Control and modulation of modular multilevel converters

Abstract

The integration of renewable energy sources in the electrical grid is reducing our dependence on fossil fuels. However, to ensure feasibility and reliability of distributed energy generation, more efficient and higher power converters are required. The modular multilevel converter (MMC) is a modern topology of multilevel converter that is very attractive for medium- and high-voltage/power applications, including high-voltage direct current transmission systems and high-power motor drives. 
 The main features of the MMC are modularity, scalability to different power and voltage levels, redundancy and high quality output voltages and currents. However, the operation of the MMC is complex, and there are some issues that still have to be further investigated. One of these issues is the voltage ripples of the submodule (SM) capacitors. The voltage ripples define the minimum value of the capacitances needed for the converter, and therefore its overall size and cost. The use of a proper circulating current controller can reduce the voltage ripples. In this thesis, three techniques for calculating the circulating current reference are presented: two techniques based on optimization functions for minimizing the capacitor voltage ripples; and a fast-processing technique that provides results close to optimal.
 The capacitor voltage ripples can also be reduced by adding a zero-sequence signal to the modulation signals. In this thesis, the application of discontinuous modulation to the MMC is proposed for the first time. This technique is based on the injection of a discontinuous zero-sequence signal and highly reduces the switching power losses and capacitor voltage ripples. 
 Real applications of the MMC are composed of a high number of SMs. This implies a challenge in the control system, including the data acquisition system. A new technique for measuring the capacitor voltages with only a few sensors has been presented in this thesis. From the output voltage provided by a group of SMs, the individual voltage of each one of them can be acquired. Since acquisition cannot be performed at each sampling time, the capacitor voltages are calculated between samples using an estimation algorithm. 
 Reliability is a feature required in industrial applications. The structure of the MMC facilitates the existence of redundant SMs, but faults need to be detected and localized for deactivating the faulty component. This thesis presents a robust and fast strategy for detecting, localizing and correcting faults in SMs and voltage sensors. The technique is based on three additional sensors per arm, which measure the output voltage of a group of SMs and compare it with the expected voltage.
 Capacitance differences between the SMs can appear due to component tolerance or ageing of the capacitors. Capacitance mismatches cause uneven distribution of the power losses, thus increasing the thermal stress of some semiconductors, and therefore, their probability of failure. A power loss balancing technique has been proposed, equalising the losses in all the SMs and therefore avoiding the concentration of power losses in some SMs.
 Application of the MMC to motor drive applications has also been studied in this thesis. The operation of the MMC at low motor speeds/frequencies is still a challenge, since the capacitor voltage ripples are inversely proportional to the current frequency. In this thesis, it has been demonstrated that discontinuous modulation can help to reduce capacitor voltage ripples in motor drive applications, achieving very low speed operation. The technique is compared with other state-of-the-art methods, and it achieves similar capacitor voltage ripples and a significant reduction in power losses.
 All the control and modulation techniques proposed in this thesis have been studied by simulation in the MATLAB/Simulink environment and corroborated experimentally on low-power laboratory prototypes. La integració de fonts d’energia renovables a la xarxa elèctrica està reduint la nostra dependència dels recursos fòssils.
 Però per tal d’assegurar la viabilitat i fiabilitat de la generació d’energia distribuïda, fan falta convertidors estàtics més eficients i de més potència. El convertidor multinivell modular (MMC) és una topologia de convertidor multinivell recent, molt prometedora per aplicacions de mitja i alta potència, com són els sistemes de transmissió d’energia en corrent continua o els accionaments de motors d’alta potència.
 Els principals avantatges del MMC són modularitat, escalabilitat en tensió i potència, redundància i gran qualitat de la tensió i corrent de sortida. El funcionament del MMC, però, és complex i encara hi ha alguns problemes que s’han d’investigar amb més profunditat. Un dels problemes és l’arrissat de tensió del condensador de sub-mòdul (SM). L’arrissat de tensió defineix el valor mínim d’aquests condensadors i per tant, el seu cost. L’ús d’un corrent circulant adequat pot reduir l’arrissat de tensió. En aquesta tesi es presenten tres tècniques per calcular la consigna del corrent circulant: dues tècniques basades
 en funcions d’optimització que minimitzen l’arrissat de tensió i una tècnica d’aplicació més simple, la qual proporciona resultats pròxims als òptims però que es pot calcular més ràpidament.
 L’arrissat de tensió també es pot reduir afegint un component homopolar en els senyals de modulació. En aquesta tesi es proposa per primera vegada l’ús de la modulació discontinua per al MMC. Aquesta tècnica, basada en la injecció d’un component homopolar, permet una gran reducció de l’arris s at de tens ió i de les pèrdues de commutació.
 Les aplicacions reals del convertidor MMC es componen per un gran nombre de SMs. Això implica un repte en el disseny del sistema de control, particularment en l’etapa d’adquisició de dades. Aquesta tesi presenta un nou sistema de mesura per a les tensions dels condensadors de SM, en el qual es necessiten pocs sensors. A partir de la tensió de sortida d’un grup de sensors, el sistema pot adquirir la tensió de cada un d’ells. Com que l’adquisició no es pot fer a cada període de mostreig, entre adquisicions la tensió es calcula mitjançant un algoritme d’estimació.
 Un dels requisits de les aplicacions industrials és la fiabilitat. L’estructura del MMC permet l’ús de SMs redundants, però les fallades s’han de detectar i localitzar per tal de desactivar el component erroni. En aquesta tesi es presenta un sistema ràpid i robust de detecció, localització i correcció de fallades en SMs i sensors de tensió. El sistema es basa en l’ús de tres sensors addicionals per semi-branca, els quals mesuren la tensió de sortida d’un grup de SMs i la comparen amb la tensió esperada.
 A causa de la tolerància o l’envelliment dels condensadors , poden aparèixer diferències en la capacitat dels SMs. Aquestes diferències causen una mala distribució de les pèrdues dels semiconductors, incrementant l’estrès tèrmic d’alguns dels components i la probabilitat de fallada. Per això, es proposa un algoritme d’equilibrat de pèrdues, el qual iguala les pèrdues dels SMs i n’evita la concentració en algun SM.
 En aquesta tesi també s’ha estudiat l’aplicació del MMC en accionaments de motors. El funcionament del MMC a baixa velocitat/freqüència del motor és un repte encara no resolt, ja que l’arrissat de tensió dels condensadors és inversament proporcional a la freqüència del corrent. Aquesta tesi demostra que la modulació discontinua es pot utilitzar per reduir l’arrissat de tensió en aquesta situació, aconseguint un bon funcionament a molt baixa velocitat. En comparació amb altres tècniques actuals de baixa velocitat, la modulació discontinua aconsegueix un arrissat de tensió similar i una reducció de les pèrdues.
 Totes les tècniques proposades en aquesta tesi s’han estudiat mitjançant simulació en l’entorn MATLAB/Simulink i s’han corroborat experimentalment en prototips de laboratori.