Continuous control set model predictive control applied to modular multilevel converters for drive and wind energy applications

Abstract

El Convertidor Modular Multinivel (MMC) ha ganado atención en aplicaciones de alta potencia y voltaje medio debido a su modularidad, eficiencia y baja distorsión armónica. Esta tesis propone tres esquemas de control innovadores basados en el Control Predictivo de Modelo de Conjunto Continuo (CCS-MPC) para regular las tensiones de los capacitores del MMC. El primer enfoque utiliza un CCS-MPC de dos etapas para gestionar corrientes circulantes y controlar fluctuaciones de tensión. El segundo enfoque usa un CCS-MPC de una sola etapa para regular las tensiones y corrientes simultáneamente. Además, se presenta un tercer enfoque que implementa un CCS-MPC de un MMC Híbrido con generador sincrónico de imanes permanentes para energía eólica, asegurando el equilibrio de las tensiones en los capacitores sin utilizar corrientes circulantes. Estas estrategias mejoran el rendimiento y minimizan pérdidas del MMC. Además, estas fueron validadas experimentalmente y publicadas en revistas prestigiosas. Esta investigación también contribuye a otros proyectos relacionados con el control de convertidores modulares multinivel.

In recent years, the Modular Multilevel Converter (MMC) has gained attention for highpower and medium-voltage applications due to its modularity, efficiency, and low harmonic distortion. However, achieving optimal MMC operation requires multiple control objectives. Maintaining capacitor voltage within an acceptable range and reducing circulating current are key challenges in MMC control. This doctoral thesis proposes three innovative control schemes based on Continuous Control Set Model Predictive Control (CCS-MPC) to regulate MMC capacitor voltages. The first approach employs a two-stage CCS-MPC to manage circulating currents and control voltage fluctuations. The second approach uses a single-stage CCSMPC to govern voltage oscillations and circulating currents simultaneously. Additionally, a third approach is presented, implementing CCS-MPC for a Hybrid Modular Multilevel Converter integrated with a direct-drive Permanent Magnet Synchronous Generator in wind energy applications. This approach ensures converter energy balance without the need for circulating currents. The proposed control strategies improve MMC performance, minimise losses, and have been experimentally validated, with publications in reputable journals. The research also contributes to other projects related to modular multilevel converter control.