One-dimensional spectral analysis techniques for multilevel PWM strategies

This paper presents a novel spectral analysis technique for multilevel modulation. Conventionally, such analyses use a double Fourier series technique, but this approach can become intractable when complex reference waveforms (e.g., multilevel space vector offsets) and regular sampling processes are considered. In contrast, the strategy proposed in this paper separates the multilevel pulse width modulation (PWM) waveform into a spectral image of the reference, and sideband basis functions which are then expanded using a one-dimensional Fourier series. The coefficients of this Fourier series are defined by a one-dimensional Fourier integral that is simpler in form compared to the corresponding double integral associated with the double Fourier series. This analysis technique naturally incorporates regular sampling, and a discrete formulation is developed that enables complex PWM reference waveforms, including centered space vector offsets, to be solved. Results of this analysis are validated against previously published multilevel inverter double Fourier series results and matching switched simulations

Double-Carrier Phase-Disposition Pulse Width Modulation Method for Modular Multilevel Converters

Modular multilevel converters (MMCs) have become one of the most attractive topologies for high-voltage and high-power applications. A double-carrier phase disposition pulse width modulation (DCPDPWM) method for MMCs is proposed in this paper. Only double triangular carriers with displacement angle are needed for DCPDPWM, one carrier for the upper arm and the other for the lower arm. Then, the theoretical analysis of DCPDPWM for MMCs is presented by using a double Fourier integral analysis method, and the Fourier series expression of phase voltage, line-to-line voltage and circulating current are deduced. Moreover, the impact of carrier displacement angle between the upper and lower arm on harmonic characteristics is revealed, and further the optimum displacement angles are specified for the circulating current harmonics cancellation scheme and output voltage harmonics minimization scheme. Finally, the proposed method and theoretical analysis are verified by simulation and experimental results

Desenvolvimento Matemático de MMC Utilizando a Estratégia de Chaveamento PSCPWM

A maioria das dificuldades frequentemente presentes nos conversores multiníveis está vinculada ao dimensionamento de suas estruturas, principalmente referente à decisão sobre a quantidade de níveis (e, por consequência, o número de chaves a ser utilizado), sobre a frequência de chaveamento e sobre o valor do índice de modulação de amplitude que melhor se adeque à aplicação desejada. Usualmente o dimensionamento dos conversores, incluindo os MMCs é primeiramente realizado por intermédio de softwares de simulação para, por exemplo, determinar o conteúdo harmônico da tensão de saída do conversor, dispendendo considerável tempo e, portanto, dificultando qualquer alteração de parâmetro para efeitos de simulação. Dessa forma, este estudo se dedica a equacionar o conversor modular multinível em função da estratégia de chaveamento (a qual também afeta o conteúdo de distorção harmônica), do número de níveis, do nível de tensão e do conteúdo da distorção harmônica que se deseja atender. O objetivo principal é obter as equações inerentes ao conversor a fim de facilitar a manipulação do número de níveis, da frequência de chaveamento e do índice de modulação de amplitude, a fim de subsidiar a escolha do projetista sem a necessidade da modelagem e simulação de diversos conversores. A ferramenta escolhida para a modelagem matemática foi a transformada dupla de Fourier, pois, diferente da transformada rápida de Fourier, essa permite simultaneamente a variação dos índices da portadora e da onda fundamental, possibilitando análises de harmônicos de alta e baixa frequência múltiplos da portadora de forma simultânea e com boa precisão, facilitando a obtenção dos parâmetros ótimos do conversor. O equacionamento foi emulado em software matemático específico (MATLAB®) e os resultados confrontados em software de transitórios eletromagnéticos (PSCAD/EMTDC®) e implementados em FPGA a fim de garantir a veracidade e robustez do trabalho

Contributions on spectral control for the asymmetrical full bridge multilevel inverter

Las topologías de circuitos inversores multinivel pueden trabajar a tensiones y potencias mayores que las alcanzadas por convertidores convencionales de dos niveles. Además, la conversión multinivel reduce la distorsión armónica de las variables de salida y en algunos casos, a pesar del aumento de elementos de conmutación, también reduce las pérdidas de conversión al incrementarse el número de niveles. La reducción de distorsión alcanzada por el número de niveles puede aprovecharse para reducir las pérdidas de conmutación disminuyendo la frecuencia de las señales portadoras. Para reducir aún más esta frecuencia sin degradar el espectro, nosotros controlamos las pendientes de las portadoras triangulares. Primero se han desarrollado dos modelos analíticos para predecir el espectro del voltage de salida, dependiendo de: el índice de modulación MA, la razón de distribución de voltaje K de las fuentes de alimentación , y las cuatro pendientes de las portadoras{r1, r2, r3, r4}. El primer modelo considera el Muestreo Natural y se basa en Series Dobles de Fourier (SDF) mientras que el segundo modelo, utiliza la Serie Sencilla de Fourier (SSF) introduciendo el concepto de Muestreo Pseudo-Natural, una aproximación digital de la modulación natural. Ambos modelos son programados en Matlab, verificados con Pspice y validados con un prototipo experimental que contiene un modulador digital implementado con DSP.La concordancia entre las modulaciones natural y pseudo-natural, asi como entre sus respectivos modelos, es aprovechada por un algorítmo genético (AG) donde la THD es la función costo a reducir. Después de varios ensayos y de sintonizar el AG, se genera una matriz que contiene conjuntos de portadoras optimizadas dentro un rango específico de las variables {MA,K} y es probada con un segundo prototipo en lazo cerrado. Un lazo lento digital modifica las portadoras creadas por un dsPIC en modulaciones PWM; estas son demoduladas y sus amplitudes corregidas por un lazo de acción anticipada. Estas portadoras se comparan con una referencia sinusoidal que a su vez es modificada por variables de estado, generando finalmente la modulación multinivel en lazo cerrado. Los resultados finales demuestran la fiabilidad de la reducción de armónicos usando la programación de las pendientes de las portadoras. Palabras claves: inversor multinivel, PWM, distorsión armónica, modelo espectral, pendiente de portadora, conjunto de portadoras, distribución de niveles, Serie Doble de Fourier, Serie Simple de Fourier, muestreo natural, muestreo regular, muestreo pseudo-natural , Algoritmos Genéticos.Multilevel inverter (MI) topologies can work at higher voltage and higher power than conventional two-level converters. In addition, multilevel conversion reduces the output variables harmonic distortion and, sometimes, in spite of the devices-count increment, the conversion losses can also decrease by increasing the number of levels. The harmonic distortion reduction achieved by increasing the number of levels, can be used to further reducing the switching losses by decreasing the inverter carrier frequencies. To reduce even more the switching frequency without degrading output spectrum, we control the triangular carrier waveforms slopes. First, to achieve this target, two analytical models have been created in order to predict the inverter output voltage spectrum, depending on diverse parameters: the amplitude modulation index MA, the voltage distribution K of the inverter input sources, and the four carrier slopes {r1, r2, r3, r4}. The first model considers Natural Sampling and is based on Double Fourier Series (DFS) whereas the second model based on Simple Fourier Series (SFS), introduces the concept of Pseudo-Natural Sampling, as a digital approximation of the natural modulation. Both models are programmed in Matlab, verified with Pspice simulations and validated with a first experimental prototype with a DSP digital modulator.The good agreement between natural and pseudo-natural modulations, as well as their respective DFS and SFS models, is exploited by a Genetic Algorithm (GA) application where THD is the cost function to minimize. After testing and properly tuning the GA, a framework matrix containing the optimized carriers set for a specific range of variables {MA,K} is generated and then, tested with a second, closed-loop prototype. A slow digital loop modifies the carrier slopes created by dsPIC microcontroller as PWM modulations, whose amplitude, once demodulated, are affected by a feed-forward loop. These carriers, compared with a sinusoidal reference, state-feedback modified, generate finally the closed-loop multilevel modulation. The final results demonstrates the feasibility of harmonic reduction by means of carrier slopes programming. Keywords: multilevel inverter, PWM, harmonic distortion, spectral modeling, carrier slope, carriers set, level distribution, Double Fourier Series, Simple Fourier Series, natural sampling, regular sampling, pseudo-natural sampling, Genetic Algorithms

Control robusto basado en modelo de referencia de convertidores multinivel. Aplicación a filtros activos en conexión paralelo para corrección de armónicos en redes eléctricas de media tensión

En esta Tesis se presentan dos aportaciones novedosas principales. La primera es la propuesta del control Robusto basado en modelo de referencia (RMF) para regular las corrientes de salida y la tensión del Bus DC de un convertidor NPC de tres niveles, trabajando como Filtro Activo Paralelo (FAP) en redes de media tensión. La segunda aportación importante de la tesis es el desarrollo de nuevos modelos de pequeña señal del convertidor NPC-FAP de tres niveles, que permiten diseñar con mayor precisión tanto los reguladores de corriente como los reguladores de tensión de Bus de continua (DC) del convertidor. Se ha propuesto una metodología de modelado de convertidores trifásicos en el sistema de referencia síncrono dq0, y se han desarrollado los modelos de pequeña y gran señal del convertidor NPC de tres niveles, para una aplicación de filtro activo paralelo a tres hilos. Se han obtenido las funciones de transferencia necesarias para el control lineal del convertidor, deduciendo las funciones de transferencia necesarias para el control de la corriente inyectada por el filtro y de la tensión de Bus DC del convertidor. Se ha realizado un estudio de nuevas alternativas para el control de las corrientes del FAP y de la tensión del Bus DC. Tras analizar el control convencional PI, se propone un nuevo control robusto RMF, aplicando ambos controles tanto a la regulación de armónicos de corriente como al control de la tensión de Bus DC. Se analiza también un "controlador resonante" basado en Integradores Generalizados (PIS) aplicado al control de corriente del convertidor. En todos los casos se desarrolla una metodología de diseño de los controladores, tanto en tiempo continuo como en tiempo discreto, y se lleva a cabo un análisis comparativo entre los distintos reguladores propuestos, tanto de corriente como de tensión. Se llega a la conclusión de que la mejor opción para el lazo de corriente es el controlador PIS, mientras que el controlador RMF es el óptimo para el lazoMunduate Tellería, A. (2007). Control robusto basado en modelo de referencia de convertidores multinivel. Aplicación a filtros activos en conexión paralelo para corrección de armónicos en redes eléctricas de media tensión [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/1942Palanci

Medida de armónicos en el marco de los estándares IEC para la caracterización de variadores de frecuencia

En esta tesis se desarrolla una metodología de caracterización experimental de variadores de frecuencia que excitan motores de inducción, en función de los contenidos armónicos de sus salidas, mediante un plan de ensayos definido y un sistema que unifica todas las medidas, con la finalidad de conocer la calidad de la energía generada y detectar posibles fallos en los motores. Para ello, ha sido preciso primero conocer el contenido armónico que se pretende evaluar en el sistema variador-motor y también la forma de medirlo, para después desarrollar un sistema de medida y procesamiento de dicho contenido, basado en los conocimientos anteriores. Este sistema se ha inspirado en los analizadores de la red eléctrica que ya existen comercialmente y en su misma normativa internacional de medida de calidad de la red, pero adaptándolo a las necesidades específicas de medición a la salida de los variadores de frecuencia ensayados en esta tesis.Departamento de Ingeniería EléctricaDoctorado en Ingeniería Industria