Improved control for multilevel inverters in grid applications

Abstract

Control systems for three-phase grid connected voltage source inverters (VSI) play an important role in energy transformation systems . They are expected to be stable, robust and accurate during steady state as well as different grid faults and disturbances like voltage sags or unbalanced conditions. Caused by increasingly rising grid standards and efficiency requirements the use of multilevel inverter systems in grid connected low voltage applications are getting more and more attention. Nevertheless, the use of these inverter types leads to increased complexity of the control system and the hardware components.

This thesis presents an improved control scheme for multilevel inverters in grid applications. The system combines a robust and high-dynamic direct current control scheme called scalar hysteresis

En molts casos i, cada cop més, els sistemes de transformació energètica estan basats en convertidors en font de tensió connectats a la xarxa elèctrica trifàsica. Aquests convertidors necessiten de sistemes de control per controlar els fluxos energètics. Els sistemes de control han de ser estables, però també robustos i precisos durant el seu funcionament normal, però també en condicions on la xarxa pot presentar defectes, com curtcircuits, sots de tensió o desequilibris en la tensió. Degut a l'increment dels requeriments tècnics de connexió i d'eficiència energètica, els convertidors multinivell estan guanyant molt d'interès en aquest tipus d'aplicacions connectades a la xarxa tot i que el seu control i els seus components siguin més complexes. Aquesta tesi presenta un mètode de control per convertidors multinivell connectats a la xarxa elèctrica. El mètode combina la robustesa davant de canvis en el sistema així com una alta capacitat dinàmica per controlar el corrent injectat a la xarxa. El mètode presentat esta basat en l'anomenat Scalar Hysteresis Control (SHC) i incorpora un sistema feedforward que li permet seleccionar acuradament el punt de treball i seleccionar al millor estat de commutació en cada moment. La combinació del SHC amb el feedforward garanteix un comportament robust amb una alta dinàmica en totes les condicions de funcionament. El concepte bàsic del mètode feedforward proposat no usa sensors i està basat en detectar la tensió de l'inversor que inclou les components harmòniques. El mètode està basat en l'ús d'integradors generalitzats de segon ordre (second order generatlized integrators, SOGI) per tal de detectar les components harmòniques de la tensió de sortida de l'inversor. El sistema pot operar sense sensor de tensió, fins i tot en situacions de defecte de la tensió. Fins i tot, la informació extreta del SOGI es pot usar per altres llaços de control d'ordre superior com el control de la potencia usant les components simètriques. Per a determinar els millors estats de commutació de l'inversor amb el menor esforç s'usa en el mètode proposat en aquesta tesi un canvi de coordenades que usa valor enters. Aixo permet l'ús de relacions matemàtiques senzilles que es poden implementar fàcilment i que requereixen una menor potencia de càlcul. A més, el mètode és fàcilment generalitzable . En la tesi es presenten simulacions i resultats experimentals en convertidors multinivell de tres i cinc nivells per tal d'investigar i demostrar les funcionalitats del sistema de control proposat. Tant les simulacions com els resultats experimentals es realitzen en totes les condicions possibles de la xarxa elèctrica, estat estacionari, sots i distorsions harmòniques