Contributions to the design and operation of a multilevel-active-clamped Dc-Ac grid- connected power converter for wind energy conversion systems
Authors:   , Caballero Diaz Luis 
Published: August 2023

The demand of wind energy has considerably increased during the last decades. In order to fulfil this great energy demand, wind energy conversion systems (WECS) are designed to manage higher power ratings. Currently, the most attractive power converter topology in commercial WECS is the conventional two-level back-to-back voltage-source converter (2L-B2B). However, the 2L-B2B topology could have difficulties to achieve an acceptable performance with the available switching devices for the largest WECS, even though having the cost advantage. Instead, multilevel converters increase the power without increasing neither current nor blocking voltage of the power semiconductors, enabling a cost-effective design for the largest WECS using the available switching devices. Within the multilevel converters, the 3L-NPC topology offers high penetration in the market of large WECS. However, one of its major drawbacks is that the power loss is unevenly distributed among the switching devices. Therefore, the 3L-NPC output power capability is limited by the thermal performance of the most stressed switching device, which depends on the operating point. The 3L-ANPC topology was proposed in order to improve the power loss distribution among the power semiconductors. The 3L-ANPC provides a controllable path for the neutral current. Hence, the 3L-ANPC is able to offer certain freedom to distribute the power loss among the power semiconductors. As a consequence, and compared to the 3L-NPC, the thermal performance is more uniform and the output power capability increases. However, there is still room for improvement.
In light of the previous discussion, the proposed thesis defines enhanced design guidelines for the dc-ac grid-connected 3L-ANPC power converter, focused on improving its reliability and electrical performance, and following the trend of the current state of the art to define a feasible solution for the next generation of WECS. The thesis contributions are based on defining an enhanced power device configuration and a novel commutation sequence, avoiding concentrating both significant conduction and switching losses on a single power semiconductor device. This allows then selecting the most appropriate device for each converter position, which leads to a better converter efficiency and to a more uniform power loss distribution and thermal performance. This also leads to a higher converter power rating, and it is expected to improve the converter reliability.

La demanda de energía eólica ha incrementado considerablemente durante las últimas décadas. Con el objetivo de satisfacer esta gran demanda, los sistemas de conversión de energía eólica (WECS) son diseñados para operar con mayores niveles de potencia. Actualmente, la topología de convertidor de potencia más atractiva en los WECS comerciales es el convertidor de dos niveles operando en fuente de tensión y configuración back to back (2L-B2B). Sin embargo, esta topología podría tener dificultades para ofrecer un comportamiento aceptable en los WECS de mayor potencia con los dispositivos actuales, incluso aunque su coste sea reducido. En cambio, los convertidores multinivel pueden incrementar la potencia sin necesidad de incrementar la corriente ni el voltaje de bloqueo de los dispositivos, permitiendo conseguir un diseño adecuado para los WECS de mayor potencia usando los dispositivos actuales. Dentro de los convertidores multinivel, la topología 3L-NPC tiene una gran aceptación en el mercado eólico, siendo una solución común en los WECS de mayor potencia. Sin embargo, su gran inconveniente es que la potencia pérdida es distribuida de una manera desequilibrada entre los dispositivos. De este modo, la potencia de salida se ve limitada por el comportamiento térmico del dispositivo más estresado a nivel térmico, el cual depende del punto de operación. De esta manera, la topología 3L-ANPC fue propuesta con el objetivo de mejorar la distribución de las pérdidas del convertidor entre los dispositivos. El convertidor 3L-ANPC proporciona un camino totalmente controlable para la conexión del punto neutro. Por lo tanto, el convertidor 3LANPC es capaz de ofrecer cierto grado de libertad para distribuir la potencia pérdida entre los dispositivos. Como consecuencia, y comparado con el convertidor 3L-NPC, el comportamiento térmico es mucho más equilibrado y la potencia de salida puede ser incrementada. Sin embargo, todavía hay margen de mejora para alcanzar mejores prestaciones en el comportamiento del convertidor 3L-ANPC. A raíz de la argumentación anterior, la tesis propuesta define nuevas guías de diseño para el convertidor 3L-ANPC cc-ca conectado a la red. Las guías de diseño están focalizadas en mejorar la fiabilidad y el comportamiento eléctrico del convertidor, respetando la tendencia del estado del arte actual para definir una solución factible para la próxima generación de WECS. Las contribuciones de la tesis están basadas en definir una configuración de dispositivos mejorada y una secuencia de conmutación novedosa, evitando concentrar grandes pérdidas de conducción y de conmutación en un mismo dispositivo. Las contribuciones permiten seleccionar el dispositivo más adecuado para cada posición del convertidor, consiguiendo una mejor eficiencia y una distribución de pérdidas y comportamiento térmico más equilibrado. Además, también permiten operar con potencias más elevadas, y mejorar la fiabilidad del convertidor.