Submitted by Emanuel Varela Cardoso (emanuel.varela@ufcg.edu.br) on 2018-05-04T18:02:59Z No. of bitstreams: 1 ALVARO DE MEDEIROS MACIEL – TESE (PPGEE) 2015.pdf: 4680910 bytes, checksum: e3fc0741095b2b256a82c76474078d7b (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-04T18:02:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ALVARO DE MEDEIROS MACIEL – TESE (PPGEE) 2015.pdf: 4680910 bytes, checksum: e3fc0741095b2b256a82c76474078d7b (MD5) Previous issue date: 2015-02-06 / Atualmente aplicações utilizando conversores de energia nas indústrias e na área de transmissão de energias alternativas, como a energia eólica, têm feito surgir conversores que operam em média tensão. Esse fato ampliou as preocupações em relação ao nível de harmônicos em instalações onde a sensibilidade a este tipo de problema é elevada. Este trabalho discute fi ltros ativos multi-modulares (fi ltros cooperativos), bem como filtros multin veis, para lidar com as aplica c~oes de m edia tens~ao. No cen ario de ltros ativos foi desenvolvida uma solução que compensa a parcela fundamental da potência reativa e os componentes harmônicos de corrente de uma forma independente, com o objetivo de reduzir as perdas totais do sistema. Duas topologias são estudadas: uma usando dois conversores trifásicos fonte de tens~ao convencionais e uma em que um dos conversores trifásicos convencional é substituído por um conjunto formado por três pontes H interligadas na con guração estrela com o neutro isolado. Em relação aos fi ltros ativos implementados com conversores multiníveis são explorados dois conversores híbridos em cascata. Uma destas topologias já foi apresentada na literatura técnica como um sistema para acionamentos de máquinas, porém são implementadas duas novas abordagens para a regulação da tensão no barramento CC utilizando as técnicas PWM escalar e 'Level-Shifted'. A outra topologia é uma derivação da primeira para os sistemas a quatro. Aspectos técnicos tais como: a estratégia PWM, a distribuição de potência entre os conversores, as estratégias de controle e as perdas são abordadas para comparar com as soluções convencionais presentes na literatura. / Currently, the industrial demand for power converters operating in the medium voltage has increased concerns about the level of harmonics in installations where the sensitivity to this problem is high. This work discusses modular active lters (collaborative ltering) and multilevel lters (to deal with the applications of medium voltage). In such scenario, active lters are a solution that compensates the fundamental portion of reactive power and the harmonic current components in an independent way, with the aim of reducing the total system losses, was developed. Two topologies are shown: one using two conventional threephase voltage source inverters and other where one of the conventional three-phase converters is implemented with by a set formed by three H-bridge star-connected. In the case of active power lter implemented with multilevel power converters, two hybrid cascade converters are presented. The rst have been presented in the technical literature as a system to drive machinery, although at this work the innovation is on regulation of Dc-link voltages using scalar and 'Level-Shifted' PWM methods. The second is a derivation of the rst one for fourwire systems. Issues such as PWM strategy, the distribution of power between converters and control strategies are discussed. Keywords: power quality, medium voltage, active lters, multilevel converters.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This Ph.D. Dissertation presents contributions to the study of hybrid multilevel systems, analyzing several issues that compose this system, such as: topological variations of the output inverter stage and input rectifier stage, design methodologies, modulation strategies and control system. This extensive analysis is carried out because these issues are closely related, so that a modification in any element can affect the overall system performance. Initially, due to the enormous flexibility and large complexity to design hybrid multilevel converters, this work proposes a unified analysis for these converters, which are composed of several series-connected cells with distinct voltage levels, modulation strategies, topologies and/or semiconductor technologies. This unified analysis includes a detailed comparative analysis among distinct topologies and a new generalized design methodology. Different configurations of hybrid converters are proposed from this new design methodology, depending on the specifications imposed to the multilevel system. Therefore, this work can be used as a valuable tool to define an adequate hybrid configuration for a specific application. After, this work also proposes a new arrangement to implement the isolated voltage sources of the series-connected cells that compose a hybrid multilevel inverter. This new arrangement is based on the multipulse connection of uncontrolled rectifiers processing distinct power levels, unlike conventional multipulse converters. A new design methodology for this input stage is proposed in this work, defining the phase shifts among the secondaries of the isolation transformer to eliminate dominant harmonics from the current drawn from the utility grid even when the active power levels processed by rectifiers are different. This work also investigates the impact of the hybrid multilevel modulation strategy on the harmonic contents of the output voltages and input currents. After to demonstrate the negative impact of the modulation strategy on the input harmonic performance for some operating points, this Ph.D. Dissertation proposes a new modulation strategy that makes possible, together with an asymmetrical multipulse connection of rectifiers, to eliminate undesired harmonics from the input current in any operating point without affecting the output harmonic performance. Beyond these issues, this work also includes a qualitative analysis about hybrid multilevel inverters operating as actuators in closed-loop systems, to motivate a discussion about this new subject. Finally, several experimental results are presented to demonstrate the practical feasibility of some proposals of this Ph.D. Dissertation. / Esta Tese de Doutorado apresenta contribuições ao estudo de sistemas multiníveis híbridos, investigando vários temas que compõem esse sistema, tais como: variações topológicas do estágio inversor de saída e do estágio retificador de entrada, metodologias de projeto, estratégias de modulação e sistema de controle. Isso se deve principalmente ao fato que esses temas estão intimamente relacionados, de tal forma que uma alteração em qualquer elemento do sistema pode modificar o desempenho do todo. Inicialmente, devido à enorme flexibilidade e grande complexidade para projetar conversores multiníveis híbridos, esse trabalho realiza uma abordagem unificada desses conversores, que são compostos de várias células em série, com valores de tensão, estratégias de modulação, topologias e/ou tecnologias de semicondutores diferentes. Essa abordagem inclui uma análise comparativa entre várias topologias e uma nova metodologia de projeto generalizada. Assim, esse trabalho pode ser usado como uma importante ferramenta para definir um conversor híbrido adequado para uma determinada aplicação. Posteriormente, esse trabalho também propõe um novo arranjo para implementar as fontes de tensão isoladas das células que compõem um inversor multinível híbrido. Esse novo arranjo é baseado na conexão multipulso de retificadores não controlados que, ao contrário dos conversores multipulso convencionais, processam níveis distintos de potência. Uma nova metodologia de projeto generalizada é proposta nesse trabalho para esse estágio de entrada, determinando os ângulos de defasagem entre os secundários do transformador de isolação para eliminar harmônicas dominantes da corrente drenada da rede pública de energia, mesmo quando os retificadores processam níveis distintos de potência ativa. Esse trabalho também investiga o impacto da estratégia de modulação híbrida tanto no conteúdo harmônico das tensões de saída quanto no conteúdo harmônico das correntes de entrada. Após demonstrar o impacto negativo da estratégia de modulação no desempenho harmônico de entrada em alguns pontos de operação, essa Tese propõe uma nova estratégia de modulação que torna possível, juntamente com uma conexão multipulso assimétrica de retificadores, eliminar harmônicas dominantes da corrente de entrada em qualquer ponto de operação sem prejudicar o conteúdo harmônico das tensões de saída. Além desses assuntos, esse trabalho também realiza uma breve análise qualitativa do desempenho de inversores multiníveis híbridos em sistemas de controle em malha fechada, com o intuito de iniciar uma discussão sobre esse novo tema. Por fim, diversos resultados experimentais, tanto do estágio inversor de saída quanto do estágio retificador de entrada, são apresentados para demonstrar a viabilidade prática de algumas propostas dessa Tese de Doutorado.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This study proposes a modulation strategy based on geometric approach for a hybrid multilevel converter with single dc voltage source. This multilevel converter is composed of a three-phase three-level multilevel converter with neutral-point-clamped (NPC) connected in series with single-phase three-level full-bridge cells. The NPC converter operates at the fundamental frequency of the reference signals, and the switching angle of the switches is calculated to ensure that the fundamental component of the NPC converter output voltage is equal to the fundamental component of the reference voltage of the entire hybrid multilevel converter. Therefore, the full-bridge cells, which operate with pulse width modulation (PWM), do no process active power and they can be supplied by capacitors. However, to guarantee that the full-bridge cells operate in the linear region a common mode voltage is added on its reference signals. This work uses a systematic methodology for obtaining the region of possible values of common mode voltage to ensure the operation of the full-bridge cells in the linear region, it being possible to maintain the DC bus voltages regulated without distorting the output line-to-line voltages. Moreover, this study applies the hybrid multilevel converter with single DC source as input stage (rectifier) of medium-voltage variable speed drive systems, becoming an alternative for applications that require energy regeneration, high efficiency and input power factor as well as a satisfactory dynamic response. Simulation and experimental results are included to validate the analyzes presented in this work. / Este estudo propõe uma estratégia de modulação baseada em abordagem geométrica para um conversor multinível híbrido com única fonte de tensão contínua. Esse conversor multinível é formado por um conversor multinível trifásico três níveis com ponto neutro grampeado (NPC Neutral Point Clamped) conectado em série com células em ponte completa monofásicas de três níveis. O conversor NPC opera na frequência fundamental dos sinais de referência, e o ângulo de comutação dos interruptores é calculado para garantir que a componente fundamental da tensão de saída do conversor NPC seja igual à componente fundamental da tensão de referência de todo o conversor multinível híbrido. Dessa forma, as células em ponte completa, que operam com modulação por largura de pulso, não processam potência ativa e podem ser alimentadas por capacitores. Contudo, para que as células em ponte completa operem na região linear é adicionada uma tensão de modo comum nos seus sinais de referência. Esse trabalho utiliza uma metodologia sistemática para obtenção da região de possíveis valores de tensão de modo comum que garantem a operação das células em ponte completa na região linear, sendo possível manter as tensões nos capacitores dos barramentos CC reguladas sem distorcer as tensões de linha de saída. Ainda, esse trabalho aplica o conversor multinível híbrido com uma única fonte de tensão contínua como estágio de entrada (retificador) de sistemas de acionamento de velocidade variável para motores de média tensão, sendo uma alternativa para aplicação que demandam regeneração de energia, elevado rendimento e fator de potência de entrada, assim como uma resposta dinâmica satisfatória. Resultados de simulação e experimentais são incluídos para validar as análises apresentadas nesse trabalho.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This Master Thesis presents a methodology to compare different topologies and configurations of multilevel systems applied to drive medium voltage induction motors. Initially, it presents the input and output parameters that must be supplied by the power drivesystems manufacturer. Then, the mathematical models of the performance indexes used are presented, being, the total harmonic distortion, first order distortion factor and the power losses of the main semiconductors devices. After, it is presented a methodology that allows the amplitude selection of DC sources for the inverter with a specific number of cascaded Hbridge cells. A study regarding the hybrid multilevel modulation strategies and the impact of their variations on the semiconductors devices power losses of the output inverter is developed. Based on this study, it is proposed a new hybrid multilevel modulation technique, it minimizes the semiconductors power losses and allow the use of front-end uncontrolled rectifiers without modifying the total harmonic distortion of the output voltage inverter. After, it is developed a comparative study between the asymmetrical hybrid multilevel inverter and the symmetrical multilevel inverter, which enables the determination of the switching frequency for the one determined performance and the maximum switching frequency of each converter. This Master Thesis presents complementary methods of design of the hybrid multilevel inverter and a methodology that will make possible to choose the drive system that presents high efficiency and reduced cost, neither penalizing the energy quality of the utility grid nor the induction motor constraints. / Esta Dissertação de Mestrado apresenta uma metodologia para comparar diferentes topologias e configurações de sistemas multiníveis aplicados ao acionamento de motores de indução de média tensão. Inicialmente são apresentados os parâmetros de entrada e saída que devem ser fornecidos pelos fabricantes de sistemas de acionamento de alta potência. Então, são apresentados os modelos matemáticos dos índices de desempenho utilizados, sendo eles, distorção harmônica total, fator de distorção de primeira ordem e perdas nos dispositivos semicondutores principais. Posteriormente, é apresentada uma metodologia que permite selecionar a amplitude das fontes CC para um inversor com um número específico de células H-bridge conectadas em série. Um estudo a respeito das estratégias de modulação multinível híbrida e o impacto de suas variações sobre as perdas dos dispositivos semicondutores do inversor de saída é apresentado. Fundamentado neste estudo, é proposta uma nova técnica de modulação multinível hibrida, que minimiza as perdas nos semicondutores e permite o uso de retificadores não controlados no estágio de entrada sem modificar a distorção harmônica total da tensão de saída do inversor. Depois, é desenvolvido um estudo comparativo entre o inversor multinível híbrido assimétrico e o inversor multinível simétrico, que permite a determinação da freqüência de comutação para um rendimento específico e a máxima freqüência de comutação de cada conversor. Esta Dissertação de Mestrado apresenta métodos complementares de projeto de inversores multiníveis híbridos e uma metodologia que possibilitará escolher sistemas de acionamento que apresentem alta eficiência e custo reduzido, sem por isso prejudicar a qualidade da energia drenada da rede pública e fornecida ao motor de indução.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This dissertation deals with modulation techniques for multilevel diode clamped converters. The major challenge to be overcome by modulation strategies to these converters is the balance of the dc-link voltage capacitors, whilst minimizing the THD of output voltages. Among the modulation strategies reported in literature for this purpose are the carrier-based and space vector modulation techniques. Generally the space vetor methods select the nearest three vector to implement the desired output voltage vector. However, it is not always possible to remove the low frequency ripple in the dc-link voltage capacitors using this diagram vector. This work proposes a new space vector diagram that allows the elimination of the low frequency ripple in the dc-link voltage capacitors and guarantees the balance to the entire converter linear operation region, operating with any power factor load. Further constrains are derived based on the sign and magnitude of the output currents to determine the transition between the space vector diagram N3V and NS3V, making a hybrid modulation. As a result is possible to minimize the total harmonic distortion of the output voltages and to ensure the control of the averaged neutral point current. In order to make it possible to extend the results for converters with any number of levels, a carrier based modulation was proposed in this work where the modulation signals are chosen to ensure maximum use of the dc-link of the linear range of operation of converter, and eliminate low-frequency oscillation in the voltage capacitors. Moreover, it is proposed a space vector modulation strategy to back-to-back three level diode clamped converters, with the purpose to connect the wind power generation to the grid. This technique combines the utilization of the N3V and NS3V space vector diagrams for both converters connected to the same dc-link. Thus it is possible to establish a trade off between oscillation in the voltage capacitors and THD of output voltages. Experimental results and benchmarks are presented and demonstrate the good performance of the proposed methods. / Esta dissertação de mestrado trata de estratégias de modulação para conversores multiníveis com diodos de grampeamento. O principal desafio a ser superado por técnicas de modulação aplicadas a estes conversores é o de equilibrar as tensões dos capacitores do barramento CC, enquanto que minimizando a penalização da THD das tensões de saída. Dentre as principais estratégias de modulação com esse propósito abordadas na literatura, são as estratégias baseadas na comparação com portadora e as estratégias vetoriais. Geralmente os métodos de modulação vetorial utilizam os três vetores de comutação mais próximos do vetor de tensão de referência, N3V. Entretanto nem sempre é possível eliminar as ondulações de baixa frequência presentes nas tensões dos capacitores do barramento CC em toda faixa de operação do conversor utilizando essa divisão de setores. Este trabalho deriva um novo diagrama vetorial NS3V, que possibilita a eliminação das ondulações de baixa frequência das tensões dos capacitores do barramento CC na região linear do conversor, independente do fator de potência de operação. Além disso são obtidas restrições baseadas no sinal e nas magnitudes das correntes de saída para determinar a transição entre a modulação que utiliza o diagrama vetorial N3V e o diagrama vetorial NS3V, tornando a modulação híbrida. Com isto é possível minimizar a distorção harmônica das tensões de saída e assegurar o controle da corrente média sobre um período de comutação no ponto central do divisor capacitivo. Com objetivo de facilitar a extensão dos resultados para um número qualquer de níveis, a modulação baseada na comparação com portadora foi proposta nesse trabalho onde as tensões modulantes são escolhidas de forma a garantir a máxima utilização da tensão do barramento CC na faixa linear de operação do conversor, bem como eliminar as ondulações de baixa frequência presentes nas tensões dos capacitores. Ainda, é proposta uma estratégia de modulação vetorial para conversores com diodos de grampeamento de três níveis em configuração back-toback com o propósito de conectar sistemas de geração eólica à rede. Nesta estratégia de modulação é combinada a utilização dos diagramas vetoriais N3V e NS3V para ambos os conversores conectados ao mesmo barramento CC. Dessa forma é possível estabelecer um compromisso entre ondulação das tensões dos capacitores do barramento CC e THD das tensões de saída. Resultados experimentais e análises comparativas são apresentadas e demonstram a boa performance dos métodos propostos.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Multilevel converters are being increasingly employed nowadays, specially in mediumand high-voltage industrial applications. Even though these converters are able to synthesize output line-to-line voltages with a high number of levels, close to a sinusoidal waveform, their modulation is more complex than the one for two- and three-level converters. In this context, this dissertation proposes new modulation strategies for multilevel converters, specifically symmetrical and asymmetrical cascaded multilevel ones, composed of many full-bridges, or power cells, per phase. If the converter has one or more faulty cells, they can be bypassed and the converter can continue to feed the load, increasing the process reliability. However, the converter phase voltages must be modified so as to keep the output line-to-line voltages balanced. With the objective of proposing modulation strategies that allow the cascaded multilevel converters to satisfactorily operate under these conditions, an extensive bibliographical review of the existing modulation techniques has been carried out. The carrier-based modulation approaches were studied first. It could be noticed that all these strategies belong to a larger set of solutions for the obtention of the converter modulating phase voltages. This set is derived in this work, resulting in a generalized geometrical modulation strategy for symmetrical and asymmetrical cascaded multilevel converters with any number of levels and operating under normal or faulty conditions. As the faulty cells are restrictions for converter operation, for each fault condition the region that contains all the possible converter common-mode voltages, that compensate for the loss of cells, is derived. The choice of a common-mode pertaining to this set allows the entire converter synthesis capability to be explored. The modulating voltages are the sum of the reference and the common-mode voltages, maximizing the amplitudes of the output line-to-line voltages. For asymmetrical cascaded multilevel converters, the voltages synthesized by the highervoltage cells are restrictions for the operation of the lower-voltage ones. Concerning the Space Vector (SV) modulation, it was derived only for the asymmetrical cascaded multilevel converter. The higher-voltage and lower-voltage cells switch, respectively, with low frequency by the choice of the nearest vector to the reference, and with high frequency, by the choice of the three nearest vectors to the reference, in one switching period. The voltage synthesized by the higher-voltage cells is subtracted from the reference, resulting in the new reference for the lower-voltage cells, and so successively, until the cells with the lowest voltages. A specific switching sequence is defined off-line for each sector of the SV diagram. The algorithm is carried out in a modified αβo coordinate system, resulting in switching vector with only integer entries. The choice of the switching vectors considers all the possible redundancies in abc coordinates. At last, simulation and experimental results Abstract that prove the good performance of the proposed modulation strategies are presented. / Conversores multiníveis são cada vez mais empregados, especialmente em aplicações industriais de média e alta tens~ao. Apesar de serem capazes de sintetizar tensões de linha de saída com um grande número de níveis, se aproximando de uma forma de onda senoidal, sua modulação é mais complexa, quando comparada com conversores de dois ou três níveis. Neste contexto, esta dissertação propõe novas estratégias de modulação para conversores multiníveis, especificamente multiníveis em cascata simétricos e assimétricos, compostos por diversos full-bridges, ou células de potência, por fase. Caso uma ou mais células sofram faltas, estas podem ser retiradas de operação, e o conversor pode continuar a alimentar a carga, aumentando a confiabilidade do processo. Contudo, as tensõe de fase do conversor devem ser modificadas, a fim de manter as tensões de linha de saída equilibradas. Com o objetivo de propor estratégias de modulação que permitam aos conversores multiníveis em cascata operar satisfatoriamente nestas condições, foi realizada uma extensa pesquisa bibliográfica a respeito dos métodos de modulação já existentes na literatura. Primeiramente, foram estudadas estratégias de modulação baseadas em portadora. Pode-se perceber que estas pertencem a um conjunto maior de possíveis soluções para a obtenção das tensões modulantes para as fases do conversor. Este conjunto é derivado neste trabalho, resultando em uma estratégia generalizada de modulação com abordagem geométrica para conversores multiníveis em cascata simétricos e assimétricos com qualquer número de níveis, em operação normal ou sob faltas. Como as células com falta são restrições para o funcionamento do conversor, para cada condição de falta é definida a região que contém todas as possíveis tensões de modo comum que podem ser sintetizadas pelo conversor a fim de compensar a perda de células. A escolha de uma tensão de modo comum pertencente a este conjunto permite explorar toda a capacidade de síntese de tensão do conversor. As tensões modulantes são obtidas como a soma das tensões de referência de fase e de modo comum, maximizando as amplitudes das componentes fundamentais das tensões de linha de saída. Para os conversores multiníveis em cascata assimétricos, as tensões sintetizadas pelas células de maior tensão são restrições para a operação das demais. Quanto à modulação Space Vector (SV), optou-se por desenvolvê-la apenas para conversores multiníveis em cascata assimétricos. As células de alta tensão comutam em baixa frequência pela escolha do vetor mais próximo da referência, e as células de baixa tensão comutam em alta frequência pela escolha dos três vetores mais próximos da referência, em um período de comutação. A tensão sintetizada pelas células de alta tensão é subtraída da referência, resultando na nova referência para as próximas células, e assim sucessivamente até as células de menor tensão. Para cada setor do Resumo diagrama SV é definida off-line uma sequência de comutação específica. O algoritmo implementado realiza todos os cálculos em um sistema de coordenadas αβo modificado, resultando em vetores de comutação apenas com elementos inteiros. A escolha dos vetores de comutação a serem implementados considera todas as suas possíveis redundâncias em coordenadas abc. Por fim, são apresentados resultados de simulação e experimentais que comprovam o ótimo desempenho das estratégias de modulação propostas neste trabalho.

A utilização de conversores multiníveis tem sido uma importante alternativa para aplicações de alta potência e média tensão, graças aos altos níveis de potência alcançáveis por estas estruturas. Recentemente, esta topologia de conversores foi aplicada em sistemas com fontes alternativas para alimentar um sistema de geração distribuída, nos quais diferentes fontes de energia eram utilizadas. Com base nas características dos conversores multinível e sua potencial aplicabilidade em sistemas de geração distribuída, este trabalho tem como objetivo construir um sistema multinível conectado a rede de distribuição para utilização de fontes alternativas de energia como fontes primárias. Considerando que a energia fornecida pelas fontes alternativas pode sofrer variações, propõe-se a integração de sistemas armazenadores de energia, como capacitores, ao sistema multinível. Por isso, este trabalho desenvolve uma estratégia de controle para máxima transferência de potência ativa entregue à rede a fim de obter um fluxo ótimo. A topologia multinível deste trabalho possui em sua configuração dois módulos inversores conectados em série. Neste caso, é possível que pelo menos um desses inversores funcione com uma modulação em baixa frequência processando a maior parcela de potência. Assim, duas estratégias de controle modulação de fase e modulação de amplitude para a transferência de potência realizada pelo inversor de baixa frequência são analisadas. As vantagens e desvantagens de cada um dos métodos são expostas e então a estratégia mais adequada, no caso a modulação de amplitude, é utilizada na operação do conversor multinível. Além disso, são apresentados a modelagem das plantas e o projeto dos controladores de cada um dos módulos inversores. Por fim, a validação da proposta é feita através dos resultados de simulações e experimentais que mostram a capacidade do sistema de geração em transferir potência constante para a rede de distribuição e manter a corrente quase sem distorções em fase com a tensão. / The utilization of multilevel converters has been an important alternative for medium voltage applications with high power and power quality demand, thanks to the high power levels achievable for this kind of structure. Recently, this converter topology was proposed as a new possibility in renewable energy source applications, mainly in system delivering power to the grid, where different renewable energy resources may be used. Based on the characteristics of multilevel converters, and their potential applicability in distributed generation systems, this study aims to build a multilevel system that could be powered by renewable energy sources as primary sources and then connect them to a distribution grid. However, considering the energy produced by alternative sources can vary, it is analyzed the integration of a storage energy system in this multilevel topology. Taking into account this ends, the main concern of this study is related to the development of a control strategy to maximize the active power transferred to the grid. The multilevel topology employed in this study has two H-bridge inverter modules connected in series forming a cascaded configuration. Therefore, it is possible that at least one of these inverters, operating with a low frequency of modulation, process the majority of power with lower amount of losses. On this way, two control strategies for power transfer are analyzed. The advantages and disadvantages of each method are presented, and the most appropriated strategy is used in the operation of the multilevel converter system. In addition, it has been presented the design criteria for each controller and finally the validation of the proposed approach is done by mains of simulations and experimental results which show the ability of the converter to transfer constant active power to the grid and keep the grid current in phase with the grid voltage.

Made available in DSpace on 2016-12-12T20:27:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Marcos Vinicius Bressan.pdf: 3794882 bytes, checksum: c55b9af15d7d913dc3d962a990a792c4 (MD5) Previous issue date: 2014-02-18 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work present a new three-phase hybrid multilevel inverter, that is composed of two topologies in cascaded association. The three-phase NPC and the half-bridge modules are connected in series. This con¬nection increases the number of the output voltage levels, improves the output voltage quality and rises the power process by inverter. The theoretical analysis is presented, the switching states are investigated and the average and the RMS currents values in the semiconductors are verified. Based on the current values are projected the dc capacitors, and analyzed the semicondutors loss energy and the input currents of the inverter. Two modulation scheme are presented at proposed inver¬ter, the hybrid PWM and SVM modulation scheme. The first part of the experimental results are verified behavior of the multilevel power structure developed in laboratory. The second part of the experimen¬tal results evaluates quality of output voltage with different modulation scheme using of the mathematical tools THD and WTHD. / Este trabalho apresenta um novo inversor multinível híbrido trifásico, que é formado pela associação em cascata de duas topologias. No caso, um conversor NPC trifásico conectado em série a módulos de converso¬res meia ponte. A ligação em série desses conversores permite ampliar o número de níveis de tensão sintetizados pelo inversor, melhorar a qualidade da forma de onda da tensão de saída e o aumento da energia processada pelo inversor. Uma análise teórica do inversor é apresen¬tada, averiguando as etapas de operação e determinando os valores médio e eficaz da corrente nos semicondutores de potência. Com base nas análises dos valores médio e eficaz da corrente nos semicondutores dimensiona-se os capacitores de barramento, assim com a energia dissi¬pada pelos semicondutores e a análise teórica das correntes de entradas do inversor empregando de retificadores multipulsos. Também são apre¬sentadas duas técnicas de modulação ao inversor proposto: a técnica de modulação PWM híbrida e a SVM. Os resultados experimentais, em sua primeira parte, avaliam o comportamento da estrutura multinível desenvolvida em laboratório. Na segunda parte dos resultados experi¬mentais, avalia-se qualidade da forma de onda de tensão com diferentes técnicas de modulação utilizando das ferramentas matemáticas THD e WTHD.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This Thesis proposes a Space Vector Modulation for cascaded miltilevel converters with asymmetric cells under normal conditions and with faults in the power cells, avoiding converter saturation as much as possible. The switching state vectors and the voltage references are represented in the output line-to-line voltages coordinate system. Under this representation, the switching state vectors have only integer entries, easing the implementation of the proposed algorithm. The modulation is developed in a way such as to guarantee that the higher voltage cells switch at low frequency by the choice of only one vector per switching period, minimizing the switching losses. For the lower voltage cells (1pu), that switch with PWM, three algorithms were developed for defining the switching sequences: (i) offline, (ii) online and (iii) hybrid, where a carrier-based geometrical modulation and the SV are mixed in a simple and unified approach. The algorithm is described in a generic way, for converters with any number of levels, and then, simulation and experimental results are shown for, respectively, cascaded miltilevel converters with asymmetric cells with DC bus voltages ratio of 1:2:4pu and 1:2pu. The algorithm does not use conventional separation lines to find where the multiple references for the power cells are located inside the SV diagram. It also avoids converter saturation and, when it is unavoidable, detects its occurrence and changes the operation mode to overmodulation. This one is treated as a modification of the orignal algorithm, allowing the converter to operate with a wider range of modulation indexes and fault conditions. It is shown that two overmodulation modes can occur: in the first, there is still an area inside the SV diagram where overmodulation is avoided, and, in the second, the converter overmodulates during almost all the time. Modulation strategies are proposed for both cases, including the insertion of a bandpass filter in the second case, so as to minimize the distortions and unbalances that arise on the converter output line-to-line voltages during this operation mode. For the overmodulation, simulation and experimental results are also shown for cascaded miltilevel converters with asymmetric cells with DC bus voltages ratio of 1:2:4pu and 1:2pu. Finally, the final conclusions are drawn and future works are proposed. / Esta Tese propõe uma estratégia de modulação Space Vector (SV) para conversores multiníveis com células assimétricas em cascata durante operação normal e com faltas nas células de potência, garantindo a não ocorrência de saturação do conversor sempre que esta não for desejada, especialmente durante faltas. Os vetores de comutação e as referências de tensão são representados no sistema de coordenadas das tensões de linha de saída. Desta forma, os vetores de comutação apresentam apenas coordenadas inteiras, facilitando a implementação do algoritmo proposto. A modulação é desenvolvida de forma a garantir que as células de maior tensão comutem em baixa frequência, pela escolha de apenas um vetor por período de comutação, minimizando as perdas de comutação do conversor. Para as células de menor tensão (1pu), que comutam com PWM, foram desenvolvidos três algoritmos para definição das sequências de comutação: definição (i) offline, (ii) online e (iii) híbrida, onde as modulações geométrica com portadora e SV são mescladas em uma abordagem única e simplificada. O algoritmo SV é descrito de maneira genérica, para conversores com qualquer número de níveis, e, na sequência, são apresentados resultados de simulação e experimentais para, respectivamente, conversores multiníveis com células assimétricas em cascata com razão das tensões dos barramentos CC de 1:2:4pu e 1:2pu. Este algoritmo não faz uso de retas de separação convencionais para encontrar os domínios onde as múltiplas referências para as células de potência se encontram dentro do diagrama SV. Também evita ao máximo a saturação do conversor, e, quando esta é inevitável, detecta sua ocorrência e muda o modo de operação para sobremodulação. Esta é tratada por meio de modificações no algoritmo original, permitindo a operação do conversor com um maior número de índices de modulação e condições de falta. É mostrado que existem dois casos de sobremodulação durante faltas nas células de potência: no primeiro, ainda há uma área no interior do diagrama SV onde a sobremodulação é evitada, e, no segundo, o conversor sobremodula durante praticamente todo o tempo. São propostas estratégias de modulação para ambos os casos, incluindo a inserção de um filtro passa-faixa no segundo, para minimizar as distorções e os desequilíbrios que surgem nas tensões de linha de saída do conversor, quando este se encontra neste modo de operação. Para a sobremodulação, também são apresentados resultados de simulação e experimentais para os conversores multiníveis com células assimétricas em cascata com razão das tensões dos barramentos CC de 1:2:4pu e 1:2pu. Por fim, as conclusões finais são apresentadas e são propostos trabalhos futuros.

Made available in DSpace on 2016-12-12T17:38:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lucas M Cunico.pdf: 25684121 bytes, checksum: ea9738a6141379467e611c829e42ebe0 (MD5) Previous issue date: 2013-02-15 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The modular multilevel converter emerged as a new topology of multilevel converters, being introduced in 2002. The advantages of this topology are related to its modularity and scalability. This work presents the study and implementation of this converter, which includes the presentation of the main methods of modulation and voltage balancing of the foating capacitors and startup. The used modulation in modeled using switching functions, its allow one minimize the current ripple at system inductor due the correct selection of carriers shift angles. Moreover a current control and voltages equalization methodology are proposed. It is performed dynamic modeling and quantitative analysis of the converter and it is derived a design methodology. This methodology is used to design and build a 3 kVA prototype with bus voltage of 800 V. The results include transient analyses, efficiency, voltage charging and steady state. / O conversor modular multinível emergiu como uma nova topologia de conversores mutiníveis, sendo introduzido a partir de 2002. As vantagens desta topologia estão relacionadas a sua modularidade e escalabilidade. Este trabalho apresenta o estudo e implementação deste conversor, o que inclui a apresentação das principais metodologias de modulação e equilíbrio da tensão e pre-carga dos capacitores flutuantes. Apresenta-se um estudo da modulação por meio de funções de chaveamento que permite a minimização da ondulação de corrente nos indutores por meio da escolha adequada dos ângulos de defasagem das portadoras empregadas. Para que o projeto da estrutura seja possível, e realizada a modelagem dinâmica e a analise quantitativa do conversor em diferentes condições de operação, sendo derivada uma metodologia de projeto. Esta metodologia de posta a prova com a construção de um protótipo de 3 kVA com tensão de barramento de 800 V. Os resultados obtidos do protótipo incluem avaliações transitórias, verificação do rendimento, pre-carga e operação em regime.