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

Multi-objective Predictive Control of 3L-NPC Inverter Fed Sensorless PMSM Drives for Electrical Car Applications

This paper proposes a multi-objective FS-MPC approach based on three-step optimization for a surface-mounted PMSM fed by a 3L-NPC inverter. It helps to significantly reduce torque ripples, current harmonics while controlling the inverter's neutral point voltage. To overcome the drawbacks of using mechanical sensors, a sliding mode observer is used to estimate the machine speed and rotor angular position. Compared to existing works, the proposed control method is implemented using the proportionality between the electromagnetic torque and the current component on the q-axis to eliminate the computational redundancy related to the current and torque control. To further reduce torque ripples and current harmonics, a 3L-NPC inverter is used. Compared to other types of three-level inverters, it uses less power semiconductors and attenuates the problem of voltage fluctuation at the neutral point and current harmonics. Matlab/Simulink simulations of the proposed approach yield a current THD of 1.69 %

Power Converters in Power Electronics

In recent years, power converters have played an important role in power electronics technology for different applications, such as renewable energy systems, electric vehicles, pulsed power generation, and biomedical sciences. Power converters, in the realm of power electronics, are becoming essential for generating electrical power energy in various ways. This Special Issue focuses on the development of novel power converter topologies in power electronics. The topics of interest include, but are not limited to: Z-source converters; multilevel power converter topologies; switched-capacitor-based power converters; power converters for battery management systems; power converters in wireless power transfer techniques; the reliability of power conversion systems; and modulation techniques for advanced power converters

Active Modulation Strategy for Capacitor Voltage Balancing of Three-Level Neutral-Point-Clamped Converters in High-Speed Drives

In this paper, the equivalent relationship between the nearest-three-virtual space vector (NTV2) and carrier-based pulse-width-modulation (CBPWM) scheme is established based on space vector coordinate for a three-level neutral-point-clamped (3L-NPC) converter. Moreover, to solve the neutral-point (NP) voltage imbalance problem of the studied 3L-NPC converter-fed high-speed drives, an active modulation strategy with the generalized bias-offset injection technique is proposed. Meanwhile, the excessive computational burden is significantly overcome by the fast calculation approach. The effectiveness of the proposed modulation algorithm is validated through both simulation and experimental results obtained from a 45 kW, 32 krpm aircraft electric starter/generator (ESG) prototype system

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

A multilevel converter with a floating bridge for open-ended winding motor drive application

In this thesis, a dual inverter topology is considered as an alternative to a multilevel converter for the control of high speed machines. Instead of feeding to one end of the stator with a single power converter, this topology feeds from both sides of the stator winding using two converters, thus achieving multilevel output voltage waveforms across the load. A large amount of published work in the area of open end winding power converter topologies are focused on symmetrical voltage sources. This published research recognises the advantages of the converter system in terms of increased reliability, improved power sharing capability and elimination of common mode voltages when compared to traditional single sided three phase converter solutions. However isolated DC supplies come with the price of additional components thus increase size, weight and losses of the converter system. The aim of this project is, therefore, to investigate on reducing size, weight and losses of the open end winding motor drive by eliminating the need for isolated supply as well to achieve multilevel output voltage waveform. A traditional open-end winding induction motor drive has been analysed in terms of weight and losses and it has been clearly identified that the isolation transformer not only increases the size and weight of a drive system but also includes additional losses. A modified dual inverter system has then been proposed where one of the bridge inverters is floating, thus eliminated the need for isolated supplies. An asymmetric DC voltage sources ratio of 2:1 is utilised to achieve multilevel output voltage waveform across the load. The switching sequences are also analysed to identify the charging and discharging sequences to achieve control over floating capacitor voltage. This thesis describes the theoretical derivation of the modified converter model and algorithms as well as experimental results from an 11kW laboratory prototype