Modulation strategies for the neutral-point-clamped converter and control of a wind turbine system
Authors:   , Zaragoza Bertomeu Jordi 
Published: August 2023

Els convertidors multinivell són topologies de convertidors d’electrònica de potència que poden generar tres o més nivells de voltatge en cadascuna de les fases de sortida. Com a resultat, els voltatges i corrents generats per aquestes topologies presenten una distorsió harmònica baixa. Hi ha diferents configuracions de convertidors multinivell, les quals es basen en connectar dispositius de potència o convertidors en sèrie. El resultat d’aquestes connexions permet obtenir voltatges alts, tant en la part de corrent continu com en la de corrent altern del convertidor. A més, cada dispositiu sols ha de suportar una fracció del voltatge total del bus de corrent continu. Per aquestes raons, els convertidors multinivell són generalment utilitzats en aplicacions d’alta potència. El convertidor de tres nivells amb connexió a punt neutre (neutral-point-clamped) és el més utilitzat. La recerca d’aquesta tesis doctoral està focalitzada en aquesta topologia de convertidor, i el principal objectiu és l’aportació de noves tècniques de modulació. Aquestes tenen en compte diferents aspectes: la velocitat computacional dels algorismes, l’equilibrat de les tensions dels condensadors del bus de contínua, les pèrdues de commutació i les oscil·lacions de baixa freqüència en el punt neutre del convertidor.
Totes les estratègies de modulació proposades en aquesta tesis són modulacions d’amplada de polses basades en portadora. En la primera modulació
que es presenta, s’injecta un senyal comú (seqüència zero) a totes les moduladores, que es basa en els patrons de la modulació vectorial que utilitza tres vectors dels més propers al de referència (nearest-three-vector modulation). S’estudien i es comparen els resultats d’aquesta modulació amb la seva homòloga, basada en perspectiva vectorial. Una segona proposta és l’anomenada modulació d’amplada de polses de doble senyal (double-signal pulse-width modulation). Aquesta modulació és capaç d’eliminar completament les oscil·lacions de voltatge en el punt neutre del convertidor. No obstant això, es produeix un increment de les pèrdues de commutació en els dispositius de potència i, a més, no hi ha un equilibrat natural de les tensions en els condensadors del bus. Una última estratègia de modulació, anomenada modulació híbrida (hybrid pulse-width modulation), es basa en la combinació de la modulació sinusoïdal (sinusoidal pulse-width modulation) i la de doble senyal. Aquesta presenta una solució de compromís entre reduir les pèrdues de commutació, en detriment d’un augment de l’amplitud de les oscil·lacions de voltatge en el punt neutre.
Una segona part d’aquesta tesis es centra en les aplicacions a generació eòlica, ja que els convertidors multinivell estan començant a ser utilitzats en aquest camp. Això es produeix fonamentalment per l’augment continu de les dimensions de les turbines eòliques. En aquesta part de la recerca s’ha considerat la configuració de dos convertidors multinivell connectats a un mateix bus de contínua (back-to-back), tot i que els convertidors han estat estudiats independentment. Inicialment s’ha estudiat el convertidor que va connectat a la xarxa elèctrica i s’ha aplicat l’estratègia de control coneguda com a control orientat a tensió (voltage-oriented control). S’han utilitzat controladors estàndard (proporcional-integral), als quals s’ha afegit un control difús que supervisa i modifica els valors de les constants dels controladors. Aquest supervisor difús millora la dinàmica de la tensió del bus de contínua davant canvis de càrrega quan el convertidor treballa com a rectificador. Per una altra part, s’ha estudiat el control d’una turbina eòlica basada en un generador d’imants permanents. En aquest cas, s’ha aplicat l’estratègia de control coneguda com a control orientat a camp (field-oriented control). S’han avaluat i comparat els avantatges i inconvenients de diferents formes de sintonitzar els controladors.
Multilevel converters are power electronic topologies that can generate three or more voltage levels in each output phase. As a result, the voltage and current waveforms generated have lower total harmonic distortion. Multilevel topologies are based on connecting power devices or converters in a series. Consequently, high voltages can be handled on the dc and ac sides of the converter, while each device stands only a fraction of the total dc-link voltage. For these reasons multilevel converters are generally applied to high-power applications.
The three-level neutral-point-clamped converter is the most extensively used multilevel topology. This topology is the main focus of research in this dissertation. The main objective is to propose new modulation strategies that are able to meet a compromise solution while considering computational algorithm speed, voltage balance in the dc-link capacitors, switching losses and low frequency voltage oscillations at the neutral point. All the modulation strategies proposed here are based on carrier-based pulsewidth modulation. A new modulation strategy has been implemented using a proper zero-sequence signal injected into the modulation signals. The zero sequence is determined from a space-vector modulation standpoint, particularly the nearest-threevector modulation strategy. The proposed carrier-based technique is compared with its space-vector modulation counterpart. It shows some advantages, such as easier implementation and reduced switching events; however, it still produces oscillations in the neutral-point voltage for some operating conditions. A new modulation strategy able to completely remove such voltage oscillations is also presented. It is called double-signal pulse-width modulation. The main drawback of this strategy is that it increases the switching frequency of the power devices and has no natural capacitor voltage balance. Some balancing strategies are proposed in this dissertation for this specific modulation. Furthermore, a hybrid pulse-width modulation approach is presented which is able to combine sinusoidal pulse-width modulation with doublesignal pulse-width modulation; this represents a compromise solution between switching losses and neutral-point voltage oscillation amplitudes.
The second part of this thesis is focused on wind generation applications. Multilevel converters are starting to be used in such a field nowadays, and are expected to be further applied in the near future as the sizes of wind turbines grow. Two back-toback-connected power converters are considered in this application, although they are analyzed independently. First of all, the control of the grid-connected converter is studied. A voltage-oriented control is used with standard proportional-integral controllers. The originality of the method is that a fuzzy supervisor is designed and included in the structure; the fuzzy supervisor is able to modify the proportionalintegral parameters online. It is shown how the control of the total dc-link voltage improves significantly under load changes when the converter is working as a rectifier. On the other hand, a control study is performed on the wind turbine side. The variable speed wind turbine is based on a permanent magnet synchronous generator. A field-oriented control strategy is applied. The controllers are evaluated
and compared using different tuning strategies which highlight the advantages and drawbacks of each.