónica reducida en la tensión de salida alrededor de la frecuencia de conmutación. Esta nueva técnica de modulación, basada en la definición de unos vectores espaciales virtuales, garantiza el equilibrado de la tensión del punto neutro con cualquier carga (lineal o no, cualquier factor de potencia) y para todo el rango de tensión de salida, con el único requisito de que la suma de corrientes de fase sea nula.<br/>Las características de la técnica de modulación propuesta y sus beneficios con respecto a otras modulaciones se han verificado a través de simulaciones y experimentos tanto en lazo abierto como en lazo cerrado. Multilevel converter topologies have received special attention during the last two decades due to their significant advantages in high-power medium- and high-voltage applications. In these topologies, and compared to the previous two-level case, the voltage across each semiconductor is reduced, avoiding the problems of the series interconnection of devices. The harmonic distortion of the output voltage is also diminished and the converter efficiency increases. But a larger number of semiconductors is needed and the modulation strategy to control them becomes more complex.<br/>Among these topologies, the three-level three-phase neutral-point-clamped voltage source inverter is probably the most popular. The application of traditional modulation techniques to this converter causes a low frequency (three times the fundamental frequency of the output voltage) oscillation of the neutral-point voltage. This, in turn, increases the voltage stress on the devices and generates low-order harmonics in the output voltage.<br/>This thesis presents a novel pulsewidth modulation for the three-level three-phase neutral-point-clamped converter, able to achieve a complete control of the neutral-point voltage while also having a low output voltage distortion at around the switching frequency. The new modulation, based on a virtual space vector concept, guarantees the balancing of the neutral-point voltage for any load (linear or nonlinear, any load power factor) over the full range of converter output voltage, the only requirement being that the addition of the output three-phase currents equals zero.<br/>The performance of this modulation approach and its benefits over other previously proposed solutions are verified through simulation and experiments in both open- and closed-loop converter configurations.