Conversores multiníveis modulares: contribuições ao estudo e ao desenvolvimento de sistemas de controle distribuídos

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2017
Autor(a) principal: Silva, Guilherme Sebastião da
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
dARK ID: ark:/26339/001300000kk8d
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
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.ufsm.br/handle/1/14660
Resumo: This doctoral thesis presents contributions to the study and development of distributed control systems applied to the Modular Multilevel Converter (MMC) operating with a high number of submodules (SMs), which is the most promising multilevel converter topology, especially in high voltage and high power applications. Initially, operating principle, main concepts and a power flow analysis are presented in order to justify the proposal. Based on the MMC power flow analysis, a control system is proposed to ensure the power balance between the dc voltage bus and the ac power grid, the power processing distribution between the arms and the individual capacitor voltage control, with the control of N–1 capacitor voltages. One of the main MMC implementation challenges is to ensure the suitable control of SM floating capacitors with an easily scalable control system with reduced communication complexity. Thus, a distributed control structure using sliding mode observer approach is proposed to reduce the data flowing among through between the SMs needed to implement the MMC control system. With this concept, the sliding-mode observer approach consists of: (i) an equivalent capacitor voltage observer in the continuous-time domain, which are discretized for processor implementation; and (ii) an equivalent capacitor voltage observer in the discrete-time domain. Regarding the equivalent observers, the design methodology for continuous-time and the results for the discretized observer are presented. The design methodology of the discrete-time equivalent capacitor voltage observer is shown in discrete-time to guarantee the steady-state and the transient performances and the results for the discrete observer are presented. The Lyapunov stability analysis is presented for each observer. Finally, it is worth to emphasize that simulation and experimental results are presented considering the observer and the control performances under different operating conditions.
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Based on the MMC power flow analysis, a control system is proposed to ensure the power balance between the dc voltage bus and the ac power grid, the power processing distribution between the arms and the individual capacitor voltage control, with the control of N–1 capacitor voltages. One of the main MMC implementation challenges is to ensure the suitable control of SM floating capacitors with an easily scalable control system with reduced communication complexity. Thus, a distributed control structure using sliding mode observer approach is proposed to reduce the data flowing among through between the SMs needed to implement the MMC control system. With this concept, the sliding-mode observer approach consists of: (i) an equivalent capacitor voltage observer in the continuous-time domain, which are discretized for processor implementation; and (ii) an equivalent capacitor voltage observer in the discrete-time domain. Regarding the equivalent observers, the design methodology for continuous-time and the results for the discretized observer are presented. The design methodology of the discrete-time equivalent capacitor voltage observer is shown in discrete-time to guarantee the steady-state and the transient performances and the results for the discrete observer are presented. The Lyapunov stability analysis is presented for each observer. Finally, it is worth to emphasize that simulation and experimental results are presented considering the observer and the control performances under different operating conditions.Esta Tese de Doutorado apresenta contribuições ao estudo e ao desenvolvimento de sistemas de controle distribuídos aplicados ao Conversor Multinível Modular (MMC) operando com elevado número de submódulos (SMs), que é uma das topologias mais promissoras de conversores multiníveis, principalmente em aplicações em alta tensão e alta potência. Inicialmente, são apresentados o princípio de funcionamento, os principais conceitos e uma análise do fluxo de potência do conversor. Com base na análise do fluxo de potência, é proposto um sistema de controle para garantir o balanço de potência entre o barramento CC e a rede elétrica CA, a distribuição de potência entre os polos e o ajuste individual das tensões dos capacitores, sendo controladas as N–1 tensões dos capacitores. Um dos principais desafios do uso do MMC é a forma de implementação dos sistemas de controle, modulação e comunicação. Sugere-se que o funcionamento adequado do MMC seja obtido através de sistemas de controle, modulação e comunicação facilmente expansíveis. Assim, é proposta uma estrutura de controle distribuído que possibilita a redução do fluxo de informações necessárias entre os SMs para implementar o sistema de controle do MMC fazendo o uso de observadores por modos deslizantes. Através deste conceito, o desenvolvimento dos observadores é apresentado em duas análises principais: (i) observador das tensões equivalentes em tempo contínuo, discretizados para a implementação em processadores; e (ii) observador das tensões equivalentes em tempo discreto. Em relação aos observadores em tempo contínuo é apresentada a metodologia de projeto em tempo contínuo e resultados dos observadores discretizados. Já para o observador no tempo discreto é apresentada a metodologia de projeto para garantir desempenhos transitório e em regime permanente e resultados do observador discreto. Além disso, são apresentadas as análises de estabilidade por Lyapunov de cada observador. Resultados de simulações e experimentais do sistema completo são apresentados considerando o desempenho dos observadores e do sistema de controle sob diferentes condições de operação.Universidade Federal de Santa MariaBrasilEngenharia ElétricaUFSMPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaCentro de TecnologiaRech, Cassianohttp://lattes.cnpq.br/9375639768929991Vieira, Rodrigo Padilhahttp://lattes.cnpq.br/7274686165301866Pinheiro, Humbertohttp://lattes.cnpq.br/5900576762082210Heldwein, Marcelo Lobohttp://lattes.cnpq.br/4381538017805856Montagner, Vinícius Folettohttp://lattes.cnpq.br/1107194715234856Novaes, Yales Rômulo dehttp://lattes.cnpq.br/8572668642074131Silva, Guilherme Sebastião da2018-10-24T18:25:21Z2018-10-24T18:25:21Z2017-10-05info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/14660ark:/26339/001300000kk8dporAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2018-10-24T18:25:21Zoai:repositorio.ufsm.br:1/14660Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/PUBhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.com||manancial@ufsm.bropendoar:2018-10-24T18:25:21Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false
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