Doctor en Ingeniería Eléctrica / Hoy en día, la construcción de maquinaria y plantas industriales exigen soluciones de accionamiento con un diseño flexible y escalable. En sectores industriales como la petroquímica, la minería, la generación de energía, etc., existe una demanda de soluciones con alta eficiencia, seguridad integrada y respaldo de las compañías proveedoras. En este contexto, el Convertidor Multinivel Modular (MMC) ha aparecido como una opción prometedora para accionamientos de media tensión de alta potencia debido a sus características, como modularidad total, flexibilidad de control, niveles de media tensión, calidad de potencia y posible operación sin transformador. Por lo tanto, esta tesis discute la aplicación del MMC para accionamientos de máquinas. El modelado del MMC y sus sistemas de control asociados para esta aplicación son analizados ampliamente en este documento. Específicamente, se ha propuesto un nuevo modelado basado en coordenadas dq y su sistema correspondiente sistema de control para regular el valor instantáneo de las tensiones de los condensadores del MMC. Además, se ha propuesto la integración de los sistemas de control de la máquina y del MMC para mejorar el rendimiento general del sistema. Por ejemplo, se demostró que las corrientes circulantes requeridas durante bajas frecuencias ac se reducen al considerar la interacción de ambos sistemas de control. La efectividad de las estrategias de control propuestas se validó a través de extensos resultados experimentales, que se han publicado en dos artículos (IEEE Transactions on Industrial Electronics) y seis artículos de conferencia (indexados en la base de datos Scopus), así como contribuciones importantes en otros proyectos relacionados con el control de convertidores multinivel modulares. El prototipo utilizado se compone de 18 celdas de potencia. El sistema se controla utilizando un procesador de señales digitales y dos FPGAs. Un segundo MMC con 12 celdas de potencia también se usó para algunas pruebas, conformando una unidad Back-to-Back MMC. Se probó el rendimiento dinámico y en estado estable de las metodologías de control propuestas, considerando el arranque del MMC, cambios escalón tanto en el par y las corrientes de magnetización, rampas de velocidad, pruebas de cruce por velocidad cero, operación de rotor bloqueado, operación con flujo debilitado, diferentes condiciones de carga, manipulación de la tensión dc del MMC, etc. En todos los casos, el rendimiento alcanzado es consistente con los resultados esperados. Nowadays, machinery and plant construction are demanding drive solutions with flexible and scalable design. In industrial sectors such as petrochemical, mining, power generation, etc., there is a demand for solutions with high efficiency, integrated safety and support from the supplier companies. In this context, the Modular Multilevel Converter (MMC) has appeared as a promising option for high-power medium-voltage drives due to their characteristics, such as full modularity, control flexibility, medium-voltage levels, power quality and possible transformer-less operation. Thereby, this thesis discusses the application of the MMC as a machine drive. The modelling and control systems required for this application are extensively analysed and discussed in this document. Specifically, a novel dq-based modelling of the MMC and its associated control system has been proposed to regulate the instantaneous value of the MMC capacitor voltages. Additionally, the integration of the machine and MMC control systems has been proposed to enhance the performance of the overall system. For example, it was demonstrated that the required circulating currents during low-ac frequencies are reduced by considering the interaction of both control systems. The effectiveness of the proposed control strategies is validated through extensive experimental results, which have been published in two journal papers (IEEE Transaction on Industrial Electronics) and six conference papers (indexed in the Scopus database), as well as important contributions in other projects related to the control of modular multilevel converters. The downscaled prototype utilised is composed of 18 power cells. The system is controlled using a Digital Signal Processor and two Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). A second MMC with 12 power cells was also used for some tests, conforming a Back-to-Back MMC-based drive. The dynamic and steady-state performance of the proposed control methodologies were tested, considering the MMC starting-up, step changes in both the torque and magnetising currents, speed-ramps, zero-speed crossing test, rotor-locked operation, flux-weakening operation, different loading conditions, manipulation of the input voltage of the MMC, etc. In all cases, the achieved performance is consistent with the expected results.

Tesis para optar al grado de Doctor en Ingeniería Eléctrica / En este proyecto de tesis, se propone una estrategia de control predictivo (MPC, por sus siglas en inglés) basada en el concepto de secuencia de conmutación óptima (OSS) recientemente introducido para convertidores de punto neutro enclavado de tres niveles (3L-NPC) conectados a la red eléctrica. La metodología de control propuesta, llamada OSS-MPC en cascada (C-OSS-MPC), considera explícitamente el modulador en su formulación junto con el modelo del sistema. Como se verificó a lo largo de esta tesis, la estrategia C-OSS-MPC está formulada para el control de la corriente o el control directo de la potencia activa/reactiva como variables primarias de control, mientras que el problema del equilibrio de voltaje del enlace CC se resuelve sin utilizar factores de ponderación en un bucle de control interno basado en una novedosa y sencilla estrategia de control MPC. Por lo tanto, la metodología de control propuesta controla de manera óptima tanto el objetivo de control primario como los voltajes de los condensadores de este convertidor de potencia. Bajo esta perspectiva, la dificultad de diseñar el factor de ponderación se evita en este trabajo y el rendimiento del sistema controlado no se ve afectado por un punto de operación particular del convertidor conectado a la red. La estrategia MPC resultante permite operar el convertidor con un espectro armónico predefinido, frecuencia de conmutación fija y una respuesta dinámica rápida y robusta en todo el rango operativo del convertidor de potencia, superando las estrategias MPC existentes en la literatura para los convertidores de potencia. Además, se ha propuesto un nuevo y eficiente algoritmo de optimización para encontrar rápidamente la solución óptima con el fin de hacer posible una implementación en tiempo real de la estrategia de control propuesta. Finalmente, se proporcionan resultados experimentales y de simulación para demostrar la efectividad y el rendimiento de alta calidad de la estrategia de control propuesta, lo que hace que este enfoque de control no solo sea adecuado para las aplicaciones de convertidor de potencia conectado a la red, sino que también para accionamientos eléctricos de alta potencia.

Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica / Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Eléctrico / Microgrids are one of the key technologies to facilitate the integration of large amounts of renewable generation technologies to the main grid. The main power supplies inside the microgrid are power electronic devices which are responsible for energy conversion and provide the necessary control. Dynamical interactions between the microgrid and newly connected power electronic-based sources can lead to small-signal instability. Hence, several stability analysis approaches have been developed over the recent years, particularly methods to ensure stability by first dividing the system into source and load subsystems and then applying the Nyquist criterion to the respective source/load impedances ratio. Nevertheless, this aspect has been rarely studied considering droop-controlled inverters, as the active power droop control also impacts the output frequency of micro-sources and has a deep impact in the small-signal impedances of the inverters. The main objective of this thesis is to characterize the small-signal impedance of droop-controlled inverters typically used in microgrids through simplified models, in order to achieve a comprehensive understanding of their behavior. This work postulates as hypothesis that the general behavior of the small-signal impedance of droop-controlled inverters when operation conditions change can be characterized through the analysis of the transfer functions of linearized multi-input multi-output reduced-order inverter models, by contrasting them with the resulting small-signal impedances of more complex models. The obtained results show that the small-signal impedance of these inverters were effectively characterized, specially by one of the proposed models. Two indices were developed in order to quantify the graphically obtained results, which confirmed the performance of the developed models, specially with respect to DD, DQ and QD-Channels.The indices confirmed the identification of the operating variables that impact the small-signal impedance the most when perturbed. The results also indicate that the low-frequency range of the small-signal impedance is the most affected range when changing the operating conditions, as the high-frequency range tends to converge to the large-signal impedance. This work could lead to improved small-signal stability studies, in which one of the biggest problems nowadays is the dependence of the small-signal impedance on the changing operating point. / Conicyt Proyecto PFCHA/MagísterNacional/2017- 22172061