Sistema de emulação de rede com conversor multinível em cascata e controle preditivo por modelo para teste de recursos energéticos distribuídos
| Ano de defesa: | 2023 |
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| Autor(a) principal: | |
| Orientador(a): | |
| Banca de defesa: | |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
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| Idioma: | por |
| Instituição de defesa: |
Universidade Federal de Santa Maria
Brasil Engenharia Elétrica UFSM Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Centro de Tecnologia |
| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
Não Informado pela instituição
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| Palavras-chave em Português: | |
| Link de acesso: | http://repositorio.ufsm.br/handle/1/29942 |
Resumo: | This Doctoral Thesis proposes a grid emulation system for Distributed Energy Resources (DER) testing using a cascaded multilevel converter, with the aim of mitigating problems related to two-level converters that exist in most grid emulators, such as low efficiency, greater presence of harmonics and bulky output filter. For this purpose, a method called Geometrical Modulated Model Predictive Control (GM2PC) is used for three-phase inverters using LC filters, which was developed in this work to solve problems found in the conventional MPC technique, such as variable switching frequency, high computational burden and spread harmonic spectrum. The aim of the method is to ensure the desired voltage synthesis by limiting the current through the filter inductor. In addition, the method presents low computational burden, fixed switching frequency, deals with the overmodulation issue, does not present weighting factor or cascaded control structure, and also has the ability to distribute the PWM signals among the modules of cascaded multilevel converters in a fast and efficient manner. To achieve this, the discrete-time modeling of the used configuration will be presented, followed by a convex optimization problem formulation with two quadratic inequality constraints to minimize the output tracking error. To solve the problem, each constraint is treated as a circular area on the space vector diagram, one for voltage synthesis and the other for current limiting. The Karush-Kuhn-Tucker conditions are used to obtain an unconstrained solution which identifies the mode in which the method should operate. The GM2PC method will be used in this work with a 5-level cascaded multilevel converter to demonstrate the operation of the grid emulation system prototype through commonly used voltage perturbation in DER testing. The results demonstrate that the method is able to work when using linear load, non-linear load absorbing or supplying power, unbalanced load, under short-circuit condition, besides being able to emulate grid impedance. The harmonic contents and execution times of the proposed method were also analyzed in comparison with other methods and for different converters. Finally, a theoretical proposal of a real grid emulation system with high power for DER testing is presented. |
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Sistema de emulação de rede com conversor multinível em cascata e controle preditivo por modelo para teste de recursos energéticos distribuídosGrid emulation system with cascaded multilevel converter and model predictive control for distributed energy resources testingControle preditivo por modeloConversor multinível em cascataEmulação de redeTeste de DERCascadad multilevel converterDER testingGrid emulationModel predictive controlCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICAThis Doctoral Thesis proposes a grid emulation system for Distributed Energy Resources (DER) testing using a cascaded multilevel converter, with the aim of mitigating problems related to two-level converters that exist in most grid emulators, such as low efficiency, greater presence of harmonics and bulky output filter. For this purpose, a method called Geometrical Modulated Model Predictive Control (GM2PC) is used for three-phase inverters using LC filters, which was developed in this work to solve problems found in the conventional MPC technique, such as variable switching frequency, high computational burden and spread harmonic spectrum. The aim of the method is to ensure the desired voltage synthesis by limiting the current through the filter inductor. In addition, the method presents low computational burden, fixed switching frequency, deals with the overmodulation issue, does not present weighting factor or cascaded control structure, and also has the ability to distribute the PWM signals among the modules of cascaded multilevel converters in a fast and efficient manner. To achieve this, the discrete-time modeling of the used configuration will be presented, followed by a convex optimization problem formulation with two quadratic inequality constraints to minimize the output tracking error. To solve the problem, each constraint is treated as a circular area on the space vector diagram, one for voltage synthesis and the other for current limiting. The Karush-Kuhn-Tucker conditions are used to obtain an unconstrained solution which identifies the mode in which the method should operate. The GM2PC method will be used in this work with a 5-level cascaded multilevel converter to demonstrate the operation of the grid emulation system prototype through commonly used voltage perturbation in DER testing. The results demonstrate that the method is able to work when using linear load, non-linear load absorbing or supplying power, unbalanced load, under short-circuit condition, besides being able to emulate grid impedance. The harmonic contents and execution times of the proposed method were also analyzed in comparison with other methods and for different converters. Finally, a theoretical proposal of a real grid emulation system with high power for DER testing is presented.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESEsta Tese de Doutorado tem por objetivo propor um sistema de emulação de rede para teste de recursos energéticos distribuídos (DER - Distributed Energy Resources) com a utilização de um conversor multinível em cascata, tendo como intuito mitigar os problemas relacionados a conversores de dois níveis existentes na maioria dos emuladores de rede, como baixa eficiência, maior presença de harmônicos e filtro de saída volumoso. Para isso, é utilizado um método chamado de Geometrical Modulated Model Predictive Control (GM2PC) para inversores trifásicos utilizando filtros LC, que foi desenvolvido neste trabalho para solucionar problemas encontrados na técnica MPC convencional, como frequência de comutação variável, alto esforço computacional e espectro harmônico espalhado. O objetivo do método é de garantir a síntese de tensão desejada, limitando a corrente através do indutor do filtro. Além disso, o método apresenta baixo esforço computacional, frequência fixa de comutação, lida com a questão da sobremodulação, não apresenta fator de ponderação ou estrutura de controle em cascata, possuindo também a capacidade de distribuir os sinais PWM entre os módulos de conversores multiníveis em cascata de uma maneira rápida e eficiente. Para tanto, será apresentada a modelagem em tempo discreto da configuração utilizada e, em seguida, um problema de otimização convexa com duas restrições quadráticas de desigualdade é formulado para minimizar o erro de rastreamento de saída. Para resolver o problema, cada restrição é tratada como uma área circular sobre o diagrama de espaço vetorial, sendo uma para síntese de tensão e outra para limitação de corrente. As condições de Karush-Kuhn-Tucker são utilizadas para obter uma solução sem restrição que, em seguida, identifica o modo no qual o método deve operar. O método GM2PC será utilizado neste trabalho com um conversor multinível em cascata de 5 níveis para demonstrar o funcionamento do protótipo de sistema de emulação de rede, através de ensaios de perturbações de tensão comumente utilizados em testes de DERs. Os resultados demonstram que o método é capaz de funcionar ao utilizar carga linear, não linear absorvendo ou fornecendo potência, carga desbalanceada, sob condição de curto-circuito, além de ser capaz de emular impedância da rede. Foram também analisados os conteúdos harmônicos e os tempos de execução do método proposto em comparação com outros métodos e para diferentes conversores. Por fim, é apresentada uma proposta teórica de um sistema real de emulação de rede com potência elevada para teste de DERs.Universidade Federal de Santa MariaBrasilEngenharia ElétricaUFSMPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaCentro de TecnologiaPinheiro, Humbertohttp://lattes.cnpq.br/5900576762082210Carnielutti, Fernanda de MoraisTahim, André Pires NóbregaLima, Daniel MartinsGrigoletto, Felipe BovoliniVieira, Rodrigo PadilhaDe Paris, Jean-Michel2023-08-16T11:58:56Z2023-08-16T11:58:56Z2023-08-11info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/29942ark:/26339/001300000n3dsporAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2023-08-16T11:58:57Zoai:repositorio.ufsm.br:1/29942Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/PUBhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.com||manancial@ufsm.bropendoar:2023-08-16T11:58:57Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false |
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This Doctoral Thesis proposes a grid emulation system for Distributed Energy Resources (DER) testing using a cascaded multilevel converter, with the aim of mitigating problems related to two-level converters that exist in most grid emulators, such as low efficiency, greater presence of harmonics and bulky output filter. For this purpose, a method called Geometrical Modulated Model Predictive Control (GM2PC) is used for three-phase inverters using LC filters, which was developed in this work to solve problems found in the conventional MPC technique, such as variable switching frequency, high computational burden and spread harmonic spectrum. The aim of the method is to ensure the desired voltage synthesis by limiting the current through the filter inductor. In addition, the method presents low computational burden, fixed switching frequency, deals with the overmodulation issue, does not present weighting factor or cascaded control structure, and also has the ability to distribute the PWM signals among the modules of cascaded multilevel converters in a fast and efficient manner. To achieve this, the discrete-time modeling of the used configuration will be presented, followed by a convex optimization problem formulation with two quadratic inequality constraints to minimize the output tracking error. To solve the problem, each constraint is treated as a circular area on the space vector diagram, one for voltage synthesis and the other for current limiting. The Karush-Kuhn-Tucker conditions are used to obtain an unconstrained solution which identifies the mode in which the method should operate. The GM2PC method will be used in this work with a 5-level cascaded multilevel converter to demonstrate the operation of the grid emulation system prototype through commonly used voltage perturbation in DER testing. The results demonstrate that the method is able to work when using linear load, non-linear load absorbing or supplying power, unbalanced load, under short-circuit condition, besides being able to emulate grid impedance. The harmonic contents and execution times of the proposed method were also analyzed in comparison with other methods and for different converters. Finally, a theoretical proposal of a real grid emulation system with high power for DER testing is presented. |
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