Development, modulation, and voltage balancing of multi-level converters and modular multilevel converters (MMCs)

Arazm, Saeed (2021). Development, modulation, and voltage balancing of multi-level converters and modular multilevel converters (MMCs). Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Multilevel converter (MLC) topologies with lower components counts along with higher power quality are still a major concern for industrial applications. Although in recent years, many MLCs have been proposed in the research area to increase the voltage levels, isolated DC sources and number of switching devices are the limiting factors for their applications in industries. Isolated DC sources not only, increase the weight, volume, and cost of the inverters due to the phase-shift transformer, but also, increase the power losses because of the rectifiers. Modular multilevel converters (MMCs) are the solution to replace the isolated DC source with a single DC source; however, multitudes of semiconductor devices must be utilized in the conventional and popular HB-MMCs to generate a given voltage level. DC fault current handling, voltage balancing in flying capacitors, and circulating currents are controversial issues for MMCs applications. In the first part of this thesis, a single DC source reduced components counts topology of the multilevel converter is proposed for single-phase and threephase systems. This unipolar topology called Z-Packed U-Cell (ZPUC) is used as a submodule of MMC (ZPUC-MMC) to increase the voltage levels over its counterparts. Voltage balancing integrated with phase-shift pulse width modulation (PS-PWM) is implemented on this converter to regulate the voltages of the capacitors. Higher voltage levels waveform generation with a lower total harmonic distortion (THD) makes this converter an appropriate alternative for high power and medium voltage applications such as motor drives. In the second part of this thesis, a deep-learning-based voltage balancing integrated with hybrid level-shift pulse width modulation (LS-PWM) and PS-PWM with a single reference voltage is implemented on ZPUC-MMC to increase the voltage levels. Simulation results in steady states are employed to train the deep-learning voltage balancer and it is implemented on ZPUC-MMC in the lab on both steady and transient states. In the final part of this thesis, PUC topology is developed as a single DC source three-phase Y-PUC converter. PUC converter requires three isolated DC sources for a three-phase system which limits its application. Y-PUC topology that is a modular multilevel converter (PUC-MMC) with PUC submodule is proposed to address this problem. Modular Y-PUC can be used in HVDC applications due that PUC is a bipolar converter, and it is capable to block DC fault current. Voltage balancing integrated with modulation technique is implemented in Y-PUC to illustrates the performance of the proposed converter in steady and transient states.

Titre traduit

Développement, modulation et équilibrage de la tension des convertisseurs multiniveaux et des convertisseurs modulaires multiniveaux (CMM)

Résumé traduit

Les topologies de convertisseurs multiniveaux (CMN) permettant de réduire le nombre de composants tout en améliorant la qualité de puissance restent une préoccupation majeure pour les applications industrielles. Bien qu’au cours des dernières années, de nombreux CMN aient été proposés dans le domaine de la recherche pour augmenter les niveaux de tension, les sources de courant continu (CC) isolées et le nombre de dispositifs de commutation sont les facteurs limitatifs de leurs applications dans les industries. Les sources de CC isolées augmentent non seulement le poids, le volume et le coût des onduleurs en raison du transformateur déphaseur, mais aussi les pertes de puissance en raison des redresseurs. Les convertisseurs multiniveaux modulaires (CMM) sont la solution pour remplacer la source CC isolée par une seule source CC; cependant, des multitudes de dispositifs à semi-conducteurs doivent être utilisés dans les demi-pont convertisseurs multiniveaux modulaires (DM-CMM) classiques et populaires pour générer un niveau de tension donné. La gestion du courant de défaut CC, l’équilibrage de la tension dans les condensateurs volants et les courants de circulation sont des questions controversées pour les applications des CMM. Dans la première partie de cette thèse, une topologie à nombre réduit de composants du convertisseur multiniveau est proposée avec une seule source de CC pour les systèmes monophasés et triphasés. Cette topologie unipolaire appelée Z-Packed U-Cell (ZPUC) est utilisée comme sous-module de CMM (ZPUC-CMM) pour augmenter les niveaux de tension par rapport à ses homologues. L’équilibrage de tension intégré à la modulation de largeur d’impulsion de déphasage (MLI-DP) est mis en oeuvre sur ce convertisseur pour réguler les tensions des condensateurs. La génération de niveaux de tension plus élevés avec une distorsion harmonique totale (DHT) plus faible fait de ce convertisseur une alternative appropriée pour les applications de haute et moyenne tension telles que les entraînements de moteur. Dans la deuxième partie de cette thèse, un équilibrage de tension basé sur l'apprentissage profond et intégré à la modulation par largeur d'impulsion à décalage de niveau (MLI-DN) et à la MLIDP hybrides avec une tension de référence unique est mis en oeuvre sur le ZPUC-CMM pour augmenter les niveaux de tension. Les résultats de simulation en état d’équilibre sont utilisés pour former l’équilibreur de tension d’apprentissage profond et il est mis en oeuvre sur ZPUCCMM dans le laboratoire sur les états stables et transitoires. Dans la dernière partie de cette thèse, la topologie PUC est développée comme un convertisseur Y-PUC triphasé à source unique en CC. Le convertisseur PUC nécessite trois sources CC isolées pour un système triphasé, ce qui limite son application. La topologie Y-PUC qui est un convertisseur modulaire multiniveau (PUC-CMM) avec sous-module PUC est proposé pour résoudre ce problème. Le Y-PUC modulaire peut être utilisé dans l’application HVDC en raison du fait que PUC est un convertisseur bipolaire, et il est capable de bloquer le courant de défaut CC. L’équilibrage de tension intégré avec la technique de modulation est mis en oeuvre dans Y-PUC pour illustrer les performances du convertisseur proposé dans des états stables et transitoires.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 173-186).
Mots-clés libres:	équilibrage de tension, convertisseur multiniveau, convertisseur multiniveau modulaire, ZPUC-CMM, Y-PUC, modulation, apprentissage profond, MLI-DP, MLI-DN
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Al-Haddad, Kamal
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	08 févr. 2022 15:32
Dernière modification:	08 févr. 2022 15:32
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2879

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