Modeling, development and control of multilevel converters for power system application

Vahedi, Hani (2016). Modeling, development and control of multilevel converters for power system application. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The main goal of this project is to develop a multilevel converter topology to be useful in power system applications. Although many topologies are introduced rapidly using a bunch of switches and isolated dc sources, having a single-dc-source multilevel inverter is still a matter of controversy. In fact, each isolated dc source means a bulky transformer and a rectifier that have their own losses and costs forcing the industries to avoid entering in this topic conveniently. On the other hand, multilevel inverters topologies with single-dc-source require associated controllers to regulate the dc capacitors voltages in order to have multilevel voltage waveform at the output. Thus, a complex controller would not interest investors properly. Consequently, developing a single-dc-source multilevel inverter topology along with a light and reliable voltage control is still a challenging topic to replace the 2-level inverters in the market effectively.

The first effort in this project was devoted to the PUC7 inverter to design a simple and yet efficient controller. A new modelling is performed on the PUC7 inverter and it has been simplified to first order system. Afterwards, a nonlinear cascaded controller is designed and applied to regulate the capacitor voltage at 1/3 of the DC source amplitude and to generate 7 identical voltage levels at the output supplying different type of loads such as RL or rectifier harmonic ones.

In next work, the PUC5 topology is proposed as a remedy to the PUC7 that requires a complicated controller to operate properly. The capacitor voltage is regulated at half of dc source amplitude to generate 5 voltage levels at the output. Although the 7-level voltage waveform is replaced by a 5-level one in PUC5 topology, it is shown that the PUC5 needs a very simple and reliable voltage balancing technique due to having some redundant switching states. Moreover, a sensor-less voltage balancing technique is designed and implemented on the PUC5 inverter successfully to work in both stand-alone and gridconnected mode of operation.

Eventually, a modified configuration of the PUC5 topology is presented to work as a buck PFC rectifier. The internal performance of the rectifier is like a buck converter to generate stepped down DC voltages at the two output terminals while the grid sees a boost converter externally. As well, a decoupled voltage/current controller is designed and applied to balance the output voltages identically and synchronize the input current with grid voltage to have a PFC operation acceptably. A power balance analysis is done to show the load variation range limit.

All the theoretical and simulation studies are validated by experimental results completely.

Titre traduit

Modélisation, développement et contrôle des convertisseurs multiniveau pour les systèmes de puissance

Résumé traduit

Le but principal de ce projet est le développement d’une topologie d’onduleur multiniveau utile aux applications en puissance. Bien que plusieurs topologies différentes soient introduites, elles utilisent en général une multitude d’interrupteurs et de sources CC isolées. Avoir un convertisseur multiniveau avec une seule source CC est encore une technologie en développement. En fait, chaque source CC isolée représente un transformateur et un redresseur qui possèdent leurs propres pertes et prix et rendent la plupart du temps ses systèmes inintéressants pour l’industrie. D’un autre côté, les convertisseurs multiniveaux à source unique requièrent un contrôleur plus évolué pour réguler la tension des condensateurs flottants; un requis pour avoir la forme d’onde multiniveau en sortie. Or, un contrôleur est beaucoup moins intéressant pour un investisseur. Conséquemment, développer un onduleur multiniveau avec une seule source CC et un contrôle léger et robuste de la tension est encore un défi. Le remplacement des onduleurs à deux niveaux n’est pas pour tout de suite.

Le premier effort de ce projet est dévoué à l’onduleur PUC7 dans le design de son contrôleur afin qu’il soit simple et efficace. Le développement d’un nouveau modèle mathématique du PUC7 a été simplifié à un système du premier ordre. Par la suite, un contrôleur non linéaire en cascade est développé et appliqué pour réguler la tension des condensateurs au tiers de la tension d’alimentation. Cela permet de générer 7 niveaux de tension identiques à la sortie et peut alimenter des charges linéaires et non linéaires.

La topologie à cinq niveaux, le PUC5, est proposée pour remédier à la complexité du contrôleur du PUC7. La tension du condensateur flottant est régulée à la moitié de la tension d’alimentation afin de générer les niveaux de tension à la sortie. Malgré le nombre moindre de niveaux de tension, il est démontré que le PUC5 nécessite une technique de balancement très simple due à la redondance des niveaux de tension. De plus, une technique de balancement des condensateurs sans mesure de tension a été développée et implémentée en pratique sur le PUC5 en mode onduleur autonome et connecté avec le réseau électrique.

Une configuration modifiée de la topologie PUC5 est en cours de développement afin de fonctionner comme un redresseur abaisseur avec PFC. Les performances de cette topologie en tant que redresseur est très semblable à un montage abaisseur. Cependant, le réseau voit le convertisseur comme un montage élévateur. Le contrôleur est conçu afin de balancer la tension de sortie et pour synchroniser le courant d’entrée avec le réseau. Un bilan de puissance est réalisé afin de démontrer les variations limites de la charge.

Toutes les simulations et résultats théoriques sont validés expérimentalement.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 119-131.
Mots-clés libres:	Convertisseurs électriques Appareils et matériel Conception et construction. Redresseurs de courant électrique Appareils et matériel Conception et construction. Réseaux électriques (Circuits) Topologie. cascade de contrôle non-Linéaire, converter multiniveau, packed U-cell, PUC5, qualité de l'énergie, conversion de l'énergie renouvelable
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Al-Haddad, Kamal
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	01 mars 2017 14:50
Dernière modification:	01 mars 2017 14:50
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1816

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