662 research outputs found
Multilevel Converters: An Enabling Technology for High-Power Applications
| Multilevel converters are considered today as the
state-of-the-art power-conversion systems for high-power and
power-quality demanding applications. This paper presents a
tutorial on this technology, covering the operating principle and
the different power circuit topologies, modulation methods,
technical issues and industry applications. Special attention is
given to established technology already found in industry with
more in-depth and self-contained information, while recent
advances and state-of-the-art contributions are addressed with
useful references. This paper serves as an introduction to the
subject for the not-familiarized reader, as well as an update or
reference for academics and practicing engineers working in
the field of industrial and power electronics.Ministerio de Ciencia y Tecnología DPI2001-3089Ministerio de Eduación y Ciencia d TEC2006-0386
The Essential Role and the Continuous Evolution of Modulation Techniques for Voltage-Source Inverters in the Past, Present, and Future Power Electronics
The cost reduction of power-electronic devices, the increase in their reliability, efficiency, and power capability, and lower development times, together with more demanding application requirements, has driven the development of several new inverter topologies recently introduced in the industry, particularly medium-voltage converters. New more complex inverter topologies and new application fields come along with additional control challenges, such as voltage imbalances, power-quality issues, higher efficiency needs, and fault-tolerant operation, which necessarily requires the parallel development of modulation schemes. Therefore, recently, there have been significant advances in the field of modulation of dc/ac converters, which conceptually has been dominated during the last several decades almost exclusively by classic pulse-width modulation (PWM) methods. This paper aims to concentrate and discuss the latest developments on this exciting technology, to provide insight on where the state-of-the-art stands today, and analyze the trends and challenges driving its future
Model predictive control: a review of its applications in power electronics
Model-based predictive control (MPC) for power converters and drives is a control technique that has gained attention in the research community. The main reason for this is that although MPC presents high computational burden, it can easily handle multivariable case and system constraints and nonlinearities in a very intuitive way. Taking advantage of that, MPC has been successfully used for different applications such as an active front end (AFE), power converters connected to resistor inductor RL loads, uninterruptible power supplies, and high-performance drives for induction machines, among others. This article provides a review of the application of MPC in the power electronics area
Improved control for multilevel inverters in grid applications
Control systems for three-phase grid connected voltage source inverters (VSI) play an important role in energy transformation systems . They are expected to be stable, robust and accurate during steady state as well as different grid faults and disturbances like voltage sags or unbalanced conditions. Caused by increasingly rising grid standards and efficiency requirements the use of multilevel inverter systems in grid connected low voltage applications are getting more and more attention. Nevertheless, the use of these inverter types leads to increased complexity of the control system and the hardware components.
This thesis presents an improved control scheme for multilevel inverters in grid applications. The system combines a robust and high-dynamic direct current control scheme called scalar hysteresisEn molts casos i, cada cop més, els sistemes de transformació energètica estan basats en convertidors en font de tensió connectats a la xarxa elèctrica trifàsica. Aquests convertidors necessiten de sistemes de control per controlar els fluxos energètics. Els sistemes de control han de ser estables, però també robustos i precisos durant el seu funcionament normal, però també en condicions on la xarxa pot presentar defectes, com curtcircuits, sots de tensió o desequilibris en la tensió. Degut a l'increment dels requeriments tècnics de connexió i d'eficiència energètica, els convertidors multinivell estan guanyant molt d'interès en aquest tipus d'aplicacions connectades a la xarxa tot i que el seu control i els seus components siguin més complexes. Aquesta tesi presenta un mètode de control per convertidors multinivell connectats a la xarxa elèctrica. El mètode combina la robustesa davant de canvis en el sistema així com una alta capacitat dinàmica per controlar el corrent injectat a la xarxa. El mètode presentat esta basat en l'anomenat Scalar Hysteresis Control (SHC) i incorpora un sistema feedforward que li permet seleccionar acuradament el punt de treball i seleccionar al millor estat de commutació en cada moment. La combinació del SHC amb el feedforward garanteix un comportament robust amb una alta dinàmica en totes les condicions de funcionament. El concepte bàsic del mètode feedforward proposat no usa sensors i està basat en detectar la tensió de l'inversor que inclou les components harmòniques. El mètode està basat en l'ús d'integradors generalitzats de segon ordre (second order generatlized integrators, SOGI) per tal de detectar les components harmòniques de la tensió de sortida de l'inversor. El sistema pot operar sense sensor de tensió, fins i tot en situacions de defecte de la tensió. Fins i tot, la informació extreta del SOGI es pot usar per altres llaços de control d'ordre superior com el control de la potencia usant les components simètriques. Per a determinar els millors estats de commutació de l'inversor amb el menor esforç s'usa en el mètode proposat en aquesta tesi un canvi de coordenades que usa valor enters. Aixo permet l'ús de relacions matemàtiques senzilles que es poden implementar fàcilment i que requereixen una menor potencia de càlcul. A més, el mètode és fàcilment generalitzable . En la tesi es presenten simulacions i resultats experimentals en convertidors multinivell de tres i cinc nivells per tal d'investigar i demostrar les funcionalitats del sistema de control proposat. Tant les simulacions com els resultats experimentals es realitzen en totes les condicions possibles de la xarxa elèctrica, estat estacionari, sots i distorsions harmòniquesPostprint (published version
Compensation of unbalanced low-voltage grids using a photovoltaic generation system with a dual four-leg, two-level inverter
In this paper, a grid-connected photovoltaic (PV) generation system is proposed with the purpose of providing support to low-voltage grids, namely through the elimination or attenuation of the grid imbalances. This compensation must consider the load types, which can be either linear or non-linear, and whether the reactive power and current harmonics generated by the non-linear loads need to be compensated in addition to the unbalanced active power. This must be well considered, since the compensation of all aspects requires oversized PV inverters. Thus, the different unbalanced compensation schemes are addressed. Several schemes for the generation of the inverter current references taking into consideration the compensation and load type are presented. For this PV generation system, a dual four-leg, two-level inverter is proposed. It provides full unbalanced compensation owing to the fourth leg of the inverter and also extends the AC voltage, which is important when this compensation is required. To control this inverter, a control scheme for the inverter that considers several compensation factors is proposed. A vector voltage modulator associated with the controller is another aspect that is addressed in the paper. This modulator considers the balance between the DC voltages of the inverters. Several compensation schemes are verified through computational tests. The results validate the effectiveness of the proposed PV generation system.info:eu-repo/semantics/publishedVersio
Microgrids Power Quality Enhancement Using Model Predictive Control
In electric power systems, any deviation with respect to the theoretical sinusoidal waveform is considered to be a disturbance in the power quality of the electrical grid. The deviation can alter any of the parameters of the waveform: frequency, amplitude, and symmetry among phases. Microgrid, as a part of the electric power system, has to contribute providing an adequate current waveform in grid connected-mode, as well as to guarantee similar voltage features than the standard requirement given for public distribution grids under normal exploitation conditions in islanded mode. Adequate power quality supply is necessary for the correct compatibility between all the devices connected to the same grid. In this paper, the power quality of microgrids is managed using a Model Predictive Control (MPC) methodology which regulates the power converters of the microgrids in order to achieve the requirements. The control algorithm is developed for the following microgrids working modes: grid-connected, islanded, and interconnected. The simulation results demonstrate that the proposed methodology improves the transient response in comparison with classical methods in all the working modes, minimizing the harmonic content in the current and the voltage even with the presence of non-balanced and non-harmonic-free three-phase voltage and current systems
A New Control Technique for Multilevel Cascaded H-Bridge Inverters
Multi cell converters are one of the alternative topologies for medium-voltage industrial drives. For an application modulation (PWM) rectifier as front end Multi level cascaded H-bridge (CHB) converters have been presented as a good solution for high-power applications. The choice of single-phase PWM rectifiers for the input of the cells results in a reduced number of power switches and a simpler input transformer than the three phase equivalent. However, its control is not as straightforward. In this paper, the steady-state power balance in the cells of a single-phase two-cell CHB is studied. The ability to receive active power network or to deliver active power to the grid in each cell is analyzed according to the DC-link voltage and the desired output AC voltage value. Simulation results are shown to validate the presented analysis
Mitigation of Power Quality Problems Using Custom Power Devices: A Review
Electrical power quality (EPQ) in distribution systems is a critical issue for commercial, industrial and residential applications. The new concept of advanced power electronic based Custom Power Devices (CPDs) mainly distributed static synchronous compensator (D-STATCOM), dynamic voltage restorer (DVR) and unified power quality conditioner (UPQC) have been developed due to lacking the performance of traditional compensating devices to minimize power quality disturbances. This paper presents a comprehensive review on D-STATCOM, DVR and UPQC to solve the electrical power quality problems of the distribution networks. This is intended to present a broad overview of the various possible DSTATCOM, DVR and UPQC configurations for single-phase (two wire) and three-phase (three-wire and four-wire) networks and control strategies for the compensation of various power quality disturbances. Apart from this, comprehensive explanation, comparison, and discussion on D-STATCOM, DVR, and UPQC are presented. This paper is aimed to explore a broad prospective on the status of D-STATCOMs, DVRs, and UPQCs to researchers, engineers and the community dealing with the power quality enhancement. A classified list of some latest research publications on the topic is also appended for a quick reference
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
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
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