Modeling, control, and implementation of compact multilevel converters for power quality applications

Kaymanesh, Amirabbas (2021). Modeling, control, and implementation of compact multilevel converters for power quality applications. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

To ensure access to affordable, reliable, and modern energy for all, increasing the penetration of renewable energies into the electricity grid is of great importance. Consequently, power quality-related challenges should be considered prudently. Therefore, the focal goal of this thesis is to develop various high-power-density multilevel converter topologies and the required controllers for improving the power quality of electrical systems efficiently and reliably.

First, a seven-level modified packed U-cell (MPUC7) based static synchronous compensator (MPUC7-STATCOM) with an autotuned finite control-set model predictive control (AFCSMPC) is introduced. In comparison with a seven-level cascaded H-bridge (CHB) based STATCOM not only, the proposed configuration has exceptionally reduced active/passive component count, but also MPUC7-STATCOM designed AFCS-MPC control method complexity is attenuated meaningfully. Boost-mode operation and low voltage rating of the components can be also mentioned as the merits of the MPUC7-STATCOM. Moreover, the weighting factors of the proposed AFCS-MPC are tunable automatically and effectively in real-time.

Second, a novel configuration of electric spring based on the modified five-level packed u-cell (MPUC5) inverter for mitigating harmonics and voltage fluctuations at various points of a grid with unstable generated power from distributed renewable energy sources is introduced. Moreover, operation principles, design procedure, and configuration of the MPUC5-based electric spring (MPUC5-ES) are presented. A simple and yet efficient controller without any extra control loop for regulating DC bus voltages has been also designed and applied to MPUC5-ES.

Third, a high-power-density multilevel capacitor-based electric spring (ES-1) configuration with boost-mode operation based on a seven-level modified packed U-cell converter (MPUC7- ES1) is presented. A novel control strategy based on finite control-set model predictive current control (FCS-MPCC) is also proposed for MPUC7-ES1 application. This algorithm is designed to predict the system behavior for all the conceivable switching vectors based on the discrete models of MPUC7-ES1 that is developed for the first time. Comparing to the conventional ES- 1 linear control methods, the proposed strategy has key merits including considering the dynamic models of ES-1 converter, not requiring a modulator, and lower switching frequency.

Fourth, aiming at delivering power to sensitive loads with an enhanced level of reliability and quality, a compact multilevel battery-based electric spring (ES-2) topology, founded on the Packed E-Cell (PEC) inverter, and its respective artificial neural network (ANN) based control strategy are introduced. From the reliability point of view, the PEC-based ES-2 (PEC-ES2) has the capability of instant nine to five-level operation under its bidirectional switch faulty condition. Regarding the power quality, in comparison with the half or full-bridge ES-2 topologies, PEC-ES2 has halved voltage rating switches, lower harmonic content in its output current and voltage, considerably lower switching frequency, higher power applications, etc. The proposed intelligent ANN-based controller can also tune and stabilize both the grid voltage and responsive load setup power factor independently and instantly with improved dynamic performance.

Steady-state and dynamic operations of the introduced compact multilevel electric spring and STATCOM topologies and the proposed control techniques are also illustrated through extensive simulation and experimental results.

Titre traduit

Modélisation, contrôle et implementation des convertisseurs compacts multiniveaux pour des applications de qualité de l’énergie

Résumé traduit

Pour garantir à tous l'accès à une énergie abordable, fiable et moderne, il est d'une grande importance d'accroître la pénétration des énergies renouvelables dans le réseau électrique. Par conséquent, les défis liés à la qualité de l'énergie doivent être considérés avec prudence. Pour cette raison, l'objectif principal de cette thèse est de développer différentes topologies de convertisseurs multiniveaux à haute densité de puissance ainsi que les contrôleurs nécessaires pour améliorer la qualité de l'énergie dans les systèmes électriques de manière efficace et fiable.

Tout d'abord, un compensateur synchrone statique basé sur des cellules U compactées modifiées à sept niveaux (MPUC7), soit (MPUC7-STATCOM), avec un contrôle prédictif (AFCS-MPC) est introduit. Par rapport à un compensateur synchrone statique basé sur un pont en H en cascade (CHB) à sept niveaux, la configuration proposée a un nombre de composants actifs/passifs exceptionnellement réduit, et le contrôle AFCS-MPC conçue par MPUC7- STATCOM est également simplifié. Le fonctionnement en mode Boost et la tension nominale plus basse des composants peuvent également être mentionnés comme qualités du MPUC7- STATCOM. De plus, les facteurs de pondération de l'AFCS-MPC proposé sont réglables automatiquement en temps réel.

Deuxièmement, une nouvelle configuration d’un ressort électrique basée sur l'onduleur modifié à cinq niveaux (MPUC5) est introduite pour atténuer les harmoniques et les fluctuations de tension à divers points du réseau en présence de sources d’énergies renouvelables. De plus, le principe de fonctionnement, la procédure de conception et la configuration du ressort électrique basé sur MPUC5, soit (MPUC5-ES), sont présentés. Un contrôleur simple et efficace, sans boucle de contrôle supplémentaire pour réguler les tensions du bus CC, a également été conçu et appliqué au MPUC5-ES.

Troisièmement, une configuration de ressort électrique à condensateur multiniveau à haute densité de puissance (ES-1) basée sur un convertisseur de cellules U à sept niveaux modifié (MPUC7), soit (MPUC7-ES1), est présentée. Une nouvelle stratégie de contrôle basée sur la commande prédictive (FCS-MPCC) est également proposée pour l'application MPUC7-ES1. Cet algorithme est conçu pour prédire le comportement du système pour tous les vecteurs de commutation possibles sur la base des modèles discrets de MPUC7-ES1 qui est développé pour la première fois. Par rapport aux méthodes de contrôle linéaire ES-1 conventionnelles, la stratégie proposée présente des avantages clés, notamment la prise en compte des modèles dynamiques du convertisseur ES-1, elle ne nécessite pas de modulateur et possède une fréquence de commutation inférieure.

Quatrièmement, afin de fournir de l'énergie aux charges sensibles avec un niveau de fiabilité et de qualité amélioré, une topologie compacte à ressort électrique à batterie (ES-2), fondée sur l'onduleur Packed E-Cell (PEC) et sur sa stratégie de contrôle basée sur un réseau de neurones artificiels (RNA), est introduite. Du point de vue de la fiabilité, l'ES-2 basé sur le PEC (PEC-ES2) a la capacité de fonctionner instantanément de neuf à cinq niveaux en cas de défaut sur l’un des commutateurs bidirectionnels. En ce qui concerne la qualité de l’énergie, par rapport aux topologies ES-2 à demi-pont ou à pont complet, pour le PEC-ES2 la tension des commutateurs est diminuée de moitié, le contenu harmonique est inférieur dans le courant et la tension de sortie, la fréquence de commutation est considérablement plus faible, des applications de puissance plus élevée sont possibles, etc. Le contrôleur intelligent proposé basé sur un RNA peut également régler et stabiliser indépendamment à la fois la tension du réseau et le facteur de puissance de la charge réactive avec des performances dynamiques améliorées.

Les opérations en régime permanent et dynamique du ressort électrique multiniveau compact introduit et des topologies STATCOM et les techniques de contrôle proposées sont également illustrées par des simulations approfondies et des résultats expérimentaux.

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 philisophy". Comprend des références bibliographiques (pages 191-202).
Mots-clés libres:	ressort électrique, STATCOM, convertisseur multiniveaux, MPUC5-ES, MPUC7- STATCOM, PEC-ES2, MPUC7-ES1, qualité de l'énergie, contrôle prédictif, RNA
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Chandra, Ambrish
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	08 févr. 2022 15:44
Dernière modification:	08 févr. 2022 15:44
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2880

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