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.

Among the multilevel (ML)-voltage source converters (VSCs) for medium voltage (MV) and high power (HP) applications, the most used power topology is the three level (3L)-neutral point clamped (NPC)-VSC, due to its features such as common direct current (DC)-bus capability with medium point, absence of switches in series-connection, low part count, and straightforward control. The use of MV-insulated gate bipolar transistor (IGBT) modules as power switches offers further advantages like inexpensive gate drivers and survival capability after short-circuit. However, the IGBT modules have a reduced life cycle due to thermal stress generated by load cycles. Despite the advantages of the 3L-NPC-VSC, its main drawback is the uneven power loss distribution among its power devices. To address this issue and to improve other characteristics, more advanced ML converters have been developed. The 3L-active neutral point clamped (ANPC)-VSC allows an improved power loss distribution thanks to its additional IGBTs, which increase the number of feasible zero-states, but needs a loss balancing scheme to choose the proper redundant zero-state and a more complex commutation sequence between states. The 3L-neutral point piloted (NPP)-VSC improves the power loss distribution thanks to the use of series-connected switches between the output terminal and the positive and negative DC-link terminals. Other advanced power topologies with higher amount of levels include the 5L-ANPC-VSC, which has a flying capacitor per phase to generate the additional levels; and the 5L-stacked multicell converter (SMC), which needs two flying capacitors per phase. The goal of this work is to is to evaluate the performance of the aforementioned NPC-type ML converters with common DC-link, included the ones with flying capacitors, in terms of the power loss distribution and the junction temperature of the most stressed devices, which define, along with the nominal output voltage, the maximum power the converter can deliver. A second objective of this work is to describe the commutations of a MV 3L-ANPC-VSC phase leg prototype with IGBT modules, including all the intermediate switching states to generate the desired commutations.:Figures and Tables V Glossary XIII 1. Introduction 1 2. State of the art of medium voltage source converters and power semiconductors 5 2.1. Overview of medium voltage source converters 5 2.1.1. Multilevel Voltage Source Converter topologies 6 2.1.2. Application oriented basic characteristic of IGCTs and IGBTs 10 2.1.3. Market overview of ML-VSCs 11 2.2. IGBT modules for MV applications 12 2.2.1. Structure and Function 12 2.2.2. Electrical characteristics of the IGBT modules 15 2.2.3. Power losses and junction temperatures estimation 17 2.2.4. Packaging 19 2.2.5. Reliability and Life cycle of IGBT modules 21 2.2.6. Market Overview 23 2.3. Summary of Chapter 2 23 3. Structure, function and characteristics of NPC-based VSCs 25 3.1. The 3L-NPC-VSC 25 3.1.1. Power Topology 25 3.1.2. Switching states, current paths and blocking voltage distribution 26 3.1.3. Modulation of three-level inverters 28 3.1.4. Power loss distribution 32 3.1.5. “Short” and “long” commutation paths 33 3.2. The 3L-NPP-VSC 34 3.2.1. Power Topology 34 3.2.2. Switching states, current paths and blocking voltage distribution 35 3.2.3. Power Loss distribution 36 3.3. The 3L-ANPC-VSC 37 3.3.1. Power Topology 37 3.3.2. Switching states, current paths and blocking voltage distribution 38 3.3.3. Commutations and power loss distribution 39 3.3.4. Loss balancing schemes 57 3.4. The 5L-ANPC-VSC 60 3.4.1. Power Topology 60 3.4.2. Switching states, current paths and blocking voltage distribution 61 3.4.3. Commutation sequences 62 3.4.4. Power Loss distribution 70 3.4.5. Modulation and balancing strategies of capacitor voltages 70 3.5. The 5L-SMC 74 3.5.1. Power Topology 74 3.5.2. Switching states, current paths and blocking voltage distribution 75 3.5.3. Commutations and power loss distribution 78 3.5.4. Modulation and balancing strategies of capacitor voltages 80 3.6. Summary of Chapter 3 81 4. Comparative evaluation and performance of NPC-based converters 83 4.1. Motivation and goal of the comparisons 83 4.2. Basis of the comparison 83 4.2.1. Simulation scheme 85 4.2.2. Losses and thermal models for (4.5 kV, 1.2 kA) IGBT modules 86 4.2.3. Operating points, modulation, controllers and general parameters 88 4.2.4. Life cycle estimation 94 4.3. Simulation results of the 3.3 kV 3L-VSCs 97 4.3.1. Loss distribution and temperature at equal phase current 97 4.3.2. Maximum phase current 109 4.3.3. Life cycle 111 4.4. Simulation results of the 6.6 kV 5L and 3L-VSCs 115 4.4.1. Loss distribution and temperature at equal phase current 115 4.4.2. Maximum phase current 120 4.4.3. Life cycle 128 4.5. Summary of Chapter 4 132 5. Experimental investigation of the 3L-ANPC-VSC with IGBT modules 135 5.1. Goal of the work 135 5.2. Description of the 3L-ANPC-VSC test bench 136 5.2.1. Medium voltage stage 136 5.2.2. Gate drivers and digital signal handling 138 5.2.3. Measurement equipment 139 5.3. Double-pulse test and commutation sequences 140 5.3.1. Description of the double-pulse test for the 3L-ANPC-VSC 140 5.3.2. Commutation sequences for the double-pulse test 142 5.4. Commutation measurements 142 5.4.1. Switching and transition times 144 5.4.2. Type I commutations 145 5.4.3. Type I-U commutations 150 5.4.4. Type II commutations 150 5.4.5. Type III commutations 157 5.4.6. Comparison of the commutation times 157 5.4.7. Stray inductances of the “short” and “long” commutations 163 5.5. Summary of Chapter 5 167 6. Conclusions 169 Appendices 173 A. Thermal model of IGBT modules 175 A.1. General “Y” model 175 A.2. “Foster” thermal circuit 177 A.3. “Cauer” thermal circuit 178 A.4. From “Foster” to “Cauer” 179 A.5. Temperature comparison using “Foster” and “Cauer” networks 181 B. The “Rainflow” cycle counting algorithm 183 C. Description of the wind generator example 187 C.1. Simulation models 188 C.1.1. Wind turbine 188 C.1.2. Synchronous generator, grid and choke filter 189 C.1.3. Converters 189 C.2. Controllers 190 C.2.1. MPPT scheme 190 C.2.2. Pitch angle controller 191 C.2.3. Generator side VSC 192 C.2.4. Grid side VSC 193 D. 3D-surfaces of the maximum load currents in NPC-based converters 195 Bibliography 201 Bibliography 201 / Unter den Multilevel-Spannungsumrichtern für Mittelspannungs- und Hochleistungsanwendungen ist die am häufigsten verwendete Leistungstopologie der NPC-VSC, wegen seinen Merkmalen wie die Gleichstrom-Bus fähigkeit mit mittlerem Punkt, das Fehlen von Schaltern in Reihenschaltung, eine geringe Anzahl von Bauteilen und eine einfache Steuerung. Die Verwendung von Bipolartransistor Modulen mit isolierter Gate-Elektrode als Leistungsschalter bietet weitere Vorteile wie kostengünstige Gatetreiber und Überlebensfähigkeit nach einem Kurzschluss. Die IGBT-Module haben jedoch aufgrund der durch Lastzyklen erzeugten thermischen Belastung eine verkürzte Lebensdauer. Trotz der Vorteile des 3L-NPC-VSC ist der Hauptnachteil die ungleichmäßige Verteilung der Leistungsverluste zwischen den Leistungsgeräten. Um dieses Problem zu beheben und andere Eigenschaften zu verbessern, wurden fortgeschrittenere ML-Konverter entwickelt. Das 3L-ANPC-VSC ermöglicht dank seiner zusätzlichen IGBTs eine verbesserte Verlustleistungsverteilung, wodurch die Anzahl der möglichen Null-Zustände erhöht wird, es ist jedoch ein Verlustausgleichsschema erforderlich, um den richtigen redundanten Null-Zustand, und benötigt auszuwählende komplexere Kommutierungssequenz zwischen Zuständen. Das 3L-NPP-VSC verbessert die Verlustleistungsverteilung durch die Verwendung von in Reihe geschalteten Schaltern zwischen der Ausgangsklemme und den positiven und negativen Zwischenkreisklemmen. Andere fortgeschrittene Leistungstopologien mit einer höheren Anzahl von Stufen umfassen den 5L-ANPC-VSC, der pro Phase einen fliegenden Kondensator zur Erzeugung der zusätzlichen Stufen aufweist; und den 5L-SMC, der pro Phase zwei fliegende Kondensatoren benötigt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Leistung der oben genannten NPC-VSC, einschließlich der mit fliegenden Kondensatoren, hinsichtlich der Verlustleistungsverteilung und der Sperrschichttemperatur der am stärksten beanspruchten Geräte zu bewerten. Diese definieren zusammen mit der Nennausgangsspannung die maximale Leistung, die der Umrichter liefern kann. Ein zweites Ziel dieser Arbeit ist die Beschreibung der Kommutierungen eines MV 3L-ANPC-VSC- Prototyps mit IGBT-Modulen einschließlich aller Zwischenschaltzustände, um die gewünschten Kommutierungen zu erzeugen.:Figures and Tables V Glossary XIII 1. Introduction 1 2. State of the art of medium voltage source converters and power semiconductors 5 2.1. Overview of medium voltage source converters 5 2.1.1. Multilevel Voltage Source Converter topologies 6 2.1.2. Application oriented basic characteristic of IGCTs and IGBTs 10 2.1.3. Market overview of ML-VSCs 11 2.2. IGBT modules for MV applications 12 2.2.1. Structure and Function 12 2.2.2. Electrical characteristics of the IGBT modules 15 2.2.3. Power losses and junction temperatures estimation 17 2.2.4. Packaging 19 2.2.5. Reliability and Life cycle of IGBT modules 21 2.2.6. Market Overview 23 2.3. Summary of Chapter 2 23 3. Structure, function and characteristics of NPC-based VSCs 25 3.1. The 3L-NPC-VSC 25 3.1.1. Power Topology 25 3.1.2. Switching states, current paths and blocking voltage distribution 26 3.1.3. Modulation of three-level inverters 28 3.1.4. Power loss distribution 32 3.1.5. “Short” and “long” commutation paths 33 3.2. The 3L-NPP-VSC 34 3.2.1. Power Topology 34 3.2.2. Switching states, current paths and blocking voltage distribution 35 3.2.3. Power Loss distribution 36 3.3. The 3L-ANPC-VSC 37 3.3.1. Power Topology 37 3.3.2. Switching states, current paths and blocking voltage distribution 38 3.3.3. Commutations and power loss distribution 39 3.3.4. Loss balancing schemes 57 3.4. The 5L-ANPC-VSC 60 3.4.1. Power Topology 60 3.4.2. Switching states, current paths and blocking voltage distribution 61 3.4.3. Commutation sequences 62 3.4.4. Power Loss distribution 70 3.4.5. Modulation and balancing strategies of capacitor voltages 70 3.5. The 5L-SMC 74 3.5.1. Power Topology 74 3.5.2. Switching states, current paths and blocking voltage distribution 75 3.5.3. Commutations and power loss distribution 78 3.5.4. Modulation and balancing strategies of capacitor voltages 80 3.6. Summary of Chapter 3 81 4. Comparative evaluation and performance of NPC-based converters 83 4.1. Motivation and goal of the comparisons 83 4.2. Basis of the comparison 83 4.2.1. Simulation scheme 85 4.2.2. Losses and thermal models for (4.5 kV, 1.2 kA) IGBT modules 86 4.2.3. Operating points, modulation, controllers and general parameters 88 4.2.4. Life cycle estimation 94 4.3. Simulation results of the 3.3 kV 3L-VSCs 97 4.3.1. Loss distribution and temperature at equal phase current 97 4.3.2. Maximum phase current 109 4.3.3. Life cycle 111 4.4. Simulation results of the 6.6 kV 5L and 3L-VSCs 115 4.4.1. Loss distribution and temperature at equal phase current 115 4.4.2. Maximum phase current 120 4.4.3. Life cycle 128 4.5. Summary of Chapter 4 132 5. Experimental investigation of the 3L-ANPC-VSC with IGBT modules 135 5.1. Goal of the work 135 5.2. Description of the 3L-ANPC-VSC test bench 136 5.2.1. Medium voltage stage 136 5.2.2. Gate drivers and digital signal handling 138 5.2.3. Measurement equipment 139 5.3. Double-pulse test and commutation sequences 140 5.3.1. Description of the double-pulse test for the 3L-ANPC-VSC 140 5.3.2. Commutation sequences for the double-pulse test 142 5.4. Commutation measurements 142 5.4.1. Switching and transition times 144 5.4.2. Type I commutations 145 5.4.3. Type I-U commutations 150 5.4.4. Type II commutations 150 5.4.5. Type III commutations 157 5.4.6. Comparison of the commutation times 157 5.4.7. Stray inductances of the “short” and “long” commutations 163 5.5. Summary of Chapter 5 167 6. Conclusions 169 Appendices 173 A. Thermal model of IGBT modules 175 A.1. General “Y” model 175 A.2. “Foster” thermal circuit 177 A.3. “Cauer” thermal circuit 178 A.4. From “Foster” to “Cauer” 179 A.5. Temperature comparison using “Foster” and “Cauer” networks 181 B. The “Rainflow” cycle counting algorithm 183 C. Description of the wind generator example 187 C.1. Simulation models 188 C.1.1. Wind turbine 188 C.1.2. Synchronous generator, grid and choke filter 189 C.1.3. Converters 189 C.2. Controllers 190 C.2.1. MPPT scheme 190 C.2.2. Pitch angle controller 191 C.2.3. Generator side VSC 192 C.2.4. Grid side VSC 193 D. 3D-surfaces of the maximum load currents in NPC-based converters 195 Bibliography 201 Bibliography 201

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The demands of a modern way of life have changed the way power electronics systems work. For instance, the grid has to provide not only the service of delivering electrical energy but also the communication to enable interactions between customers and enable them to be producers of electrical energy, too. Thus, the smart grid has come into existence. The consequence of the smart grid is that consumers could be “smart.” The most obvious consumers are households, so the houses have to also be smart and must be equipped with various power electronics devices for producing and managing electrical energy. Again, all those devices have to communicate somehow and provide data for managing electrical energy in the house. Zoomed in further, novel, state-of-the-art measurement equipment could have been built from different power electronics devices, and communication among them would be necessary for good operation. Zoomed further in, communication among different pieces of power electronics devices (such as converters) could offer benefits such as flexibility, abstraction, and modularity. This thesis provides insight into different communication techniques and protocols used in power electronics systems. A top-down approach presents three different levels of communication used in real-life projects with all the challenges they bring, starting with the smart house, followed by the state-of-the-art impedance measurement unit, and finalizing with internal power electronics building block (PEBB) communication. In the case of a smart house, where the house is equipped with solar panels, charge controllers, batteries, and inverters, communication allows interoperation between different elements of the power electronics system, enabling energy management. Results show the operation of the system and energy management algorithm. A house of this type won first prize at an international competition where energy management was one of the disciplines. The impedance measurement unit consists of different power electronics devices. In this case, too, communication between devices enables the operation of the impedance measurement unit. Communication techniques used here are shown together with measurement results. Finally, inter-PEBB communication has been shown as an approach for interaction among the different elements inside the PEBB, such as controller, GDs, sensors, and actuators. Real-time communication protocol, including all challenges, is described and developed. This approach is shown to enable communication and synchronization among different nodes inside the PEBB. Communication enables all internal elements of the PEBB to be transparent outside the PEBB in the sense that data gathered from them could be reused anywhere else in the system. Also, this approach enables the development of distributed event (time) driven control, hardware and software, abstraction, high modularity, and flexibility. A very important aspect of inter-PEBB communication is synchronization. A simple technique of sharing a clock among the parts of a 6 kV PEBB has been shown. / M.S. / This thesis provides insight into different communication techniques and protocols used in power electronics systems. A top-down approach presents three different levels of communication used in real-life projects with all the challenges they bring, starting with the smart house and a custom device designed and developed to be a communication interface among different power electronics devices from different vendors, such as charge controllers or inverters, but with capabilities not only to communicate but to also provide a platform for the development of energy management algorithms used to make houses grid zero if not grid positive. Aside from the smart house, this thesis describes communication protocols and techniques used in the impedance measurement unit (IMU). This complex measurement device provides valuable and accurate impedance measurements and consists of different power electronics devices that need to communicate. Finally, at the power electronics building block (PEBB) level, real-time communication protocol with all challenges is described. Developed communication protocol provides communication and synchronization among different nodes such as GDs, sensors, and actuators inside the PEBB. This intra-PEBB communication and synchronization combined with inter-PEBB communication and synchronization provide the foundation for the development of truly distributed event- (time-) driven control as well as hardware and software abstraction.

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.

La presente tesis estudia, propone y realiza sus principales aportaciones en el campo del control para el convertidor CC/CA de tres niveles, sobre la topología denominada Neutral-Point-Clamped, aunque se puede extender a otras topologías y/o número de niveles. Se presenta una metodología de modelado que emplea funciones de conmutación de fase, el operador de promediado y la transformación D-Q, tal que los modelos obtenidos en el dominio D-Q contienen una información completa sobre la dinámica del sistema. La estrategia de conmutación se puede entender como una extensión de la estrategia PWM senoidal de dos a tres niveles. Esta estrategia es simple y no realiza el control de ninguna de las variables del sistema. En esta tesis, el controlador se encarga de regular todas las variables del sistema, incluido el equilibrio del bus de continua. Este es un enfoque diferente del convencional, donde el equilibrio del bus de continua se consigue mediante la elección adecuada de los estados redundantes del convertidor en la estrategia de conmutación, mientras que el resto de variables se regulan a través del controlador. Para la realización del controlador, se propone la técnica de control lineal multivariable LQR (Linear Quadratic Regulator), complementada con la técnica de control no lineal adaptativo denominada programación de ganancia (Gain Scheduling). Se presenta, además, una metodología de cálculo del controlador. Este control es versátil, abierto y adaptable. En cualquier caso, el controlador se puede adaptar a las necesidades concretas de cada aplicación. El cálculo del controlador se realiza mediante simulación con MatLab-Simulink. Los modelos matemáticos que emplean las funciones de conmutación del convertidor son aquellos que ofrecen un mejor compromiso entre velocidad de simulación y precisión. Para validar el control propuesto, se ha diseñado y construido un equipo experimental donde el controlador se ha mostrado aplicable, útil y eficaz en la regulación de las distintas cargas y aplicaciones experimentadas, incluso con carga no lineal, bajo diferentes condiciones de trabajo y variables a controlar, tanto en régimen permanente como en procesos transitorios. La rapidez y calidad de la respuesta transitoria es comparable a la de otros sistemas de control publicados. Es especialmente interesante el excelente control conseguido del equilibrio del bus de continua. Además, la robustez del control permite cancelar el error estacionario aunque diferentes parámetros del sistema presenten desviaciones significativas respecto los valores esperados. El uso de la programación de ganancia junto con la técnica LQR se ha mostrado muy efectivo, puesto que permite realizar diferentes tipos de control. Se ha comprobado la congruencia entre simulaciones y resultados experimentales obtenidos, lo que valida los modelos de simulación empleados y el proceso de diseño del controlador mediante simulación. / This dissertation study, propose and carry out the main contributions in the field of three-level inverter control, using the topology Neutral-Point-Clamped, although results can be extended to other topologies and/or number of levels. A procedure for modelling is presented, based on line-switching functions, moving average operator and D-Q transformation. Then, the obtained models in D-Q frame contain complete information about system dynamics. Switching strategy is simple and can be considered as an extension of two-level sinusoidal PWM to three level. The system variables are not controlled by the switching strategy. In this work, all the system variables are controlled by the regulator, including DC-link balance. This control approach is different than the conventional one, where DC-link balance is achieved by means of a proper selection of redundant states in the switching strategy, and the other variables are controlled by the regulator. The regulator is based on the multivariable linear control technique LQR (Linear Quadratic Regulator), in combination with the non-linear adaptive control technique Gain Scheduling. Moreover, a methodology for the calculation of the controller is presented. This controller is versatile, open and adaptable. However, the controller can be built depending on the concrete specifications of each application. The controller is calculated by means of simulation using MatLab-Simulink. The mathematical models based on the switching functions of the converter give the best trade-off between simulation speed and precision. In order to validate the proposed controller, an experimental prototype has been designed and implemented. Experimental results show that the controller is useful and effective for the regulation of different loads and applications, even with non-linear loads, different operation points and variables to control, in steady-state and transitory operation. Dynamic response speed and quality are similar to other control systems in the literature. The DC-link balance control achieved is specially interesting. Furthermore, steady-state error is cancelled due to the robustness of the controller, even though significant deviation of different system parameters are present. The use of Gain-Scheduling in combination with LQR is effective, allowing the calculation of regulators with different control strategies. Good agreement between simulations and experimental results has been found. This result validates simulation models and the design method for the controller, based on simulations.

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.

Orientador: Jose Antenor Pomilio / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-09T17:17:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_LeonardodeAraujo_D.pdf: 14156071 bytes, checksum: f544bd5c73e51000deee838abcc80fa7 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Nesta tese é introduzida uma nova estratégia de controle que permite a síntese de indutâncias negativas para realização da compensação série de linhas de transmissão. O método, que é baseado na estratégia SDR (Síntese Direta de Reatâncias), opera com realimentação de estados e requer a medição de variáveis locais. Em relação aos métodos tradicionais, usando capacitores, a compensação através de indutância negativa pode ter desempenho superior, pois é possível conseguir sistemas mais estáveis, sem risco de ressonâncias, e com desempenho dinâmico superior, o que permite a realização de outras funções desejáveis, tais como o amortecimento de oscilações eletromecânicas e a compensação de cintilação luminosa. Dada a elevada potência requerida pela aplicação, sugere-se a utilização do Conversor Multinível em Cascata Assimétrico, que apresenta alto rendimento e é capaz de produzir uma tensão de saída de baixo conteúdo harmônico. Para este conversor, foi introduzida uma estratégia de controle que permite uma implementação sem que sejam necessárias fontes CC. Sugere-se também um procedimento para escolha do capacitor de filtragem que permite uma redução da corrente no conversor para uma dada condição de operação. São apresentados alguns estudos sobre a estabilidade da compensação série com indutância negativa. Para a técnica de controle proposta, são realizados estudos de autovalores, que permitem verificar a robustez com variação de parâmetros. Através de simulações, verificasse a estabilidade com a presença de elementos não modelados na planta, como capacitâncias parasitas. Também são apresentados estudos sobre a estabilidade para um modelo de simulação da ressonância subsíncrona, que considera o modelo do gerador e características mecânicas do eixo da turbina. Os resultados obtidos com estes estudos de estabilidade, bem com os resultados experimentais, indicam que a técnica proposta é viável para a aplicação / Abstract: This thesis introduces a new control strategy of realizing negative inductances with static converters for series compensation of transmission lines. The proposed method, which is basedon DRS (Direct Reactance Synthesis) technique, requires state feedback of variables that can be measured locally. The use of negative inductances instead of capacitors may yield performance improvement because there is no risk of resonance and it is possible to obtain higher stability margins and better dynamic performance. Consequently, it is possible to realize some useful functions that are not possible with conventional strategies, just as flicker ompensation and smoothing of electromechanical oscillations. Series compensation requires high power static converters and, due to this, the use of the Asymmetrical Cascaded Multilevel Converters (ACMC) is suggested. This high efficiency power converter is capable of producing a low THD output voltage using less power switches than other topologies. This thesis also introduces a DC control strategy for ACMC, which may allow negative inductance implementation with no DC sources. It is also suggested a design procedure for choosing the filter capacitance that reduces the required current capability of the power converter. Some studies regarding the stability of series compensation with negative inductances were carried on. For the new control strategy, it was possible to perform the eigenvalues analysis, that proved therobustness under some parameters variations. The stability considering elements that were not modeled, just as stray capacitances or generator and turbine shaft, were tested through simulations. The simulations and experimental results corroborate to prove that the control strategy is suitable for this application / Doutorado / Energia Eletrica / Doutor em Engenharia Elétrica

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.