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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsm.br:1/8497 |
| Date | 20 January 2012 |
| Creators | Carnielutti, Fernanda de Morais |
| Contributors | Pinheiro, Humberto, Rech, Cassiano, Mendes, Marcos Antônio Severo, Camargo, Robinson Figueiredo de |
| Publisher | Universidade Federal de Santa Maria, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, UFSM, BR, Engenharia Elétrica |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSM, instname:Universidade Federal de Santa Maria, instacron:UFSM |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 300400000007, 400, 500, 500, 500, 300, 500, 8aab6aac-f16b-4f23-8761-b8462475f027, 9a8b3253-7f18-40c9-a4ca-030f1ebee161, 0eff1f5c-63dc-4c86-a76c-a1128768b344, f08f9f4c-e011-40cc-b4b2-dd952ccf30d9, 05ac9c73-0ad3-4e43-bce4-955ac223e1d2 |
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