Contributions to Modulation and Control Algorithms for Multilevel Converters

Las actuales tendencias de la red eléctrica han lanzado a la industria a la búsqueda de sistemas de generación, distribución y consumo de energía eléctrica más eficientes. Generación distribuida, reducción de componentes pasivos, líneas DC de alta tensión son, entre otras, las posibles líneas de investigación que están actualmente siendo consideradas como el futuro de la red eléctrica. Sin embargo, nada de esto sería posible si no fuera por los avances alcanzados en el campo de la electrónica de potencia. El trabajo aquí presentado comienza con una breve introducción a la electrónica de potencia, concretamente a los convertidores de potencia conectados a red, sus estrategias de control más comunes y enfoques ante redes desbalanceadas. A continuación, las contribuciones del autor sobre el control y modulación de una topología particular de convertidores, conocidos como convertidores multinivel, se presentan como el principal contenido de este trabajo. Este tipo de convertidores mejoran la eficiencia y ciertas prestaciones, en comparación con convertidores más tradicionales, a costa de una mayor complejidad en el control al incrementar la cantidad de los componentes hardware. A pesar de que existen numerosas topologías de convertidores multinivel y algunas de ellas son brevemente expuestas en este trabajo, la mayoría de las aportaciones están enfocadas para convertidores del tipo diode-clamped converter. Adicionalmente, se incluye una aportación para convertidores del tipo multinivel modular, y otra para convertidores en cascada. Se espera que el contenido de la introducción de este trabajo, junto a las contribuciones particulares para convertidores multinivel sirva de inspiración para futuros investigadores del campo

Transformer-Less Cascaded Voltage Source Converter Based STATCOM

In this work, a transformer-less voltage source converter (VSC) based STATCOM is proposed with a combination of cascaded conventional three-phase voltage source inverters. This modular structure provides multilevel operation with reduced switch count and independent DC-link capacitors. The actual contribution of this paper is the transformer-less configuration of a conventional cascaded voltage source converter which provides reduced cost and volume as compared to other transformer-less converter configurations. The system provides reactive power compensation with better power quality when connected to the nonlinear power electronics load also. A simple control system is provided for balancing the Dc link capacitor voltage and reactive power compensation. The validation of the proposed model is analyzed with simulation using MATLAB/SIMULINK software and the results are obtained with different linear and nonlinear load configurations

Modular Multilevel Cascaded Flying Capacitor STATCOM for Balanced and Unbalanced Load Compensation

Voltage and current unbalance are major problems in distribution networks, particularly with the integration of distributed generation systems. One way of mitigating these issues is by injecting negative sequence current into the distribution network using a Static Synchronous Compensator (STATCOM) which normally also regulates the voltage and power factor. The benefits of modularity and scalability offered by Modular Multilevel Cascaded Converters (MMCC) make them suitable for STATCOM application. A number of different types of MMCC may be used, classified according to the sub-module circuit topology used. Their performance features and operational ranges for unbalanced load compensation are evaluated and quantified in this research. This thesis investigates the use of both single star and single delta configured five-level Flying Capacitor (FC) converter MMCC based STATCOMs for unbalanced load compensation. A detailed study is carried out to compare this type of sub-module with several other types namely: half bridge, 3-L H-bridge and 3-L FC half bridge, and reveals the one best suited to STATCOM operation. With the choice of 5-L FC H-bridge as the sub-module for STATCOM operation, a detailed investigation is also performed to decide which pulse width modulation technique is the best. This was based on the assessment of total harmonic distortion, power loss, sub-module switch utilization and natural balancing of inner flying capacitors. Two new modulation techniques of swapped-carrier PWM (SC-PWM) along with phase disposed and phase shifted PWM (PS-PWM) are analyzed under these four performance metrics. A novel contribution of this research is the development of a new space vector modulation technique using an overlapping hexagon technique. This space vector strategy offers benefits of eliminating control complexity and improving waveform quality, unlike the case of multilevel space vector technique. The simulation and experimental results show that this method provides superior performance and is applicable for other MMCC sub-modules. Another contribution is the analysis and quantification of operating ranges of both single star and delta MMCCs in rating the cluster dc-link voltage (star) and current (delta) for unbalanced load compensation. A novel method of extending the operating capabilities of both configurations uses a third harmonic injection method. An experimental investigation validates the operating range extension compared to the pure sinusoidal zero sequence voltage and current injection. Also, the superiority of the single delta configured MMCC for unbalanced loading compensation is validated

Contrôle avancé des convertisseurs de puissance multi-niveaux pour applications sur réseaux faibles

139 p.El advenimiento progresivo de las microrredes que incorporan fuentes de energía renovable está dando lugar a un nuevo paradigma de distribución de la electricidad. Este nuevo planteamiento sirve de interfaz entre consumidores no controlados y fuentes intermitentes, implicando desafíos adicionales en materia de conversión, almacenamiento y gestión de la energía.Los convertidores de potencia se adaptan en consecuencia, en particular con el desarrollo de los convertidores multinivel, que integrando los mismos componentes que sus predecesores y un control más complejo, soportan potencias más altas y aseguran una mejor calidad de la energía.Debido al carácter híbrido de los convertidores de potencia, su control se divide comúnmente en dos partes: por un lado, el control de los objetivos continuos vinculados a la función principal de los convertidores de servir de interfaz, y, por otro, el control discreto de los interruptores de potencia, conocido con el nombre de modulación.En este contexto, las exigencias crecientes en términos de eficiencia, fiabilidad, versatilidad y rendimiento hacen necesaria una mejora de la inteligencia de la estructura de control. Para cumplir conestos requisitos, se propone tratar mediante un solo controlador ambas problemáticas, la vinculada a la función de interfaz de los convertidores y la relacionada con su naturaleza discreta. Esta decisión implica incorporar la no-linealidad de los convertidores de potencia en el controlador, lo que equivale a suprimir el bloque de modulación, que constituye la solución tradicional para linealizar el comportamiento interno de los convertidores. Se adopta un planteamiento de Control Predictivo basado en Modelos (MPC) para abordar la no-linealidad y la gran diversidad de objetivos de control que acompañan a los convertidores de potencia.El algoritmo desarrollado combina teoría de grafos ¿con algoritmos de Dijkstra, A* y otros¿ con un modelo de estado especial para sistemas conmutados al objeto de proporcionar una herramienta potente y universal, capaz de manipular simultáneamente el carácter cuantificado de los interruptores de potencia y el continuo de las entidades interconectadas por el convertidor. Se han obtenido resultados sobre la estabilidad y la controlabilidad de los modelos de estado conmutados aplicados al caso particular de los convertidores de potencia.El controlador así desarrollado y descrito se ha examinado en simulación frente a varios casos y aplicaciones: inversor aislado o conectado a la red, rectificador y convertidor bidireccional. Se ha empleado la misma estructura de control para tres topologías de convertidor multinivel: Neutral-Point Clamped, Flying Capacitor y Cascaded H-Bridge. Al objeto de adaptarse a los cambios citados, lo único que varía en el controlador es el modelo del convertidor adoptado para la predicción, así como la función de coste, que traduce los requisitos de control en un problema de optimización a solucionar por el algoritmo. Un cambio de topología resulta en una modificación del modelo interno, sin impacto sobre la función de coste, mientras que variaciones de esta función son suficientes para adaptarse a la aplicación.Los resultados muestran que el controlador logra actuar directamente sobre los interruptores de potencia en función de diversos requisitos. Los desempeños de la estructura de control propuesta son similares a los de las numerosas estructuras dedicadas a cada uno de los casos estudiados, excepto en el caso de operación en modo rectificador, en el que la versatilidad y rapidez de control obtenidos son particularmente interesantes.En definitiva, el controlador planteado puede emplearse para diferentes aplicaciones, topologías, objetivos y limitaciones. Si bien las estructuras de control lineal tradicionales han de modificarse, a menudo en profundidad, para afrontar diferentes modos de operación o requisitos de control, dichas alteraciones no tienen ningún impacto sobre la arquitectura del controlador MPC obtenido, lo que pone de manifiesto su versatilidad, así como su universalidad, también demostrada por su capacidad para adaptarse a diferentes convertidores de potencia sin modificaciones importantes. Finalmente, la solución propuesta elude por completo la complejidad de la modulación, ofreciendo simplicidad y flexibilidad al diseño del control

Cost-Effective Model Predictive Control Techniques for Modular Multilevel Converters

In this thesis, model predictive control (MPC) techniques are investigated with their applications to modular multilevel converters (MMCs). Since normally a large number of submodule (SM) capacitor voltages and gate signals need to be handled in an MMC, the MPC schemes studied in this thesis are employed for determining only the voltage levels of converter arms, while gate signals are subsequently generated by the conventional sorting method. Emphasis is given to inner-loop current control in terms of phase current and circulating current, aiming at performance enhancement and computation reduction. A variable rounding level control (VRLC) approach is developed in this thesis, which is based on a modification of the conventional nearest level control (NLC) scheme: instead of the conventional nearest integer function, a proper rounding function is selected for each arm of the MMC employing the MPC method. As a result, the simplicity of the NLC is maintained while the current regulating ability is improved. The VRLC technique can also be generalized from an MPC perspective. Different current controllers can be considered to generate the arm voltage references as input of the VRLC block, thus refining the control sets of the MPC. Based on the decoupled current models, the accumulated effect of SM capacitor voltage ripples is investigated, revealing that the VRLC strategy may not achieve a proper performance if the accumulated ripple is nontrivial compared to the voltage per level. Two indexes are also proposed for quantifying the current controllability of the VRLC. Benefiting from this analysis, A SM-grouping solution is put forward to apply such MPC techniques to an MMC with a large number of SMs, leading to an equivalent operation of an MMC with much reduced number of SMs, which significantly increases the current regulating capability with reduced complexity. As an example, the SM-grouping VRLC proposal is analyzed and its system design principles are described. This thesis also develops another MPC technique which directly optimizes the cost function using quadratic programming technique. Both a rigorous and a simplified procedure are provided to solve the optimization problem. Compared with the conventional finite control set (FCS)-MPC method which evaluates all voltage level combinations, the proposed scheme presents apparent advantage in terms of calculation cost while achieving similar performance