Voltage-source-inverters with legs connected in parallel

Abstract

The number of applications that require the use of power converters has been continually increasing in the last years on account of environmental and economical concerns. The power to be processed by these converters has been growing too. These applications include uninterruptible power supplies, motor drives, and distributed generation, such as solar photo-voltaic panels and wind turbines. The rated power of such converters can be raised by increasing the output currents. This can be chieved by connecting converter, converter legs or power devices in parallel. The connection of legs in parallel in a voltage ource inverter is made by means of inductors, hich can be either magnetically coupled or uncoupled. One of the issues that needs to be addressed is achieving an even contribution to the output current from all the legs. Current imbalances are due to circulating currents among the legs which must be avoided or controlled since they produce additional losses and stress to the power devices of the converter. An efficient technique to attain such a balance is presented in this thesis. The balancing technique achieves the objective regardless of the type of inductors used. In spite of the afore mentioned issues, the potential benefits of paralleling converter legs make their use a worthwhile option. Some of the additional benefits of paralleling are the improvement in the total harmonic distortion of the output current and voltage and the reduction of the output filters. Besides, inverters with legs connected in parallel are modular and because of that, their production and maintenance become less expensive. Moreover, they qualify for the implementation of fault-tolerant techniques thus offering the possibility to achieve systems with improved overall reliability. Interleaving of the carriers can be used to modulate the reference signals for each leg, which leads to a reduction in the output current ripple without resorting to increasing the switching frequency. A whole set of shifted carriers is required if interleaved pulse-width modulators are used. Implementing this by means of a digital signal processor (DSP) means that the higher the number of carriers, the higher the number of DSP timing resources required. Provided that the latter are usually limited, this could be a drawback when increasing the number of interleaved carriers. In this thesis the implementation of a pulse-width modulation (PWM) scheme where all modulators use the same carrier offering the same results as if a set of n interleaved carriers were used is presented. Since the proposed algorithm takes maximum benefit from the PWM units available in a DSP, a higher number of legs connected in parallel can be controlled without adding any external processing hardware. In multiphase voltage source inverters with n interleaved parallel-connected legs, the best single-phase output voltage is achieved when the carriers are evenly phase shifted. However, switching among nonadjacent levels can be observed at regular intervals in the line-to-line voltages, causing bad harmonic performance. This thesis includes a novel implementation of PWM that improves the quality of the line-to-line output voltages in interleaved multiphase voltage-source inverters. With the proposed method, switching in the line-to-line voltages happens exclusively between adjacent levels. The modulator utilizes two sets of n evenly phase-shifted carriers that are dynamically allocated. Because of its generality, the proposed implementation is valid for any number of phases and any number of legs in parallel. All the modulation and control algorithms proposed in this thesis have been firstly simulated on Matlab/Simulink models, and then experimentally corroborated on a low power laboratory prototype.

El número de aplicaciones que requiere del uso de convertidores de potencia ha crecido de forma regular en los últimos años debido a cuestiones económicas y ambientales. Entre ellas se incluyen fuentes de alimentación ininterrumpibles, accionamientos de motores y sistemas de generación distribuida, como paneles fotovoltaicos o turbinas eólicas. La potencia nominal de dichos convertidores puede aumentarse incrementando las corrientes de salida. Esto puede lograrse mediante la conexión en paralelo de: semiconductores, ramas de convertidor o convertidores. La conexión en paralelo de las ramas de un inversor con fuente de tensión se efectúa mediante inductancias, que pueden estar magnéticamente acopladas o no. Una de las cuestiones que hay que lograr es una contribución equitativa a la corriente de salida por parte de todas las ramas. Los desequilibrios se deben a las corrientes que circulan entre las ramas y que deben evitarse, o controlarse, pues causan solicitaciones y pérdidas adicionales en los dispositivos de potencia del convertidor. En esta tesis se presenta una técnica eficiente para conseguir dicho equilibrio. Dicha técnica es efectiva independientemente del tipo de bobinas utilizado. A pesar de las cuestiones mencionadas, los beneficios de la conexión de ramas en paralelo las convierte en una opción a considerar. Entre sus beneficios adicionales se encuentran la mejora en la distorsión armónica total de las tensiones y corrientes de salida y la reducción de los filtros de salida. Además, los convertidores con ramas en paralelo son modulares y, de este modo, su producción y mantenimiento resulta más económico. Es más, son ideales para la implantación de técnicas tolerantes a fallos, lo que permite obtener sistemas con una mejor fiabilidad global. Para la modulación de las señales de cada rama pueden utilizarse técnicas de entrelazado de las portadoras, lo que conduce a un menor rizado en la corriente de salida sin tener que recurrir a mayores frecuencias de conmutación. Si se usan moduladores de anchura de pulso entrelazados, se necesita un conjunto de señales portadoras desplazadas. La implantación de esto mediante un procesador digital de señal (DSP) implica que a mayor número de portadoras, mayor será el número de recursos de temporización del DSP que se necesiten. Dado que estos últimos son normalmente limitados, esto podría ser un inconveniente cuando se quiera incrementar el número de portadoras entrelazadas. En esta tesis se presenta la implementación de un esquema de modulación de anchura de pulso (PWM) en el que todos los moduladores usan una misma portadora y que ofrece el mismo resultado que si se utilizara todo un conjunto de portadoras entrelazadas. Como el algoritmo propuesto saca el mejor provecho de las unidades de PWM disponibles en el DSP, se podría controlar un mayor número de ramas en paralelo sin necesidad de ninguna circuitería externa adicional. En inversores con fuente de corriente polifásicos con n ramas conectadas en paralelo, la mejor tensión de fase de salida se obtiene cuando las portadoras están desfasadas por igual. Sin embargo, se observan transiciones entre niveles de salida no adyacentes en las tensiones de línea a intervalos regulares, lo que ocasiona malas prestaciones armónicas. Esta tesis incluye una novedosa implementación de PWM que mejora la calidad de la tensión de línea en inversores con fuente de tensión. Con el método propuesto, las transiciones en las tensiones de línea se producen únicamente entre niveles de tensión adyacentes. El modulador utiliza dos conjuntos de n Portadoras regularmente desfasadas cuyo uso se va asignando de forma dinámica. Dada su formulación genérica, la implementación propuesta es válida para cualquier número de fases y cualquier número de ramas