Modular Multilevel Converters (MMCs), over recent years, have gained popularity in high-voltage(HV) and medium-voltage (MV) applications due to their high reliability. Also, with the rapid growth of solar photovoltaics (PV) and energy storage systems, there is a high demand for efficient and reliable power converter solutions. Therefore, due to the seen merits behind MMCs, this thesis assesses their performance for low-voltage (LV) applications. This is accomplished by comparing basic MMC solutions with an equivalent flying capacitors based solution. Such comparison is based on the evaluation of the passive elements requirements, semi-conductor losses, area, voltage, and current stresses, and common-mode voltage. It is worth mentioning that the evaluation is based on utilizing LV MOSFETs. Furthermore, the thesis introduces a modulation scheme for the full-bridge submodule MMC, thus further exploring the different operating regions of the full-bridge based MMC.

The Modular Multilevel Converter (MMC) is one of the most commonly used active converters in the high-/medium-voltage sector due to its many advantages such as high scalability, high efficiency, modularity and low harmonic contents. However, in low-voltage and high-current applications, classical MMC designs are not very economical. Recently there has been interest in a new design of modular multilevel converter with interleaved submodules (ISM-MMC) capable of using lower cost, lower current switches. The aim of this study is to compare several different design configurations for a given ISM-MMC topology including classical MMC and to give the best design approach taking into account the efficiency and energy density of the system. The power loss of ISM-MMC influence the final efficiency. The loss studied in this thesis mainly consists of conduction losses and switching losses in the semiconductor devices and inductor losses. An analytical calculation method is summarized and validated by the simulation result. The simulation result is carried out in PLECS model with different system components. Power density is determined by the output power and the converter dimension. The volume of semiconductor devices and passive components determine the general dimension of the converter. This thesis discusses the selection of semiconductor devices, inductor and capacitor in the system, with semiconductor devices constraining interleaved leg current and submodule voltage, inductor constraining output current ripple and capacitor constraining capacitor voltage fluctuation. After the specific components are designed, their dimensions are evaluated, and thus the power density of different configurations can be compared. / Den modulära multinivåomvandlaren (modular multilevel converter, MMC) är en av de mest använda aktiva omvandlarna inom hög-/mellanspänningssektorn på grund av dess många fördelar som hög skalbarhet, hög verkningsgrad, modularitet och lågt övertonsinnehåll. Men i lågspännings- och högströmsapplikationer är konventionella MMC-konstruktioner inte särskilt ekonomiska. Nyligen har det funnits intresse för en ny design av modulär flernivåomvandlare med interfolierade submoduler (ISM-MMC) som kan uppnå lägre kostnad, och använda mindre halvledarelement. Syftet med denna studie är att jämföra flera olika designkonfigurationer för en given ISM-MMC-topologi inklusive konventionell MMC och att ge den bästa designmetoden med hänsyn till systemets verkningsgrad och energitäthet. Effektförlusten för ISM-MMC påverkar den slutliga verkningsgraden. Förluster som studeras i denna avhandling består huvudsakligen av ledningsförluster och kopplingsförluster i halvledarenheterna och induktorförluster. En analytisk beräkningsmetod sammanfattas och valideras av simuleringsresultatet. Simuleringsresultatet utförs men en PLECS-modell med olika systemkomponenter. Effekttätheten bestäms av uteffekten och omvandlardimensionen. Volymen av halvledarenheter och passiva komponenter bestämmer omvandlarens allmänna dimension. Denna avhandling diskuterar valet av halvledarenheter, induktor och kondensator i systemet, med halvledarenheter som begränsar interfolierad benström och submodulspänning, induktor som begränsar utströmsrippel och kondensatorbegränsande kondensatorspänningsfluktuationer. Efter att de specifika komponenterna har valts utvärderas deras storlek, och därmed kan effekttätheten för olika konfigurationer jämföras.

Cette thèse porte sur la commande de réseaux multi-terminaux à courant continu (MTDC) basés sur des convertisseurs multiniveaux modulaires (MMCs).Tout d’abord, notre attention se focalise sur l'énergie stockée en interne dans le MMC qui constitue un degré de liberté additionnel apporté par sa topologie complexe. Afin d’en tirer le meilleur parti, les limites de l’énergie interne sont formulées mathématiquement.Afin de maîtriser la dynamique de la tension DC, l’utilisation de ce nouveau degré de liberté s’avère d’une grande importance. Par conséquent, une nouvelle de stratégie de commande, nommée «Virtual Capacitor Control», est proposée. Cette nouvelle méthode de contrôle permet au MMC de se comporter comme s’il possédait un condensateur de taille réglable aux bornes, contribuant ainsi à l’atténuation des fluctuations de la tension DC.Enfin, la portée de l’étude est étendue au réseau MTDC. L'un des défis majeurs pour un tel système est de faire face à une perte soudaine d'une station de convertisseur qui peut entraîner une grande variation de la tension du système. A cet effet, la méthode de statisme de tension est la plus couramment utilisée. Cependant, l'analyse montre que l'action de contrôle souhaitée risque de ne pas être réalisée lorsque la marge disponible de réserve de puissance du convertisseur est insuffisante. Nous proposons donc une nouvelle structure de contrôle de la tension qui permet de fournir différentes actions en fonction du signe de l'écart de la tension suite à une perturbation, associée à un algorithme qui détermine les paramètres de statisme en tenant compte du point de fonctionnement et de la réserve disponible à chaque station. / The scope of this thesis includes control and management of the Modular Multilevel Converter (MMC)-based Multi-Terminal Direct Current (MTDC).At first, our focus is paid on the internally stored energy, which is the important additional degree of freedom brought by the complex topology of MMC. In order to draw out the utmost of this additional degree of freedom, an in-depth analysis of the limits of this internally stored energy is carried out, and they are mathematically formulated.Then, this degree of freedom of the MMC is used to provide a completely new solution to improve the DC voltage dynamics. A novel control strategy, named Virtual Capacitor Control, is proposed. Under this control, the MMC behaves as if there were a physical capacitor whose size is adjustable. Thus, it is possible to virtually increase the equivalent capacitance of the DC grid to mitigate the DC voltage fluctuations in MTDC systems.Finally, the scope is extended to MMC-based MTDC grid. One of the crucial challenges for such system is to cope with a sudden loss of a converter station which may lead to a great variation of the system voltage. The voltage droop method is commonly used for this purpose. The analysis shows that the desired control action may not be exerted when the available headroom of the converter stations are insufficient. We thus propose a novel voltage droop control structure which permits to provide different actions depending on the sign of DC voltage deviation caused by the disturbance of system voltage as well as an algorithm that determines the droop parameters taking into account the operating point and the available headroom of each station.

Modular multilevel converters (MMCs) are the preferred converter solution in flexible ac transmission systems (FACTS) and high-voltage direct current (HVDC) applications. This is due to the high quality of the voltage and current signals, lower overall losses, and fewer problems with switching-related EMI. However, without an efficient and fast data recording system, the sampled data from current and voltage measurement boards can cause long latencies in the control system and make it difficult to analyze the operation of MMCs. In this thesis, a filed programmable gate array (FPGA)-based closed-loop control, and a high-speed data recording system is developed for a low-power singlephase MMC prototype. In the prototype, a data-transmission scheme based on the RS485 (TIA/EIA- 485) standard exists. This protocol offers a robust solution for transmitting data over noisy environments. A direct memory access (DMA) scheme is utilized to transmit sampled data from the programmable logic (PL) to the processing subsystem (PS) in the Zynq-7000 SOC. Moreover, an asymmetric multiprocessing (AMP) mechanism was implemented on the two processor cores in the PS. The first processor controls the power transmission to and from the power grid, and the second processor runs the ethernet application to transmit sampled data to the computer using MATLAB. For the closed-loop control of this MMC prototype, a phase-locked loop (PLL), a proportional resonant (PR) current controller, and an energy control loop for capacitor voltage balancing and control are implemented. The results showed that the output power of this single-phase MMC prototype is under control and each sub-module capacitor voltage is balanced and charged to the desired value. The sampled data can be recorded from the computer through the implemented data recording system at 25.6Mbps. Moreover, a dynamic oscilloscope function is developed in MATLAB using this online data recording scheme. / Modulära multilevel-omvandlare (MMC) är den föredragna omvandlarlösningen i flexibla växelströmstransmissionssystem (FACTS) och applikationer med högspänningslikström (HVDC). Detta beror på den höga kvaliteten på spännings- och strömsignalerna, lägre totala förluster och färre problem med omkopplingsrelaterad EMI. Utan ett effektivt och snabbt dataregistreringssystem kan dock samplade data från ström- och spänningsmätkort orsaka långa latenser i styrsystemet och göra det svårt att analysera driften av MMC:er. I denna avhandling utvecklas en FPGA-baserad styrning med sluten slinga och ett höghastighetsdataregistreringssystem för en lågeffekts enfas MMCprototyp. I prototypen finns ett dataöverföringssystem baserat på standarden RS485 (TIA/EIA-485). Detta protokoll erbjuder en robust lösning för att överföra data över bullriga miljöer. Ett schema för direkt minnesåtkomst (DMA) används för att överföra samplade data från den programmerbara logiken (PL) till bearbetningsundersystemet (PS) i Zynq-7000 SOC. Dessutom implementerades en asymmetrisk multiprocessing (AMP)-mekanism på de två processorkärnorna i PS. Den första processorn styr kraftöverföringen till och från elnätet, och den andra processorn kör ethernetapplikationen för att överföra samplade data till datorn med MATLAB. För styrning med sluten slinga av denna MMC-prototyp implementeras en faslåst slinga (PLL), en proportionell resonansströmkontroller (PR) och en energikontrollslinga för balansering och kontroll av kondensatorspänning. Resultaten visade att uteffekten från denna enfasiga MMC-prototyp är under kontroll och varje undermoduls kondensatorspänning är balanserad och laddad till önskat värde. Samplade data kan spelas in från datorn genom det implementerade dataregistreringssystemet vid 25,6 Mbps. Dessutom utvecklas en dynamisk oscilloskopfunktion i MATLAB med hjälp av detta onlinedataregistreringsschema.