Análise do Conversor Multinível Modular com Aplicações em Sistemas de Transmissão HVDC

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1 1 Análse do Conversor Multnível Modulr com Aplcções em Sstems de Trnsmssão HVDC B. Bron, M. A. Severo Mendes, P. C. Cortzo Resumo-- O conversor multnível modulr, MMC, consste n ssocção em sére de submódulos em me ponte. Esse conversor é cpz de sntetzr forms de ond de lt quldde com bx frequênc de chvemento por submódulo, elmnndo necessdde de fltros pssvos volumosos. Neste trblho são proposts dus técncs de controle e presentds dus técncs de modulção pr esse tpo de conversor. Um ds técncs de controle é nlsd pr um sstem de trnsmssão HVDC, outr pr o sstem operndo como retfcdor. Os resultdos de smulção mostrrm o bom desempenho do sstem pr mbs s técncs de controle. U Z Brço Z L Brço Brço Superor NU Z conv Brço Inferor bc T 1 VC C T 2 D 1 D 2 V Plvrs - Chve--Conversor Multnível Modulr (MMC), Trnsmssão em Alt Tensão (HVDC), Cpctores Flutuntes. I. INTRODUÇÃO O Brsl nd possu um grnde potencl energétco não explordo que deverá ser provetdo pr umentr o prque de gerção de energ elétrc. Estes recursos estão dsponíves em regões fstds dos grndes centros consumdores, compreendendo, por exemplo, o potencl hídrco ds Bcs do Tocntns, do Ro Mder e o potencl eólco ds nstlções offshore. Avlções têm mostrdo que pr grndes dstâncs e sstems submrnos utlzção de trnsmssão de corrente contínu, HVDC, é economcmente ms vável do que s trdcons trnsmssões em corrente lternd, HVCA. Este rtgo trt de um topolog de conversores propost recentemente por Mrqurdt e Lesncr e consste em um conversor multnível modulr, MMC.[1]-[4]. Esse conversor é formdo por submódulos que correspondem à me ponte, conforme mostr Fg. 1. Atulmente, há város grupos de estudo pesqusndo o conversor MMC pr plcções em HVDC [5]-[9]. Um vez que nests plcções os níves de tensão envolvdos ultrpssm o lmte máxmo de operção dos semcondutores tus. Além dsso, o conversor multnível modulr é cpz de sntetzr onds senods com menor conteúdo hrmônco, elmnndo utlzção de fltros que pr ess plcção são cros e volumosos [1]. Nos conversores dos sstems de trnsmssão HVDC cd submódulo deve ser chvedo em bx frequênc, pos nesss plcções s perds por chvemento são lts, devdo à potênc elevd. NL Fg. 1. Confgurção do crcuto do MMC Como os submódulos estão lgdos em sére, frequênc de chvemento efcz do conversor é f=2 N F, onde N é o número de submódulos por brço e F frequênc de chvemento de cd submódulo. Assm, é possível obter um frequênc de chvemento resultnte elevd com um bx frequênc de chvemento por chve. Isso proporcon um menor estresse ds chves e um menor conteúdo hrmônco no ldo.c.. Levndo em cont o processo de fbrcção dos conversores, um construção estrtmente modulr é um vntgem, pos o crcuto de lmentção é composto de um número dêntco de submódulos, não possundo componentes centrs dcons, como o cpctor no brrmento c.c.. A escl pr os dferentes níves de tensão e potênc deve ser fet vrndo-se o número de submódulos, ssm o mesmo hrdwre com mesm construção mecânc poderá ser utlzdo pr um mpl gm de plcções [3]. Neste rtgo, são dscutds lgums técncs de controle exstentes n ltertur. Além dsso, são proposts dus técnc de controle pr o MMC, sendo els, o controle por defsmento ngulr e por índce de modulção. É nlsdo o comportmento de um sstem de trnsmssão HVDC com técnc de controle por defsmento ngulr. O controle por índce de modulção é nlsdo pr o retfcdor do sstem HVDC. Ambs s técncs de controle são vldds mednte smulções computcons no MATLAB/Smulnk. Nesse tpo de conversor, em que há cpctores flutuntes, dstrbução blnced de tensão nesses cpctores é esperd, porém, não é grntd nturlmente. Assm, fo mplementdo um lgortmo pr grntr o equlíbro de tensão nos cpctores flutuntes.

2 2 Dest mner, n seção II é descrto resumdmente o funconmento do conversor, enqunto n seção III é mostrdo o procedmento usdo pr equlbrr s tensões nos cpctores flutuntes. N seção IV são presentds dus técncs pr controlr o fluxo de energ, que são vldds mednte smulção n seção V. Os resultdos obtdos são dscutdos n seção VI. A. Prncípo II. O CONVERSOR MULTINÍVEL MODULAR Conforme pode ser observdo n Fg. 1, cd fse do conversor multnível é formd por dos brços: o brço superor é responsável por sntetzr form de ond no semcclo postvo e o brço nferor é responsável por sntetzr form de ond no semcclo negtvo. O número de submódulos nserdos em cd brço é ddo pelo nível de tensão ser sntetzdo. Os possíves níves de tensão em um submódulo podem ser vstos n Tbel I. Qundo chve T 2 é lgd tensão V é gul à zero. Por outro ldo, se chve T 1 for lgd tensão V é gul à V C. As chves T 1 e T 2 possuem comndos complementres. O vlor de pco d form de ond sntetzd pelo MMC é lmtdo pel som ds tensões n síd de cd submódulo conforme (1). E tensão no brrmento c.c é dd por (2) [1]. A cpctânc efetv de cd brço do conversor é dd pel cpctânc de um submódulo dvddo pelo número de submódulos nserdos nquele brço, N nserdos, conforme (3). V ˆ N (1) V V ( t) = N (2) d V C Brço = N N nserdos A corrente em cd brço do conversor é metde d corrente n rede ms corrente de crculção entre os brços, conforme (4) (5), e corrente n rede é som ds correntes nos brços (6). Assm, corrente de crculção entre os brços, crc, é dd em (7). + (3) U = crc 2 (4) L = crc 2 (5) = + (6) crc U = U L 2 L (7) TABELA I ESTADOS DO SUBMÓDULO T 1 T 2 Efeto no cpctor C V 1 Crregndo qundo Brço > V C Descrregndo qundo Brço < 1 Nenhum III. MODULADOR A. Equlíbro de tensão nos cpctores flutuntes É precso mplementr um lgortmo pr grntr o equlíbro de tensão nos cpctores flutuntes do conversor multnível modulr, um vez que o tempo de condução entre esses cpctores é dferente. Consequentemente eles se crregm e descrregm de form rregulr o que pode gerr um desequlíbro de tensão. O método de equlíbro ds tensões selecon o submódulo ser nserdo de cordo com tensão e o sentdo d corrente nos cpctores do submódulo de cd brço. Se corrente que crcul nos brços do conversor estver crregndo os cpctores, coloc-se em condução os submódulos com menor tensão em ordem crescente. Se corrente no brço estver descrregndo os cpctores do brço, coloc-se em condução os submódulos com mor tensão em ordem decrescente [8],[1]. O período de tulzção do lgortmo nfluenc dretmente n frequênc de chvemento, já que pode mudr os estdos ds chves dos submódulos. No entnto, qunto menor for o período de tulzção menor será o desequlíbro de tensão entre os cpctores. B. Modulção por lrgur de pulso É possível mplementr o moduldor do MMC de dus forms dferentes em um conversor com o mesmo número de submódulos modfcndo pens os comndos ds chves. Modulção N+1: Esse método de modulção ger um form de ond n síd do conversor com N+1 níves. Nesse cso, o número de submódulos que são nserdos é sempre gul o número de submódulos de cd brço do conversor, N. O restnte dos submódulos são retrdos. O número de submódulos serem nserdos no brço superor e no brço nferor é ddo pelo nível de tensão ser sntetzdo. Ness técnc de modulção cpctânc do brrmento c.c. é constnte, pos o número de submódulos (cpctores) nserdos é sempre constnte e gul N. Modulção 2N+1: O segundo método de modulção result em um form de ond n síd do conversor com 2N+1 níves. Nesse método de modulção, o número de submódulos nserdos vr entre N-1, N e N+1. Qundo o número de submódulos nserdos é gul N o nível de tensão n síd concde com o prmero método, N+1. D mesm form que no prmero método de modulção, N+1, o nível de tensão ser sntetzdo é que defne o número de submódulos no brço nferor e superor que serão nserdos.

3 3 Pr um conversor com o mesmo número de submódulos, o método de modulção 2N+1 sntetz um form de ond n síd com ms níves que o método de modulção N+1. Ness técnc de modulção, cpctânc do brrmento c.c. vr com cpctânc de um submódulo, pr ms no nstnte em que o número de submódulos nserdo for N-1, e pr menos, no nstnte em que o número de submódulos nserdo for N+1. A Tbel II e Tbel III mostrm relção entre mpltude d form de ond sntetzd com o número de submódulos nserdos do brço superor (N U ) e nferor (N L ), e o número totl de submódulos nserdos, em um qurto de cclo pr um conversor com 1 submódulos por brço, pr modulção N+1 e 2N+1 respectvmente. TENSÃO NOS CAPACITORES SUPERIORES CORRENTE NO BRAÇO SUPERIOR CORRENTE NO BRAÇO INFERIOR TENSÃO NOS CAPACITORES INFERIORES m 2N + 1 ou N + 1 Moduldor Fg. 2. Estrutur do modulr com elmnção do MMC MMC C. Prâmetros de controle O moduldor mplementdo é cpz de sntetzr forms de ond defsds ou em fse com rede. Com esse moduldor tmbém é possível controlr o vlor d mpltude dess form de ond, controlndo o índce de modulção (m ). A estrutur smplfcd do moduldor pode ser observd n Fg. 2. TABELA II MODULAÇÃO N+1 Ampltude d form de ond (p.u.) N U N L Número totl de submódulos nserdos Ampltude d form de ond (p.u.) TABELA III MODULAÇÃO 2N+1 N U N L Número totl de submódulos nserdos IV. TÉCNICAS DE CONTROLE PARA O MMC Um técnc de controle que vs montorr energ totl dos brços e o equlíbro entre cd brço do conversor fo propost em [11]. A crculção de corrente em cd brço é controld pel dferenç d tensão nos ndutores de cd brço. Com o umento do número de submódulos técnc de controlr tensão dos brços o nvés de controlr tensão em cd cpctor ndvdulmente é vntjos, pos grnde quntdde de ddos trocdos entre o moduldor e o controldor pode crretr flhs, lém de ter um custo computconl elevdo. Um melhor d técnc de controle em [11] é propost em [12]. Ness técnc, os ddos com s tensões dos cpctores de cd brço não precsm ser fornecdos pr esse controldor, o que permte o conversor operr com ms precsão do que no cso nteror, devdo menores trsos no controle. Outro tpo de controldor fo proposto em [13]. Ness técnc de controle há um moduldor pr cd submódulo que é controldo seprdmente de cordo com tensão em seu cpctor, não hvendo necessdde de controlr tensão nos cpctores flutuntes. A. Controle por defsmento ngulr A técnc de controle por defsmento ngulr consste em controlr o fluxo de potênc entre o conversor e rede em função do defsmento ngulr entre tensão do conversor e tensão d rede, mntendo-se o índce de modulção constnte. Ess técnc de controle regul bscmente o fluxo de potênc tv. O dgrm de controle do sstem HVDC dess técnc é presentdo n Fg. 3. No ldo do retfcdor é trnsmtdo o controldor de tensão do brrmento c.c. um referênc de tensão (V d). A síd desse controldor é referênc efcz de corrente n rede (I rede), envd pr o controldor de corrente. Já no sstem de controle no ldo do nversor, há pens o controldor de corrente. Assm, é trnsmtdo esse controldor um referênc efcz de corrente (I rede). Tnto no retfcdor qunto no nversor, síd do controldor de corrente corresponde o ângulo de defsmento entre s tensões d rede e do conversor ().

4 4 B. Controle por índce de modulção A técnc de controle por índce de modulção consste em controlr o fluxo de potênc entre rede e o conversor trvés do índce de modulção do conversor, mntendo-se o defsmento ngulr entre tensão no conversor e tensão n rede constnte. Ess técnc control bscmente o fluxo de potênc retv. A Fg. 4 mostr o dgrm de blocos do sstem de controle do retfcdor. Nesse cso, é trnsmtdo o controldor de tensão do brrmento c.c. um referênc de tensão (V d). A síd desse controldor é referênc efcz de corrente d rede (I rede), envd pr o controldor de corrente. A síd do controldor de corrente é o índce de modulção (m ) do conversor. V. ESTUDO DE CASO E RESULTADOS DE SIMULAÇÃO As dus técncs de controle proposts n seção IV são vldds trvés de smulções computcons no MATLAB/Smulnk. O sstem HVDC é nlsdo pr um tensão n lnh de trnsmssão HVDC de 4kV com dos MMC trfáscos formdos por 1 submódulos por brço, N, e sntetzndo um tensão n síd.c. com 21 níves. Cd conversor possu 1 pulsos, 1 pulso por submódulo. Assm, frequênc de chvemento é bx. A técnc de controle por defsmento ngulr é plcd o sstem de trnsmssão HVDC. O dgrm de blocos desse sstem de controle é presentdo n Fg. 3. Os resultdos são presentdos grfcmente ns Fg. 5 à Fg.1. O controle por índce de modulção é plcdo o sstem do operndo como retfcdor. O dgrm de blocos desse sstem de controle é presentdo n Fg. 4. Os resultdos de smulção são mostrdos ns Fg. 11 à Fg. 13. Pr fcltr o entendmento dos prâmetros de smulção, é utlzdo o esquemátco smplfcdo do MMC trfásco d Fg. 1. Esses prâmetros são presentdos em detlhe n Tbel IV. Rede 1 P,Q Lconv Rconv Lconv Rconv P,Q MMC-1 MMC-2 Trfásco Trfásco ~ RMS m Moduldor I rede VMÉDIO m Moduldor I rede Fg. 3. Mlh de controle do sstem HVDC por defsmento ngulr RMS Rede 2 ~ Crg VMÉDIO MMC Trfásco L conv Moduldor R conv I rede RMS Fg. 4. Mlh de controle por índce de modulção do retfcdor A. Sstem HVDC P,Q m ~ Rede Os prâmetros dess smulção são presentdos n Tbel IV. Conforme explcdo n seção nteror fo nlsdo o comportmento do sstem de trnsmssão HVDC com potênc de 2MW e tensão de 4KV no brrmento c.c.. A tensão no ldo c.. é de 1kV fse-neutro, rms. Ness smulção, é utlzd técnc de controle por defsmento ngulr. A Fg. 5 mostr o fluxo de potênc nos conversores MMC- 1 e MMC-2. Ess potênc possu bx osclção, proxmdmente 1%. A tensão no conversor e corrente n rede no ldo do retfcdor e no ldo do nversor presentm bx dstorção hrmônc totl, THD, como é mostrdo ns Fg.6 e Fg. 7. P (MW), Q (MVr) P (MW), Q (MVr) Potênc MMC-1 P -1 Q Potênc MMC-2 2 P 1 Q Fg. 5. Potênc tv e retv nos conversores do sstem HVDC TABELA IV PARÂMETROS DE SIMULAÇÃO Potênc 2 MW Número de submódulos (2N) 2 Número de níves 21 Brrmento c.c. 4 kv Cpctânc do submódulo (C) 4.5 mf Tensão do submódulo (V) 4. KV Indutor do brço (LBrço) 4.4 mh Resstor do brço (RBrço).1 Ω Comutções méds por cclo (um chve) 1 Vconv (RMS fse neutro) 1 KV Lconv 2. mh Rconv.1 Ω Rlnh.1 Ω Llnh.1 H Crg 8 Ω

5 Tensão no conversor THD =3.11% -15 Corrente n rede THD = 1.7% Fg. 6. Tensão no conversor e corrente n rede no ldo do retfcdor Corrente n lnh THD=1.96% Tensão co conversor THD = 2.93% Fg. 7. Tensão no conversor e corrente n rede no ldo do nversor A Fg. 8 mostr tensão e corrente n lnh de trnsmssão. Ess tensão presentou um rpple de proxmdmente 13%. Já corrente n lnh HVDC, presentou um vlor médo de 5A com um osclção de proxmdmente 9%. O número médo de comutções ds chves por cclo é bxo, proxmdmente 1 comutções por período n frequenc fundmentl (6Hz), conforme pode ser observdo n Fg.9. Isso reduz s perds por chvemento. A Fg. 1 mostr tensão em cd um dos cpctores flutuntes. Anlsndo o resultdo, not-se que s tensões fcrm equlbrds, sendo que o rpple desss tensões é de proxmdmente 6%. O que vld o lgortmo utlzdo pr equlbrr tensão nos cpctores flutuntes. A tensão n lnh HVDC é som ds tensões nos cpctores flutuntes Corrente n lnh HVDC Tensão n lnh HVDC Fg. 8. Corrente n lnh HVDC V V b V c b c V V b V c b c Comutções Comutções Comutções n chve T2 1.5 Fg. 9. Comutções ns chves de um submódulo do MMC Fg. 1. Tensão nos cpctores flutuntes do MMC B. Sstem retfcdor Comutções n chve T Tensão nos cpctores flutuntes Ness smulção form utlzdos os mesmos prâmetros de smulção presentdos n Tb. IV. No entnto, técnc de controle utlzd fo o controle por índce de modulção, cujo dgrm de controle é mostrdo n Fg. 4. Os resultdos são presentdos ns Fg. 11 à Fg. 13. A Fg. 11 mostr potênc tv e retv no conversor. Esses sns fcrm equlbrdos e com bx osclção, 12%. A corrente n rede e tensão do conversor podem ser verfcds n Fg. 12. Assm como no controle por defsmento ngulr, THD d corrente e tensão são bxs e estão ndcds ns respectvs fgurs. A tensão no brrmento c.c. possu um rpple de proxmdmente 16% e s tensões nos cpctores flutuntes fcrm equlbrds e possuem um rpple de proxmdmente 1%. Esses sns podem ser verfcdos n Fg. 13. P (MW), Q (MVr) Potênc Conversor - MMC P Q Fg. 11. Potênc tv e retv no conversor

6 6 15 Tensão no conversor THD = 2.34% V VII. AGRADECIMENTO Corrente n rede THD 1.17% Fg. 12. Tensão no conversor e corrente n rede Tensão nos cpctores flutuntes Tensão no brrmento c.c Fg. 13. Tensão no brrmento c.c. e nos cpctores flutuntes VI. CONCLUSÃO O conversor multnível modulr tem plcções em méd e lt tensão. Nesse conversor é possível comprtlhr o brrmento c.c., o que possblt su plcção em sstems de trnsmssão HVDC. O MMC, mostrou ser um lterntv nteressnte pr plcções em sstems de trnsmssão HVDC. Nesss plcções, há necessdde de conectr os dspostvos semcondutores dos conversores em sére, um vez que esses dspostvos possuem um lmte máxmo de tensão. A propost do conversor MMC é justmente operr com város submódulos em sére. Além dsso, o MMC sntetz forms de ond com bxo conteúdo hrmônco, o que elmn necessdde de fltros, que pr os sstems HVDC são cros e volumosos. Apesr do MMC não utlzr fltros, há ndutores nos brços do conversor o que pode umentr o custo. Ambs s técncs de controle nlsds, controle por defsmento ngulr e controle por índce de modulção, presentrm bons resultdos, sntetzndo forms de ond com bxo conteúdo hrmônco. O controle por defsmento ngulr possblt mor excursão d tensão no brrmento c.c. bem como mor excursão do fluxo de energ. A frequênc de chvemento de cd chve é bx. Isso reduz o estresse mecânco ds chves e ument efcênc do conversor. O lgortmo mplementdo pr equlbrr tensão nos cpctores flutuntes do MMC, fo efcente em mbs às técncs de controle. O período de tulzção desse lgortmo deve ser levdo em consderção pr um frequênc de chvemento bx. V b V c b c Os utores gostrm de grdecer o professor Dr. Rodney Resende Sldnh e o pesqusdor Dr. Adrno Chves Lsbo pel colborção n mplementção do moduldor. VIII. REFERÊNCIAS [1] Lesncr, A.; Mrqurdt, R.;, "An nnovtve modulr multlevel converter topology sutble for wde power rnge," Power Tech Conference Proceedngs, 23 IEEE Bologn, vol.3, no., pp. 6 pp. Vol.3, June 23 [2] A. Lesncr, nd R. Mrqurdt: A new modulr voltge source nverter topology, EPE 23, Toulouse, Frnce, September 2-4, 23. [3] Mrqurdt R., Lesncr A., New Concept for Hgh Voltge Modulr Multlevel Converter, PESC 24 Conference Achen, Germny. [4] Allebrod, S.; Hmersk, R.; Mrqurdt, R.;, "New trnsformerless, sclble Modulr Multlevel Converters for HVDC-trnsmsson," Power Electroncs Speclsts Conference, 28. PESC 28. IEEE, vol., no., pp , June 28. [5] Chuco, B.; Wtnbe, E.H.;, "A comprtve study of dynmc performnce of HVDC system bsed on conventonl VSC nd MMC- VSC," Bulk Power System Dynmcs nd Control (REP) - VIII (REP), 21 REP Symposum, vol., no., pp.1-6, 1-6 Aug. 21 [6] Gnnrthn, U.N.; Gole, A.M.; Jysnghe, R.P.;, "Effcent Modelng of Modulr Multlevel HVDC Converters (MMC) on Electromgnetc Trnsent Smulton Progrms," Power Delvery, IEEE Trnsctons on, vol.26, no.1, pp , Jn. 211 [7] Bergn, G.; Boyr, M.; Vvs, J.H.;, "Evluton nd proposl of MMC- HVDC control strteges under trnsent nd stedy stte condtons," Power Electroncs nd Applctons (EPE 211), Proceedngs of the th Europen Conference on, vol., no., pp.1-1, Aug Sept [8] Seedfrd, M.; Irvn, R.;, "Dynmc performnce of modulr multlevel bck-to-bck HVDC system," Power nd Energy Socety Generl Meetng, 211 IEEE, vol., no., pp.1, July 211 [9] Soto-Snchez, D.; Green, T.C.;, "Control of modulr multlevel converter-bsed HVDC trnsmsson system," Power Electroncs nd Applctons (EPE 211), Proceedngs of the th Europen Conference on, vol., no., pp.1-1, Aug Sept [1] G.Konstntnou,M.CobotrundV.G.Agelds, Opertonof modul rmultlevel converter wth selectve hrmonc elmnton PWM, ICPE & ECCE As,Jeju,Kore,My211,pp [11] A. Antonopoulos, L. Angqust, nd H.-P. Nee, On dynmcs nd voltge control of the modulr multlevel converter, Europen Power Electroncs Conference (EPE), Brcelon, Spn, September 8-1, 29. [12] Ängqust, L.; Antonopoulos, A.; Semszko, D.; Ilves, K.; Vsldots, M.; Nee, H.-P.;, "Inner control of Modulr Multlevel Converters - An pproch usng open-loop estmton of stored energy," Power Electroncs Conference (IPEC), 21 Interntonl, vol., no., pp , June 21. [13] Hgwr, M.; Med, R.; Akg, H.;, "Control nd Anlyss of the Modulr Multlevel Cscde Converter Bsed on Double-Str Chopper- Cells (MMCC-DSCC)," Power Electroncs, IEEE Trnsctons on, vol.26, no.6, pp , June 211.