Feed-forward Space Vector Modulation for Single-Phase Multilevel Cascade Converters with any DC voltage ratio

Modulation techniques for multilevel converters can create distorted output voltages and currents if the DC link voltages are unbalanced. This situation can be avoided if the instantaneous DC voltage error is not taken into account in the modulation process. This paper proposes a feed-forward space vector modulation method for a single-phase multilevel cascade converter. Using this modulation technique, the modulated output voltage of the power converter always generates the reference determined by the controller even in worst case voltage unbalance conditions. In addition the possibility of optimizing the DC voltage ratio between the H-bridges of the power converter is introduced. Experimental results from a 5kVA prototype are presented in order to validate the proposed modulation technique

Coordinated Control of Energy Storage in Networked Microgrids under Unpredicted Load Demands

In this paper a nonlinear control design for power balancing in networked microgrids using energy storage devices is presented. Each microgrid is considered to be interfaced to the distribution feeder though a solid-state transformer (SST). The internal duty cycle based controllers of each SST ensures stable regulation of power commands during normal operation. But problem arises when a sudden change in load or generation occurs in any microgrid in a completely unpredicted way in between the time instants at which the SSTs receive their power setpoints. In such a case, the energy storage unit in that microgrid must produce or absorb the deficit power. The challenge lies in designing a suitable regulator for this purpose owing to the nonlinearity of the battery model and its coupling with the nonlinear SST dynamics. We design an input-output linearization based controller, and show that it guarantees closed-loop stability via a cascade connection with the SST model. The design is also extended to the case when multiple SSTs must coordinate their individual storage controllers to assist a given SST whose storage capacity is insufficient to serve the unpredicted load. The design is verified using the IEEE 34-bus distribution system with nine SST-driven microgrids.Comment: 8 pages, 10 figure

Design and Control of Power Converters 2019

In this book, 20 papers focused on different fields of power electronics are gathered. Approximately half of the papers are focused on different control issues and techniques, ranging from the computer-aided design of digital compensators to more specific approaches such as fuzzy or sliding control techniques. The rest of the papers are focused on the design of novel topologies. The fields in which these controls and topologies are applied are varied: MMCs, photovoltaic systems, supercapacitors and traction systems, LEDs, wireless power transfer, etc

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

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

Autonomous power management of series-cascaded and hybrid microgrids

Microgrids with power electronics interfaced Distributed Generation units are gaining high popularity due to its zero emission characteristics. Control and coordination of these generation units are the most crucial factors that will determine the effective utilisation and flexibility of microgrids. Conventional microgrid structure with droop controlled parallel distributed generation units are being replaced by the series-cascaded structure due to its reduced conversion stages and inherent harmonic sharing capability. This research work first aims to develop a microgrid architecture integrating dispatchable and non-dispatchable distributed generation units in a series-cascaded manner. Existing control strategies for cascaded microgrids focus on dispatchable type generation only. However, adequate power sharing and voltage regulation of a microgrid containing mixed dispatchable and non-dispatchable cascaded generation units demand new control approaches to achieve operational performance and reliability comparable to the conventional parallel-topology microgrid. To ensure maximum utilisation of non-dispatchable units a novel microgrid architecture formed by a dispatchable master unit followed by a set of non-dispatchable slave photovoltaic units in a series-cascaded manner is developed. A fully decentralised control scheme is proposed, which achieves autonomous power balancing and voltage regulation, ensures full utilisation of non-dispatchable generation units, and allows surplus power curtailment under light load conditions. Further, this research work aims to extend the series topological arrangement to form a hybrid microgrid, where low voltage converters are cascaded as a string unit to achieve rated output voltage, and these strings are then paralleled to obtain higher redundancy and power rating. The extension of the arrangement to a hybrid microgrid requires the development of new control strategies, since existing schemes cannot be applied in their original form. As of now hybrid microgrids are controlled using either distributed or centralised schemes to achieve accurate power sharing among the distributed generation units at the cost of complex communication infrastructure. Therefore, a new control scheme is proposed for the hybrid microgrid which aims to achieve accurate power sharing among the paralleled units while maintaining adequate synchronisation among the cascaded converters without any communication link. Fundamental concepts as well as mathematical and simulation models of the existing and proposed control schemes are presented. All the proposed control strategies are validated through extensive simulation results and the series-cascaded microgrid control is validated through matching simulation and experimental results

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