Development of a single-phase modular multilevel converter for electrical power systems

Abstract

Com especial enfase nos últimos anos, tem-se verificado um aumento, tanto na demanda quanto no preço da energia elétrica, surgindo a necessidade de desenvolvimento de sistemas de conversão de energia elétrica mais eficientes. Neste contexto, esta Dissertação de Mestrado foca-se no estudo, simulação e desenvolvimento de um conversor modular multinível (modular multilevel converter, MMC) baseado na utilização de submódulos em meia ponte. O MMC tem como fator chave a modularidade, que permite atingir níveis de potência mais elevados, melhorar os sinais de saída de tensão e de corrente do conversor, e resultar numa uma solução mais compacta. O conceito de modularidade permite o aumento da tensão de operação do conversor utilizando submódulos em série, e o aumento da corrente de operação utilizando submódulos em paralelo. Adicionalmente, em caso de mau funcionamento de um submódulo, o conversor pode ser reconfigurado e continuar a operar, embora com um nível de potência inferior. Devido à versatilidade que o MMC permite, este pode ser utilizado em diversas aplicações, tais como sistemas de transmissão de energia em HVDC, sistemas ferroviários, transformadores de estado sólido e interface de energias renováveis. No âmbito desta dissertação foi desenvolvido um modelo de simulação com o software vocacionado para a eletrónica de potência PSIM, incorporando o sistema de potência e o sistema de controlo, com o objetivo de permitir uma análise completa do MMC proposto. No modelo PSIM foram considerados vários detalhes do circuito de potência, nomeadamente, os semicondutores utilizados e os filtros de acoplamento, e vários detalhes do circuito de controlo, concretamente o controlo digital com programação em linguagem C, bem como as funções a serem implementadas no protótipo experimental. Posteriormente à validação computacional em PSIM, foi desenvolvido um protótipo laboratorial (500 W, 230 V - 50 Hz, 200 VDC), agregando dois submódulos superiores ligados em série e dois submódulos inferiores também ligados em série, os respetivos circuitos de comando e de interface com o circuito de potência, circuitos de sensorização, circuitos de condicionamento de sinal, assim como a plataforma de controlo digital utilizando o DSP TMS320F28379D. Inicialmente, os resultados experimentais foram obtidos de forma independente para validar cada submódulo e, depois, mais relevante, foram obtidos resultados experimentais com o MMC a operar com o conjunto dos quatro submódulos.

With special emphasis in recent years, an increase has been verified not only demand, but also in the price of electric energy, emerging the need to develop more efficient electric energy conversion systems. In this context, this Master Dissertation focuses on the study, simulation, and development of a modular multilevel converter (MMC) based on the use of half-bridge submodules. The key to the MMC is the modularity, which allows the converter to reach higher efficiency levels, improving the voltage and current output signals of the converter, resulting in a compact solution. The modularity concept allows the increase of the operation voltage of the converter using submodules in series, and the increase the operating current using submodules in parallel. Additionally, in the event of a submodule malfunction, the converter can be reconfigured and continue the operation, albeit at a lower power level. Due to its versatility, the MMC can be used in a variety of applications such as HVDC power transmission systems, railway systems, solid state transformers and renewable energy interface. Within the scope of this dissertation, a simulation model was developed recurring to PSIM power electronics software, incorporating the power and control systems, in order to allow both low-level and high-level analysis of the MMC. In the PSIM model, several details of the power circuit were considered, namely, about the semiconductors used and the coupling filters, as well as several details of the control circuit, especially the digital control in C programming language with functions to be implemented in the experimental prototype. After the computational validation in PSIM, a laboratory prototype was implemented (500 W, 230 V - 50 Hz, 200 VDC), connecting two submodules in the upper arm in series, two submodules in the lower arm in series as well, the respective driver and command circuits, sensing and signal conditioning circuits, was well as a digital control platform recurring to the DSP TMS320F28379D. Initially, experimental results were obtained independently to experimentally validate each sub-module and, later, more relevantly, experimental results were obtained with the MMC operating with the set of four sub-modules.