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Dispositivos DSP/FPGA en Transformadores Electrnicos de Potencia (Ene 2012)Gerardo Urrea Lugo A00812903, Maestra en Ingeniera Energtica MIE.Ante estos problemas, se ha recurrido a la electrnica de potencia para dar soluciones de transformacin de la energa mediante mquinas cuyos dispositivos las hacen ms ligeras, de dimensiones ms pequeas y de capacidades ms grandes. II.

Abstract A medida que la demanda energtica aumenta, es necesario desarrollar tecnologa cada vez ms eficiente y econmicamente accesible, tal es el caso de las fuentes alternas de energa. Una de las alternativas de energa renovables que actualmente se encuentra en constante desarrollo, es la del viento y por consiguiente la tecnologa utilizada en los aerogeneradores. Las turbinas elicas, muestran una tendencia de crecimiento estructural y mejora constante en las caractersticas de sus componentes con el objetivo de disminuir costos de instalacin, operacin y mantenimiento y a su vez aumentar su eficiencia. Para poder hacer ms eficiente el desempeo y operacin de los aerogeneradores, es necesario mejorar los distintos componentes que integran su sistema y proponer soluciones que vayan de acuerdo a la tendencia de mejora en la tecnologa que hay detrs del desarrollo energtico. Keywords Aerogeneradores, Convertidores Multinivel, DSP, Estrategias de Modulacin, FPGAs, Modulacin por Ancho de Pulso, Procesamiento Digital de Seales, Transformadores.

OBJETIVO

El objetivo de este artculo es evaluar la factibilidad, de implementar FPGA (arreglos de compuertas lgicas reprogramables en campo) como solucin en las estrategias de modulacin utilizadas en los convertidores multinivel. De igual manera se evaluar el impacto del uso de estos dispositivos en el control del sistema de conversin de energa en los transformadores electrnicos de potencia. III.

JUSTIFICACIN

I. INTRODUCCIN

E

L desarrollo de aerogeneradores de mayores dimensiones (hasta 10MW de capacidad) propicia la bsqueda de lugares adecuados para ubicar estas mquinas, siendo el mar una opcin estratgicamente viable. Las condiciones adversas de este entorno, retan a la tecnologa de los aerogeneradores a sobrellevar el impacto en los diferentes componentes del sistema de generacin de energa. A su vez, las distancias cada vez mayores de separacin entre los aerogeneradores y su punto de acoplamiento comn para transmisin requiere que los aparatos entreguen energa a voltajes elevados. El alto voltaje de entrega y la altura de la torre se traducen en costos elevados de los gruesos conductores utilizados en la conexin del aerogenerador con el convertidor electrnico y el transformador que estn ubicados generalmente en la base del aerogenerador. Es importante mencionar, como parte de la problemtica actual, las prdidas elctricas que se presentan en los conductores gruesos de cobre de los aerogeneradores, la dificultad de instalar los conductores y el nivel de acceso que

Con el desarrollo de los convertidores electrnicos es necesario el desarrollo de generadores de pulso cada vez ms eficientes y verstiles. Los microcontroladores regulares actuales para convertidores multi-modulares no proveen suficientes generadores para la modulacin por ancho de pulso necesaria para el control de conversin de energa de los convertidores [2]. Un generador PWM multiplexor basado en dispositivos DSP y FPGA es una buena opcin de mejora para hacer mas eficientes a los sistemas de conversin basados en electrnica de potencia. IV. SOLUCIONES DE TRANSFORMACIN Para poner en contexto el uso de los DSP y FPGA en el mbito general de los convertidores electrnicos de potencia, es necesario hablar de las propuestas actuales para solucionar el problema de conversin de energa de manera eficiente. En primera instancia, hablaremos de los transformadores convencionales que cada vez pierden ms ventaja sobre sus anlogos transformadores electrnicos de potencia.

se tiene a los cables, lo cual incrementa la posibilidad de robo de los mismos.

A. Transformadores Convencionales Los transformadores convencionales han sido utilizados ampliamente en los sistemas de potencia tradicionales para llevar a cabo funciones de transformacin de voltaje, aislamiento y transferencia de energa [1]. Actualmente, con el desarrollo de Smart-Grids, el sistema

Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey ITESM de potencia requiere un crecimiento en las fuentes de energa renovables y en las tecnologas de generacin para satisfacer la demanda de carga. Debido a sus voluminosos ncleos de hierro, a sus pesados devanados de cobre y a sus funciones sencillas y relativamente limitadas, el transformador tradicional no puede satisfacer los requerimientos cada vez ms demandantes de la red de potencia. De igual manera se puede decir que no son una opcin viable para solucionar el problema de integracin de componentes en la cima de la torre de los aerogeneradores. B. Convertidores Multinivel Los convertidores multinivel se han vuelto la solucin actual ms atractiva de transformacin de energa y son considerados los sistemas de conversin de potencia de estado del arte para aplicaciones de gran demanda y calidad de potencia. A pesar de que sta estrategia posee un nivel de complejidad mas alta en cuestiones de implementacin y control, estos retos han sido rpidamente convertidos en oportunidades ya que la complejidad estructural de los circuitos diseados permitieron ms grados de libertad que pudieron ser utilizados para mejorar la conversin de potencia en muchos aspectos, especialmente en relacin a la eficiencia y calidad de la potencia. Este hecho, ha impulsado el desarrollo de los convertidores en las ltimas dos dcadas con una evolucin continua. Los lderes en el campo de la electrnica de potencia comercializan convertidores multinivel cubriendo una gran variedad de topologas, mtodos de control y aplicaciones [3]. Los inversores multinivel sintetizan el voltaje de salida a partir de diferentes niveles de voltaje, de esta manera se producen formas de onda escalonadas las cuales se acercan a la forma de onda de referencia con bajos niveles de distorsin armnica, reduciendo as la necesidad de filtros de salida [5]. Para tener un mejor nivel de comprensin en los avances de la tecnologa multinivel es necesario cubrir las topologas clsicas de los convertidores, sin embargo, para mantener el enfoque de este artculo en la implementacin de control de convertidores con DSP y FPGA, las topologas sern introducidas de manera breve. La tecnologa de los convertidores multinivel comenz con la introduccin del concepto de la onda escalonada multinivel con el Puente H conectado en serie, tambin conocido como Puente H en Cascada (CHB Cascaded H Bridge) a finales de los 60s. esta topologa fue rpidamente seguida por el desarrollo del convertidor de Capacitor Flotante (FC Flying Capacitor) durante el mismo ao. Por ltimo, a finales de los aos 70s el convertidor Anclado por Diodo (DCC Diode Clamped Capacitor) fue desarrollado. Este ltimo concepto evolucion en lo que conocemos hoy en da como inversor de Punto Neutro Anclado de tres niveles (3LNPC Neutral Point Clamped) y puede ser considerado como el primer inversor multinivel real de potencia para aplicaciones de niveles medios de voltaje Estas tres topologas de convertidores multinivel pueden ser consideradas como las topologas clsicas o tradicionales introducidas como productos industriales reales durante las ltimas dos dcadas. Los circuitos de potencia monofsicos de estas tres topologas son ilustradas en la Fig. 1 mostrando el correspondiente dispositivo semiconductor comnmente en cada convertidor [4].

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C. Niveles de Voltaje Como se mencion anteriormente en la seccin B, los convertidores multinivel producen formas de onda escalonada de tal manera que la seal de salida se aproxime a la seal de voltaje de referencia. El beneficio directo de tener mas niveles de voltaje de menor magnitud, consiste en emplear semiconductores de menor capacidad y menor costo. Entre mas niveles tenga un convertidor, menor ser la magnitud de las prdidas por conmutacin y se incrementar la calidad de la forma de onda de salida.Fig. 1. Topologas de Convertidores Multinivel clsicas (con una sola fase mostrada): (a) 3L-NPC (b) Capacitor Flotante de tres niveles (c) Puentes H en Cascada de 5 niveles.

Para una mejor comprensin de nivel de voltaje, supongamos el convertidor monofsico de potencia ms elemental, el Puente H. Este es empleado como inversor y representa el caso ms sencillo con dos niveles de voltaje V+ y V- y ocurre cuando se tiene un solo convertidor sin el neutro disponible. El siguiente caso sera un convertidor de tres niveles, muy parecido al mencionado anteriormente con la nica diferencia de que tiene un nivel cero de voltaje. La regla general para determinar el nmero de niveles de un convertidor es N = 2*M+1 donde M es el nmero de mdulos o convertidores monofsicos interconectados [6]. En la Fig. 2 podemos observar una fase de un inversor y su forma de onda de voltaje de salida. Podemos ver tambin en la parte izquierda de la figura mdulos de un inversor denominado MCVSI (Multilevel Cascaded Voltaje Source Inverter), en realidad se trata de modulos Puente H conectados en serie. Si aplicamos la regla general para determinar los niveles en un inversor podremos confirmar que un convertidor con 5 mdulos tiene como resultado 11 niveles de voltaje [7].

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Entre estos dispositivos de potencia listados en la Tabla 1, el IGBT ha sido el ms aceptado en la industria como componente de conmutacin de alta potencia y alto voltaje. Esto se debe a la alta impedancia de entrada, bajo voltaje de encendido y funcionamiento a grandes frecuencias que manejan. Estas son caractersticas que el IGBT a heredado debido a que combina atributos del BJT y el MOSFET [10]. V. CONTROLADORES DIGITALES Componentes digitales como los microprocesadores, DSP y los circuitos integrados de aplicacin especfica (ASIC) estn alcanzando niveles de desempeo cada vez ms altos mientras que sus costos de adquisicin van disminuyendo. Debido a esto, las tcnicas de control digital se estn convirtiendo en la solucin mas generalizada en los convertidores de potencia modernos. A pesar de la creciente popularidad, el diseo de convertidores digitalmente controlados enfrenta ciertos problemas. Entre ellos, la reutilizacin y portabilidad de software son considerados como crticos, de hecho, aunque en muchos casos el lenguaje de programacin C es el elegido, cada programa est estrictamente ligado a la arquitectura particular siendo los pines de entradas/salidas, los pines perifricos y la configuracin de los registros especficos para cada microprocesador. En base a esto, cualquier cambio de microprocesador debido al cambio de nuevas caractersticas, la necesidad de un mejor desempeo o la disponibilidad de componentes ms econmicos requieren una exhaustiva revisin del proyecto para poder encajar con el nuevo sistema. Una operacin de tal ndole consume tiempo, es costosa y a veces no se lleva a cabo con xito. Aparte de esto, la experiencia obtenida con un sistema en especfico puede no ser til con diferentes dispositivos. Otro problema tpico en el diseo de convertidores de potencia digitales son las estrechas restricciones en tiempo real, por ejemplo, el ancho de banda de los PWM modernos. Ocasionalmente, una gran cantidad de recursos computacionales son absorbidos por el resultado de tales tareas, particularmente para un sistema de un solo microprocesador, recursos limitados para otras funciones (algoritmos de control, deteccin de fallas, comunicaciones, etc). Adems de esto, algunas veces las capacidades de los microprocesadores son totalmente insuficientes. En estos casos, una cantidad mltiple de microprocesadores son empleados. De hecho, muchos usan dos o ms microprocesadores, cada uno dedicado a una tarea especifica. Tales sistemas incluyen un microcontrolador (algunas veces DSP) dedicado a la adquisicin de seales, acondicionamiento y parte de la tarea computacional. Un microprocesador ms poderoso ejecuta el loop principal de control. Esta solucin sin embargo es cara, tcnicamente compleja y adems no ser exitosa si la complejidad es muy elevada. Los circuitos integrados de aplicacin especfica (ASIC) representan una alternativa interesante para la solucin de los problemas anteriores ya que permiten el diseo de circuitos personalizados implementando funciones complejas y clculos en hardware. A pesar de esto, parecen ser una solucin efectiva solamente para grandes mercados de manera que su costo de desarrollo se justifica por los grandes

D. Dispositivos Semiconductores Los componentes bsicos para el funcionamiento de un convertidor electrnico son los interruptores electrnicos deFig. 2. Configuracin y forma de onda de un Inversor MCVSI (Multilevel Cascaded Voltage Source Inverter) de 11 niveles.

estado slido que estn diseados para manejar grandes corrientes, grandes voltajes, operar con bajas prdidas de juntura y adicionalmente tolerar grandes cambio de tensin y corriente. El desarrollo de los dispositivos IGBT se est moviendo hacia el desarrollo de dispositivos cada vez ms rpidos y con menos prdidas. Las aplicaciones se han vuelto cada vez mas avanzadas como por ejemplo en convertidores AC/DC/AC o en convertidores electrnicos como los que se abordan en este artculo [8]. La Tabla 1 muestra cinco tipos de interruptores activos utilizados en las topologas multinivel [9].

Tabla 1. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor; IEGT (Injection Enhanced Gate Transistor); GTO (Gate Turn Off Thyristor); IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor); SGCT (Symmetrical Gate Controlled Thyristor).

Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey ITESM volmenes de produccin. Adems, an en tales casos sufren de rpido envejecimiento y por lo tanto no se pueden considerar como una solucin definitiva. En los ltimos aos los FPGA se han vuelto populares en esas aplicaciones donde el alto desempeo, bajos costos de desarrollo y produccin son problemas mayores. De hecho, son funcionalmente similares a los ASIC pero resultan ser econmicamente efectivos inclusive en volmenes de produccin pequeos y medianos, por lo tanto permiten el desarrollo de sistemas baratos y poderosos. Adicionalmente estos dispositivos casi eliminan el problema de portabilidad debido a cdigo VHDL, el principal lenguaje de descripcin de hardware y varias herramientas de desarrollo son casi independientes del dispositivo que se maneje. Un campo que puede aprovechar las ventajas del uso de FPGA es el de los convertidores multinivel. Esto se debe a que el alto nmero de dispositivos interruptores, requieren un alto nmero de seales de salida usadas para aplicar el patrn de modulacin que muchos dispositivos de potencia y la mayora de los semiconductores no pueden satisfacer. De hecho, solamente pueden generar algunas pocas seales (generalmente 6) porque estn diseados para controlar inversores estndar. Los inversores multinivel requieren algoritmos de control complejos que no pueden ser implementados en tiempo real usando microcontroladores o DSP de bajo costo pero pueden ser implementados exitosamente usando lenguajes de descripcin de hardware FPGA [11]. A. Microcontroladores Los microcontroladores como los PIC son apropiados para el uso en pequeos convertidores electrnicos pero son rpidamente sobrepasados por las necesidades de clculo y de memoria de los algoritmos de control y modulacin. B. DSP Los DSP son controladores utilizados en convertidores electrnicos que son mucho ms veloces que los microcontroladores ya que tienen optimizadas varias de sus funciones de clculo. Adicionalmente tiene funciones preprogramadas como salidas de PWM que son muy tiles para uso en inversores. En niveles de complejidad ms altos en topologa de convertidores, los DSP pueden caer en la necesidad de ser auxiliados por otros componentes digitales. C. FPGA Los FPGA son una herramienta reciente en el mundo del computo y los circuitos integrados. Pertenece al grupo VLSI (Very Large Scale Integration) de los semiconductores. Bajo el soporte del software de sntesis y programacin propietario de los fabricantes es posible programar directamente en hardware los algoritmos de control que se emplearan en un convertidor electrnico. Tiene la ventaja de ser re-programable en campo por lo que es posible modificar el comportamiento de un convertidor electrnico para adaptarlo o modificarlo ya en servicio. Debido a que se programa directamente en hardware, se tiene posibilidad de ejecutar algoritmos complicados en forma paralela con mayor rapidez de ejecucin, lo cual es necesario cuando hay que evaluar mltiples condiciones lgicas, tomar

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decisiones rpidas y mandar mltiples seales de disparo al convertidor. Dependiendo del tamao del FPGA, es posible embeber (construir un equivalente lgico en su interior) circuitos integrados como microcontroladores, registros de corrimiento, memorias, flip-flops, comparadores, etc. VI.ESTRATEGIAS DE MODULACIN

La caracterstica esencial de los convertidores electrnicos consiste en que hacen uso de los dispositivos semiconductores de potencia en forma de interruptores, es decir, totalmente encendidos o apagados, esto trae consigo distintas dificultades y beneficios. El principal beneficio de emplear a los interruptores electrnicos mencionados en la seccin D bajo conduccin completa es que se reduce el nivel de potencia que debe disipar el dispositivo, esto permite mltiples beneficios; que el aparato sea ms eficiente, mayor vida til del dispositivo, uso de disipadores de menor capacidad y en general un ahorro considerable en el costo inicial de adquisicin y operacin del equipo. El principal inconveniente de emplear el interruptor electrnico en corte o saturacin, consiste en que no es posible reproducir fielmente una salida proporcional a la que se tiene en la entrada de control, como sera el caso con la electrnica analgica. Esto dificulta la manipulacin de las corrientes elctricas para reproducir formas de onda especficas, como sera el caso de una onda sinusoidal. En el caso de un inversor de voltaje, lo que se realiza para evitar este obstculo consiste en crear una forma de onda que tiene un valor efectivo equivalente al de la que se intenta reproducir. Esto es que la energa que dicha onda aporta a una carga en una ventana de tiempo sea la misma que aportara una sinusoidal para cualquier intervalo de tiempo. Para tener una visin general de las estrategias de modulacin en inversores, stas se enlistan a continuacin [13]. Estrategias de modulacin o Estrategias bsicas de modulacin para frecuencias de salida constante o NS-PWM Modulacin de ancho de pulso, muestreada naturalente o RS-PWM Modulacin de ancho de pulso, muestreada regularmente o Modulacin Directa

Otras estrategias de modulacin o SVM (Space Vector Modulation) o SHE (Specific Harmonic Elimination) o SHM (Selective Harmonic Mitigation) o LS-PWM (Level Shifted Pulse Width Modulation) o PS-PWM (Phase Shifted Pulse Width Modulation) o Modulacin Programada (Escalera) o Modulacin Mediante Algoritmos Genticos o Modulacin Delta o de Histresis

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VII. OPERACIN DE UN CHB MODULAR CON FPGA El circuito de un MSMI (Inversor Multinivel Estructurado en Mdulos) es mostrado en la Fig. 3. El MSMI consiste en un inversor CHB de un nmero (n-1)/2 de mdulos inversores Puentes H monofsicos que estn conectados en serie para generar un nivel n de voltaje de salida. Una estructura monofsica de un MSMI monofsico con salida de voltaje de 9 niveles es mostrada en la Fig. 3. El voltaje de salida es igual a la suma de cada mdulo de puente h dado por la siguiente frmula, V0 = Vm1 + Vm2 ++ Vmh Donde h es el nmero de mdulos puente h usados en el circuito multinivel. Ntese que los elementos de conmutacin electrnicos en esta figura estn representados como interruptores. En la Fig. 4 se puede observar el diagrama de bloques del control de operacin multinivel. La salida del chip FPGA es conectada a un circuito optoaislador para prevenir que el convertidor y el FPGA compartan conexin a tierra.

Tabla 2 Seal de Conmutacin de los Interruptores Electrnicos.

Cada mdulo puente h tiene su propio voltaje de entrada y consiste en cuatro dispositivos interruptores de potencia; S11, S21, S31 y S41 para el primer mdulo. Cada mdulo del MSMI puede producir tres niveles de voltaje de salida +V, 0 y V. Esto es posible al conectar la fuente DC secuencialmente al lado de AC por medio de los cuatro dispositivos de potencia. Por ejemplo, el MSMI con cuatro mdulos puente h producir 9 niveles de voltaje de salida (4 V, 3V, 2V, 1V, 0, -1V, -2V, -3V y -4V) [12]. Las seales de conmutacin y el voltaje de salida se muestran en la Tabla 2.

La estructura interna del convertidor multinivel embebida en el FPGA se muestra en la Fig. 5. La estructura consiste enFig. 4 Diagrama de Bloques general del Sistema Multinivel

Fig. 3 Conexin MSMI para un voltaje de salida de 9 niveles

una unidad de almacenamiento para guardar las seales de conmutacin calculadas previamente. Un registro temporal es utilizado para almacenar datos de la unidad de control los cuales son comparados con los datos previamente calculados en la unidad de almacenamiento. La comparacin se realiza en la unidad aritmtica lgica ALU cuya salida es transferida a un mdulo generador de seales. Este mdulo producir seales de salida que sern utilizadas para controlar el circuito optoaislador.

Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey ITESM VIII. CONCLUSIN

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Los circuitos de control para los convertidores multinivel pueden ser exitosamente implementados usando FPGA para generar la seal PWM y producir los voltejes deseados. El FPGA en comparacin con el DSP tiene como ventaja principal el poder operar algoritmos directamente en hardware. Adems de esto, en el FPGA se pueden embeber mdulos auxiliares que pueden llevar a cabo tareas especficas. Los DSP en conjunto con los FPGA son una solucin viable para la implementacin de control digital en convertidores electrnicos de potencia. Existen mltiples estrategias de modulacin para lograr realizar una solucin de transformacin de bajo peso, que permita adaptar frecuencia y voltaje variable a la entrada a frecuencia y alto voltaje constantes a la salida. REFERENCIAS [1] Las 16 seales de control para el voltaje de salida de 9 niveles se muestra en la Fig. 6.Fig. 5 Estructura Interna del FPGA Zhibing Wang, Kunshan Yu: The Research of Power Electronic Transformer (PET) in Smart Distribution Network International Conference on Power System Technology, pp. 1, 2010 [2] Hongyan Xu; jianlin li: "FPGA Based Multiplex PWM Generator for Multilevel Converters Applied Wind Power Generator," Power and Energy Engineering Conference, pp.1-4, 2009 [3] Jos Rodrguez, Leopoldo G. Franquelo, Samir Kouro, Jos I. Len: Multilevel Converters: An Enabling technology for High Power Applications, pp. 1-3, 2009. [4] Samir Kouro, Mariusz Malinowski, K. Gopakumar, Josep Pou, Leopoldo G. Franquelo, BinWu, Jose Rodriguez, Marcelo A. Prez, and Jose I. Leon: Recent Advances and Industrial Aplications of Multilevel Converters, pp. 1-5, 2010. [5] Oscar Lopez, Remus Teodorescu, Jesus Doval-Gandoy: Multilevel Transformerless Topologies for Single-Phase grid-connected converters, pp. 1-5, 2006. [6] Mariusz Malinowski, K. Gopakumar, Jose Rodriguez, and Marcelo A. Prez: A survey on Cascaded Multilevel Inverters, pp. 1-6, 2010. [7] Chong H. Ng, Max A. Parker, Li Ran, Peter J. Tavner, Jim R. Bumby and Ed Spooner: , pp. 1-5, 2008. [8] Frede Blaabjergt, John K. Pedersent, Ulrik Jaeger: Evaluation of Modern IGBT-modules for Hard-switched AC/DC/AC Converters, pp. 1-10, 1995. [9] Michal Sztykiel: Overview of Power Converter Designs Feasible for High Voltage Transformer-Less Wind Turbine, pp. 1-6, 2011. [10] Wuchen Wu, Guo Gao, Limin Dong: Thermal Reliability of Power Insulated Gate Bipolar T r a n s i s t o r (IGBT) Mod u 1 e s, pp. 1-4, 1996. [11] C. Cecati., A. Dell'Aquilat, A. Leccit, M. Liserret, V. G. Monopoli: FPGA-based Multilevel Modulations for H-bridge-based Converters, pp. 1-6, 2004. [12] M.I. Ahmad, Z. Husin, R. B. Ahmad, H. A Rahim, M.S. Abu Hassan, M.N. Md Isa: FPGA based control IC for Multilevel Inverter, pp. 1-4, 2008. [13] Grahame Holmes, Thomas Lipo: Pulse Width Modulation for Power Converters, Principles and Practice, Wiley-IEEE Press; First edition, 2003.

La seal escalonada de voltaje de salida del convertidor de 9 niveles se muestra en la Fig. 7.Fig. 6 Seales de conmutacin para cada uno de los 16 interruptores electrnicos del inversor.

Fig. 7 Voltaje de salida.