Advances in multi-terminal HVDC transmission systems: nonlinear controllers for modular multilevel converter

Autor: Guacira Costa de Oliveira
Přispěvatelé: Renato Machado Monaro, Alexandre Sanfelice Bazanella, Gilney Damm, Bruno François, Françoise Lamnabhi-lagarrigue
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2020
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
Universidade de São Paulo (USP)
instacron:USP
Popis: O conversor multinível modular é o tópico de interesse amplo e atual no contexto de aplicações de sistemas de transmissão de corrente contínua de alta tensão. Essa topologia é adequada para várias aplicações, como resultado de menores perdas de chaveamento, devido à menor frequência de comutação dos IGBTs, baixa distorção harmônica na corrente alternada, estrutura modular que permite escalabilidade na construção e manutenção prática. No entanto, é necessária uma estratégia de controle mais complexa para controlar a corrente circulante, para compensar o desequilíbrio de tensão entre as pernas e o equilíbrio de tensão dos sub-módulos, de forma a manter constantes as tensões dos capacitores dos sub-módulos. Esta tese apresenta dois controles não-lineares para conversores MMC, capazes de controlar correntes circulantes e a energia no conversor. O primeiro é projetado seguindo a teoria bilinear baseada no controle de feedback quadrático. O segundo controlador proposto é desenvolvido usando a teoria de Lyapunov, fortemente baseada em técnicas singular perturbation e feedback linearization. Para ambos, é definida uma prova matemática de sua estabilidade, baseada na teoria de Lyapunov. Este resultado fornece estabilização assintotica para as três fases MMC. O uso de uma função de Lyapunov implica uma verificação formal da estabilidade e uma região explícita de atração para o modelo considerado. Ambas as técnicas de controle são desenvolvidas por meio de um modelo médio bilinear e a robustez e o desempenho são verificados por meio de um modelo chaveado de conversores MMC nas simulações do Matlab Simscape Electrical. A avaliação inclui variações de referência de potência ativa e reativa, condições de desequilíbrio da rede, incertezas de parâmetros e até uma comparação com um controlador PI. Além disso, para os controladores não lineares, são estudados: o efeito do controle de ganho na dinâmica do sistema e no desempenho do controlador em caso de alteração no ponto de operação. As principais contribuições da tesesão os dois algoritmos distintos de controle não-linear, baseados em um modelo matemático bilinear, projetados para conversores MMC; Ambos os algoritmos são capazes de controlar o equilíbrio de corrente circulante e a energia do conversor; Há uma análise formal de estabilidade pela teoria de Lyapunov para esse sistema; e uma vez que os controles propostos não se baseiam em um modelo linearizado, uma vasta região de operação é alcançável. Modular Multilevel Converter (MMC) is a very important topic in the context of high voltage direct-current transmission systems applications. This topology is suitable for several applications, as a result of smaller switching losses due to lower switching frequency, low alternating-current harmonic distortion, modular structure enabling scalability construction and practical maintenance. However, a more complex control strategy is required to control circulating current, to compensate the voltage imbalance between legs and voltage balancing of Submodules (SMs), such as to maintain SM\'s capacitors voltages constant. This thesis presents two nonlinear controllers for an MMC, able to control circulating currents, and the energy in the converter. First proposed controller is developed using Lyapunov theory, strongly based on singular perturbation and feedback linearization techniques. Second one is designed following bilinear theory based on quadratic feedback control. For both, a mathematical proof is given for its stability, which is based on Lyapunov\'s theory. This result provides asymptotic stabilization for the three-phases MMC. The use of a Lyapunov function implies a formal verification of stability and a broad region of attraction for the considered model. Both control techniques are developed by means of an average bilinear model and performances are verified by means of a detailed MMC switching model at Matlab Simscape Electrical environment. The evaluation includes active and reactive power reference variations, grid imbalance conditions, parameters uncertainties and even a comparison with a standard PI controller. Also, for the nonlinear controllers, it is studied the effect of control gains on the system\'s dynamics. The main thesis\' contributions can then be stated as the two distinct nonlinear control algorithms, based on a bilinear mathematical model, designed for MMC converters; Both algorithms are able to control circulating currents and converter\'s energy at the switching MMC model; There are formalstability analysis by Lyapunov theory for these controllers; and once these proposed controllers are not based on a linearized model, a broad operation region is obtained.
Databáze: OpenAIRE
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