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

Onduleur quasi-Z-source pour un système de traction de véhicules électriques à sources multiples : contrôle et gestion

Abstract: Power electronics play a fundamental role and help to achieve the new goals of the automobiles in terms of energy economy and environment. The power electronic converters are the key elements which interface their power sources to the drivetrain of the electric vehicle (EV). They contribute to obtaining high efficiency and performance in power systems. However, traditional inverters such as voltage-source, current-source inverters and conventional two-stage inverters present some conceptual limitations. Consequently, many research efforts have been focused on developing new power electronic converters suitable for EVs application. In order to develop and enhance the performance of commercial multiple sources EV, this dissertation aims to select and to control the impedance source inverter and to provide management approaches for multiple sources EV traction system. A concise review of the main existing topologies of impedance source inverters has been presented. That enables to select QZSI (quasi-Z-source inverter) topology as promising architectures with better performance and reliability. The comparative study between the bidirectional conventional two-stage inverter and QZSI for EV applications has been presented. Furthermore, comparative study between different powertrain topologies regarding batteries aging index factors for an off-road EV has been explored. These studies permit to prove that QZSI topology represents a good candidate to be used in multi-source EV system. For improving the performance of QZSI applied to EVs, optimized fractional order PI (FOPI) controllers for QZSI is designed with the ant colony optimization algorithm (ACO-NM) to obtain more suitable aging performance index values for the battery. Moreover, this thesis proposes a hybrid energy storage system (HESS) for EVs to allow an efficient energy use of the battery for a longer distance coverage. Optimized FOPI controller and the finite control set model predictive controller (FCS-MPC) for HESS using bidirectional QZSI is applied for the multi-source EV. The flux-weakening controller has been designed to provide a correct operation with the maximum available torque at any speed within current and voltage limits. Simulation investigations are performed to verify the topologies studied and the efficacity of the proposed controller structure with the bidirectional QZSI. Furthermore, Opal-RT-based real-time simulation has been implemented to validate the effectiveness of the proposed HESS control strategy. The results confirm the EV performance enhancement with the addition of supercapacitors using the proposed control configuration, allowing the efficient use of battery energy with the reduction of root-mean-square value, the mean value, and the standard deviation by 57%, 59%, and 27%, respectively, of battery current compared to the battery-only based inverter.L'électronique de puissance joue un rôle fondamental et contribue à atteindre les nouveaux objectifs de l'automobile en termes d'économie d'énergie et d'environnement. Les convertisseurs d’électroniques de puissance sont considérés comme les éléments clés qui interfacent leurs sources d'alimentation avec la chaîne de traction du véhicule électrique (VE). Ils contribuent à obtenir une efficacité et des performances élevées dans les systèmes électriques. Cependant, les onduleurs traditionnels tels que les onduleurs à source de tension, les onduleurs à source de courant et les onduleurs conventionnels à deux étages qui constituent les onduleurs les plus couramment utilisés, présentent certaines limitations conceptuelles. Par conséquent, de nombreux efforts de recherche se sont concentrés sur le développement de nouveaux convertisseurs d’électroniques de puissance adaptés à l'application aux véhicules électriques. Afin de développer et d'améliorer les performances des VEs à sources multiples commerciales, cette thèse vise à sélectionner, contrôler l'onduleur à source impédante et fournit une approche de gestion pour l'application du système de traction du VE à sources multiples. Une revue concise des principales topologies existantes d'onduleur à source impédante a été présentée. Cela a permis de sélectionner la topologie de l’onduleur quasi-Z-source (QZS) comme architectures prometteuses pouvant être utilisées dans les véhicules électriques, avec de meilleures performances et de fiabilité. L'étude comparative entre l'onduleur bidirectionnel conventionnel à deux étages et de celui à QZS pour les applications du VE a été présentée. En outre, une étude comparative entre différentes topologies de groupes motopropulseurs concernant les facteurs d'indice de vieillissement des batteries pour une application du VE hors route a été explorée. Ces études ont permis de prouver que la topologie de l’onduleur QZS représente une bonne topologie candidate à utiliser dans un système de VE à sources multiples. Pour améliorer les performances de l’onduleur QZS appliquées aux véhicules électriques, des contrôleurs PI d'ordre fractionnaire (PIOF) optimisés pour l’onduleur QZS sont conçus avec l'algorithme de colonies de fourmis afin d'obtenir des valeurs d'indice de performance de vieillissement plus appropriées pour la batterie. De plus, cette thèse propose un système de stockage d'énergie hybride (SSEH) pour le VE afin de permettre une utilisation efficace de l'énergie de la batterie pour une couverture de distance plus longue et une extension de son autonomie. L’optimisation du contrôleur PIOF et du contrôleur par modèle prédictif d'ensemble de contrôle fini (CMP-ECF) pour l’onduleur QZS bidirectionnel a été appliqué au VE à sources multiples avec des approches de gestion appuyées par des règles. Le contrôleur d'affaiblissement de flux magnétique du moteur a été conçu pour fournir un fonctionnement correct avec le couple maximal disponible à n'importe quelle vitesse dans les limites de courant et de tension. Des investigations et des simulations sont effectuées pour vérifier les différentes topologies étudiées et l'efficacité de la structure de contrôleur proposée avec l’onduleur QZS bidirectionnel. De plus, une simulation en temps réel basée sur Opal-RT a été mise en œuvre pour valider l'efficacité de la stratégie de contrôle SSEH proposée. Les résultats confirment l'amélioration des performances du VE avec l'ajout d'un supercondensateur utilisant la configuration du contrôle proposée, permettant une utilisation efficace de l'énergie de la batterie avec une réduction de la valeur moyenne quadratique, de la valeur moyenne et de l'écart type de 57%, 59% et 27%, respectivement, du courant de la batterie par rapport à l'onduleur connecté directement à la batterie

Generalized discontinuous PWM strategy applied to a grid-connected modular multilevel converter

This paper presents a new PWM strategy for the control of active and reactive power flow, applied to a three-phase power inverter connected to a microgrid. Power quality and reactive compensation are essential in the integration of renewable energy sources in small grids (stand-alone mode or connected to the utility grid). The control algorithm of the grid-connected system is applied for voltage control. This technique provides independent control of the active and reactive power flow in the utility grid while maintaining constant the DC-link voltage. As a novelty, a Generalized Discontinuous PWM technique is implemented in the control algorithm of the grid-connected converter. Losses in the converter are reduced while the efficiency of the equipment is increased. As a technological innovation, in addition to the power flow control technique, a modular multilevel converter (MMC) is introduced. The main purpose of the system is to improve voltage unbalance and harmonic compensation in stand-alone grids. Some advantages of the model developed here include the cellular concept, easy thermal design, increased system efficiency and improvement in the system expansion capacity. The simulation model has been developed and tested using MATLAB/Simulink software

Harmonics Mitigation in Cascaded Multilevel PV Inverters During Power Imbalance Between Cells

This paper presents a grid connected multilevel topology for photovoltaic (PV) systems. Usually, multilevel converters for PV application suffer from a distorted output current and voltage when the submodules are not subjected to an even solar irradiance. The difference in submodules irradiance results in different submodules duty cycles when maintaining the maximum power point tracking (MPPT). The distortion of the output current is proportional with the difference of the cells duty cycles. To this regard, a multilevel topology for PV applications is proposed along with a control and modulation strategy. In this proposed topology, H6 bridge-based cell is used instead of an H-bridge one. In case of solar irradiance mismatch, the proposed converter injects power with less voltage from the shaded cells without altering the PV voltage, and hence, the MPPT. This modification allows retaining a tantamount duty cycle in all cells whatever the meteorological conditions are present. To test the effectiveness of the proposed idea, a detailed simulation model was set up. The results show that the proposed concept provides a significantly improved output current quality compared to the cascaded H-bridge topology

Study of new vector-control algorithms for 3-phase inverters used in renewable agents connected to the low-voltage utility grid with disturbances

[ESP] La demanda de energía eléctrica se ha ido incrementando a través de los años debido al desarrollo que han tenido el sector industrial y de transporte, sumándose además el aumento de la población mundial y el desarrollo de nuevas tecnologías que requieren mayor cantidad de energía. Por ello, y con el propósito de generar la energía eléctrica necesaria para suplir a estos sectores, el consumo de combustible ha presentado un aumento significativo. Así, la energía consumida en el año 2010 fue de unos 153,000 TWh y se prevé que para el año 2020 esta cifra ascienda a 184,000 TWh, siendo la mayor parte de esta energía proveniente de combustibles fósiles, aunque el futuro de esta tendencia es incierto. Además, la población mundial se está concienciando cada vez más de los efectos negativos medioambientales que está provocando el llamado “efecto invernadero” y, como consecuencia, se están creando una serie de políticas energéticas con el fin de reducir la generación de gases y partículas contaminantes. Una alternativa para reducir la dependencia de los combustibles fósiles y, a la vez, reducir las emisiones de los gases tóxicos causantes del efecto invernadero, es el uso de fuentes de energías renovables como la solar fotovoltaica y la eólica, así como el uso de pilas de combustibles para almacenamiento de energía, todas ellas a instalar en el mix energético. En este sentido, los nuevos agentes renovables que se conecten a la red eléctrica trifásica de baja tensión deben controlarse adecuadamente y cumpliendo con las legislaciones energéticas vigentes. En este sentido, deben diseñarse nuevas y sofisticadas estrategias de control con el propósito de controlar adecuadamente las corrientes de línea de los inversores de conexión a red utilizados en los agentes renovables cuando existan perturbaciones en la red eléctrica de baja tensión, tales como las variaciones de su frecuencia nominal, los desequilibrios en las tensiones trifásicas y la presencia de contaminación armónica de baja frecuencia. Por todo lo anteriormente mencionado, esta tesis está enfocada en el estudio de varios algoritmos de control y sincronización utilizados en inversores en fuente de tensión (VSI) para conexión a red que operan como los acondicionadores de potencia para los sistemas renovables. Los estudios realizados se aplican a un sistema fotovoltaico, pero pueden extenderse a cualquier tipo de agente renovable utilizado en un sistema de Generación Distribuida. [ENG] Throughout decades, the electric power demand has been rising due to the growth of the industrial sector and transportation, and the development of new technologies that require more energy together with the increase of the global population have led to a higher fuel demand needed for the electric energy generation. The global energy consumption in 2010 was 153,000 TWh and it is expected an increment to 184,600 TWh by 2020, the majority provided by fossil fuels, although the future of these trend is uncertain. Besides, greenhouse effect is causing environmental changes that concern mankind and the creation of new energetic policies is a fact. An alternative for reducing the fossil fuel dependence and the reduction of the greenhouse gas emission is the use of clean and infinite renewable energy sources such as photovoltaic, wind, as well as fuel cells for energy storage, which have been installed in the energetic mix. In this context, new renewable agents are connected to the 3-phase utility grid and must be properly controlled according to power electrical legislations. For this, new and sophisticated control algorithms are to be designed in order to control properly the line currents of the grid-connected inverter when variations of the nominal frequency, voltage unbalances and low-order harmonics are present in the 3-phase utility grid voltage. This thesis is focused in the study of several control and synchronization algorithms used in grid-connected Voltage Source Inverters (VSI) working as the power conditioner circuits for renewable energy systems. The study of these algorithms is carried out using a grid-connected photovoltaic system, but they can be extended to any renewable agent in any distributed generation system.Universidad Politécnica de Cartagen