Control systems for high-power medium-voltage modular multilevel converter-based drives

Abstract

Hoy en día, la construcción de maquinaria y plantas industriales exigen soluciones de accionamiento con un diseño flexible y escalable. En sectores industriales como la petroquímica, la minería, la generación de energía, etc., existe una demanda de soluciones con alta eficiencia, seguridad integrada y respaldo de las compañías proveedoras. En este contexto, el Convertidor Multinivel Modular (MMC) ha aparecido como una opción prometedora para accionamientos de media tensión de alta potencia debido a sus características, como modularidad total, flexibilidad de control, niveles de media tensión, calidad de potencia y posible operación sin transformador. Por lo tanto, esta tesis discute la aplicación del MMC para accionamientos de máquinas. El modelado del MMC y sus sistemas de control asociados para esta aplicación son analizados ampliamente en este documento. Específicamente, se ha propuesto un nuevo modelado basado en coordenadas dq y su sistema correspondiente sistema de control para regular el valor instantáneo de las tensiones de los condensadores del MMC. Además, se ha propuesto la integración de los sistemas de control de la máquina y del MMC para mejorar el rendimiento general del sistema. Por ejemplo, se demostró que las corrientes circulantes requeridas durante bajas frecuencias ac se reducen al considerar la interacción de ambos sistemas de control. La efectividad de las estrategias de control propuestas se validó a través de extensos resultados experimentales, que se han publicado en dos artículos (IEEE Transactions on Industrial Electronics) y seis artículos de conferencia (indexados en la base de datos Scopus), así como contribuciones importantes en otros proyectos relacionados con el control de convertidores multinivel modulares. El prototipo utilizado se compone de 18 celdas de potencia. El sistema se controla utilizando un procesador de señales digitales y dos FPGAs. Un segundo MMC con 12 celdas de potencia también se usó para algunas pruebas, conformando una unidad Back-to-Back MMC. Se probó el rendimiento dinámico y en estado estable de las metodologías de control propuestas, considerando el arranque del MMC, cambios escalón tanto en el par y las corrientes de magnetización, rampas de velocidad, pruebas de cruce por velocidad cero, operación de rotor bloqueado, operación con flujo debilitado, diferentes condiciones de carga, manipulación de la tensión dc del MMC, etc. En todos los casos, el rendimiento alcanzado es consistente con los resultados esperados. Nowadays, machinery and plant construction are demanding drive solutions with flexible and scalable design. In industrial sectors such as petrochemical, mining, power generation, etc., there is a demand for solutions with high efficiency, integrated safety and support from the supplier companies. In this context, the Modular Multilevel Converter (MMC) has appeared as a promising option for high-power medium-voltage drives due to their characteristics, such as full modularity, control flexibility, medium-voltage levels, power quality and possible transformer-less operation. Thereby, this thesis discusses the application of the MMC as a machine drive. The modelling and control systems required for this application are extensively analysed and discussed in this document. Specifically, a novel dq-based modelling of the MMC and its associated control system has been proposed to regulate the instantaneous value of the MMC capacitor voltages. Additionally, the integration of the machine and MMC control systems has been proposed to enhance the performance of the overall system. For example, it was demonstrated that the required circulating currents during low-ac frequencies are reduced by considering the interaction of both control systems. The effectiveness of the proposed control strategies is validated through extensive experimental results, which have been published in two journal papers (IEEE Transaction on Industrial Electronics) and six conference papers (indexed in the Scopus database), as well as important contributions in other projects related to the control of modular multilevel converters. The downscaled prototype utilised is composed of 18 power cells. The system is controlled using a Digital Signal Processor and two Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). A second MMC with 12 power cells was also used for some tests, conforming a Back-to-Back MMC-based drive. The dynamic and steady-state performance of the proposed control methodologies were tested, considering the MMC starting-up, step changes in both the torque and magnetising currents, speed-ramps, zero-speed crossing test, rotor-locked operation, flux-weakening operation, different loading conditions, manipulation of the input voltage of the MMC, etc. In all cases, the achieved performance is consistent with the expected results.