Search

The project deals with the design of a Modular Multilevel Converter (MMC) with one cell per arm. The one cell per arm configuration maintains the MMC structure with the minimum num- ber of semiconductors per arm, which is the simplest possible system, allowing several studies without requiring a more complex system. The prototype presented behave as an actual high- voltage MMC, but it cannot implement the Nearest Level Modulation (NLM) neither the inner capacitors arm balance since it only has one cell per arm, instead the Pulse-Width Modulation (PWM) is used. The PWM injects more harmonic content but it is competitive with another state-of-the-art low voltage MMC testing platforms. The first part introduces the MMC. The principal characteristics of the MMC as its structure, the used modulation in the High Voltage Direct Current (HVDC) MMC, the different models normally used in simulations, and the analytical description are explained in this part. The second part describes the low voltage MMC design and operation. There, the converter parameters, the MMC state machine and the operating limits are defined. Then, the design and implementation of the control is described. Finally, some experimental and simulation validation are presented. The tests developed during the project confirms that the controls designed and implementation are adequate. The presen- ted modulation is needed to reduce short circuit current and harmonics. The experimental tests and the simulations validates the control structure and design. The MMC with one cell per arm shares the control with a normal MMC and have the same performance. The presented converter reduces to one cell per arm the cells of an MMC, which implies a reduc- tion of cost since less semiconductors are needed. This cost reduction does not imply a several reduction in the voltage quality compared to other state-of-the-art MMC testing platforms.

En aquest treball es presenta el disseny, control i validació d’un prototip de convertidor basat en la tipologia MMC, Modular Multilevel Converter. Aquest prototip pretén suplir la necessitat de poder comprovar experimentalment un control o una aplicació específica d’un MMC d’una forma més econòmica i amb més fiabilitat que de les formes que s’han proposat fins al moment. Aquest projecte també presenta el control que s’ha emprat en tots els casos i l’estructura i funcionament tant d’un MMC com del prototip proposat. Per tal de comprovar el correcte funcionament del prototip es presenten diverses anàlisis, en les quals es comparen dues simulacions: una d’un MMC amb paràmetres reals amb una del prototip que es proposa. Primer s’exposa una anàlisi a alta tensió per comprovar el comportament del prototip a alta tensió i comprovar si és funcional. Posteriorment es presenta una segona anàlisi, la qual serveix per comprovar si aquest prototip serà vàlid per a baixa tensió, que és la tensió a la qual es fan els experiments i comprovar si es comporta com un MMC. Finalment s’ha realitzat una comprovació experimental per tal de validar el funcionament d’aquest prototip de convertidor

El subjecte d’aquest treball és l’estudi i la simulació d’un aerogenerador de velocitat variable i control complet d’electrònica de potència. La primera part consisteix en una introducció teòrica del funcionament i composició d’un aero- generador. Es descriuen la turbina, la transmissió, el generador i els convertidors VSC utilitzats per la connexió a la xarxa. La segona part del treball està centrada en els principis de funcionament dels elements necessa- ris per la modelització, el control mecànic i el control de l’electrònica de potència l’aerogenera- dor. Es dedica un capítol a detallar el disseny del control implementat a les simulacions. Pel que fa al control mecànic, s’explica el control de pitch, que regula la inclinació de les pales l’aeroge- nerador, i el mètode de Maximum Point Power Tracking (MPPT) que s’ha utilitzat per controlar la velocitat de gir de la turbina. Pel que fa al control de l’electrònica de potència, s’explica la seva estructura i els seus components: Phase Locked Loop (PLL), control de corrent i control de tensió contínua. Finalment, es presenten els resultats de les simulacions de l’aerogenerador obtinguts mitjançant Matlab Simulink, on s’analitza el funcionament del sistema sota diferents condicions de vent El tema de este trabajo es el estudio y simulación de un aerogenerador de velocidad variable y control completo de la electrónica de potencia. La primera parte consiste en una introducción teórica sobre el funcionamiento y composición de un aerogenerador. Se describen la turbina, la transmisión, el generador y los convertidores VSC utilizados para la conexión a la red. La segunda parte del trabajo se centra en los principios de funcionamiento de los elementos necesarios para la modelización, el control mecánico y el control de la electrónica de potencia del aerogenerador. Se dedica un capítulo a detallar el diseño del control implementado en las simulaciones. En cuanto al control mecánico, se explica el control de pitch, que regula la incli- nación de las palas del aerogenerador, y el método de Maximum Power Point Tracking (MPPT) que se ha utilizado para controlar la velocidad de giro de la turbina. En cuanto al control de la electrónica de potencia, se explica su estructura y sus componentes: Phase Locked Loop (PLL), control de corriente y control de tensión continua. Finalmente, se presentan los resultados de las simulaciones del aerogenerador obtenidos medi- ante Matlab Simulink, donde se analiza el funcionamiento del sistema bajo diferentes condiciones de viento Abstract The subject of this work is the study and simulation of a variable-speed wind turbine and the complete power electronics control. The first part consists of a theoretical introduction to the operation and composition of a wind turbine. It describes the turbine, transmission, generator, and VSC converters used for grid connection. The second part of the work focuses on the principles of operation of the elements necessary for the modeling, mechanical control, and power electronics control of the wind turbine. A chapter is dedicated to detailing the design of the control implemented in the simulations. Regarding the mechanical control, the pitch control is explained, which regulates the blade angle of the wind turbine, and the Maximum Power Point Tracking (MPPT) method that has been used to control the turbine speed. As for power electronics control, its structure and components are explained, including the Phase Locked Loop (PLL), current control, and continuous voltage control. Finally, the results of the wind turbine simulations obtained using Matlab Simulink are presen- ted, analyzing the system’s performance under different wind conditions

L’operació i gestió d’un sistema elèctric on la fracció de generació elèctrica provinent de fonts d’energia renovable és majoritària, en detriment dels grans generadors síncrons convencionals, presenta diversos reptes tecnològics que han de ser adreçats per tal d’assolir la transició energètica. El desenvolupament de l’estratègia de control de convertidors de potència Grid-Forming representa una via per tal d’operar de manera estable un sistema elèctric dominat per l’electrònica de potència. Així, aquest projecte se centra en presentar el desenvolupament teòric del control d’aquest tipus de convertidors. Primerament, es modela un inversor de tensió GFL i mitjançant diverses simulacions es demostra com no és capaç d’operar connectat a xarxes dèbils. Seguidament, es presenta el desenvolupament de l’estratègia de control de la màquina síncrona virtual, i es construeix un model d’inversor CC/AC que compta amb una font de tensió ideal al bus CC. Per tal de comparar la dinàmica mostrada per cada un dels tipus de regulació primària de la MSV existents, se simula cada un enfront de desconnexions sobtades de grans càrregues del sistema elèctric. Un cop analitzats els resultats obtinguts operant sense considerar la dinàmica introduïda pels elements del bus CC del convertidor, s’estudien els diversos llaços de control addicionals necessaris per gestionar tant la tensió del bus CC, com l’extracció d’energia del recurs primari. Així, primerament es presenta el model d’un generador fotovoltaic, i seguidament, s’introdueix el convertidor de doble etapa CC/CC-CC/AC sobre el qual es dissenya el control del bus CC. D’aquesta manera, es diferencien dues casuístiques diferents, la primera quan el convertidor opera per sota de la capacitat màxima del recurs energètic, i la segona quan el convertidor extreu la màxima potència disponible del recurs primari. Es presenta l’arquitectura de control necessària per treballar en cada un d’aquests contextos operacionals, i posteriorment se simula el convertidor de doble etapa enfront de diverses condicions d’irradiància solar incident i de temperatura, per comprovar l’estabilitat del conjunt. Després de comprovar el correcte funcionament de la MSV tant operant amb una font de tensió ideal al bus CC, com considerant tots els elements necessaris per extreure l’energia del recurs primari, es proposa un cas d’estudi per tal d’il·lustrar l’operació de la MSV en una micro-xarxa aïllada. Així, es defineix un sistema compost per un generador fotovoltaic, un SEEB, i una càrrega variable, i a continuació, es defineixen una sèrie de requisits operacionals necessaris per realitzar una correcta operació i manteniment del sistema. Per tal de satisfer els requisits operacionals es dissenya un PPC capaç de gestionar el flux de potència del sistema i minimitzar al màxim la falta de servei de la càrrega. Finalment, es desenvolupa un sistema de regulació primària variable per a la MSV que serveix per augmentar de manera significativa la robustesa de la micro-xarxa La operación y gestión de un sistema eléctrico donde la fracción de generación eléctrica proveniente de fuentes de energía renovable es mayoritaria, en detrimento de los grandes generadores síncronos convencionales, presenta varios retos tecnológicos que deben ser afrontados para conseguir la transición energética. El desarrollo de la estrategia de control de convertidores de potencia Grid-Forming representa una alternativa a fin de operar de manera estable un sistema eléctrico dominado por la electrónica de potencia. Así, este proyecto se centra en presentar el desarrollo teórico del control de este tipo de convertidores. Primeramente, se modela un inversor de tensión GFL y mediante varias simulaciones se demuestra cómo este no es capaz de operar conectado a redes eléctricas débiles. Seguidamente, se presenta el desarrollo de la estrategia de control de la máquina síncrona virtual, y se construye un modelo de inversor CC/AC que cuenta con una fuente de tensión ideal en el bus CC. A fin de comparar la dinámica mostrada por cada uno de los tipos de regulación primaria de la MSV existentes, se simula cada uno de ellos frente a desconexiones repentinas de grandes cargas del sistema eléctrico. Una vez analizados los resultados obtenidos operando sin considerar la dinámica introducida por los elementos del bus CC del convertidor, se estudian los lazos de control adicionales necesarios para gestionar tanto la tensión del bus CC, como la extracción de energía del recurso primario. Así, se presenta el modelo de un generador fotovoltaico, y seguidamente, se introduce el convertidor de doble etapa CC/CC-CC/AC sobre el cual se diseña el control del bus CC. De esta manera, se diferencian dos casuísticas distintas, la primera cuando el convertidor opera por debajo de la capacidad máxima del recurso energético, y la segunda cuando el convertidor extrae la máxima potencia disponible del recurso. Se presenta la arquitectura de control necesaria para trabajar en cada uno de estos contextos operacionales, y posteriormente se simula el convertidor de doble etapa frente a varias condiciones de irradiancia solar incidente y de temperatura, para comprobar la estabilidad del conjunto. Después de comprobar el correcto funcionamiento de la MSV tanto operando con una fuente de tensión ideal en el bus CC, como considerando todos los elementos necesarios para extraer la energía del recurso primario, se propone un caso de estudio a fin de ilustrar la operación de la MSV en una micro-red aislada. Así, se define un sistema compuesto por un generador fotovoltaico, un SAEB, y una carga variable, y a continuación, se definen una serie de requisitos operacionales necesarios para realizar la correcta operación y mantenimiento del sistema. A fin de satisfacer los requisitos operacionales, se diseña un PPC capaz de gestionar el flujo de potencia del sistema y minimizar al máximo la falta de servicio de la carga. Finalmente, se desarrolla un sistema de regulación primaria variable para la MSV, que sirve para aumentar la robustez de la micro-red The operation of a power system where electricity generation is dominated by renewable energy resources, while large conventional synchronous generators are gradually decommissioned, presents several technological challenges which must be addressed in order to achieve the energy transition. The development of the Grid-Forming power converter control strategy represents a feasible way to operate, in a controlled and stabilized manner, an electrical system dominated by power electronics. In this way, this project focuses on presenting the theoretical development of the control of this type of converters. Firstly, a GFL voltage source converter is modeled, and its inability to operate connected to weak networks is demonstrated through several simulations. Afterwards, the development of the control strategy of the virtual synchronous machine is presented, and a DC/AC inverter model is built while considering an ideal voltage source at the DC link. In order to compare the dynamics presented by each of the existing VSM primary regulation types, each one is simulated against the disconnection of large loads of the power system. Once the results obtained for the operation of the VSM without considering the dynamics introduced by the DC link elements of the converter have been analyzed, the additional control loops required to manage both the DC link voltage and the energy extraction from the primary energy resource are discussed. In this manner, the model of a photovoltaic generator is presented, and then a dual-stage DC/DC-DC/AC converter, on which the DC link control is designed, is introduced. In this way, two different operational cases are differentiated, the first one when the converter operates below the maximum power capacity of the primary resource, and the second one when the converter reaches the maximum available power of the PV generator. The control architecture required to operate in both of these operational contexts is discussed, and then, the dual-stage converter is simulated under different incident solar irradiance and temperature conditions to verify the stability of the system. After verifying the correct operation of the VSM, both while operating connected to an ideal voltage source at the DC link, and while considering all the required elements to extract the energy from the primary resource, a case study is proposed in order to illustrate the operation of the VSM in a stand-alone micro-grid. In this way, a system composed of a photovoltaic generator, a BESS, and a variable load, is defined, and then, several operational requirements, necessary to the correct operation and maintenance of the system, are determined. In order to meet the operational requirements, a PPC capable of managing the power flow of the system while minimizing the power outages of the load is designed. Finally, a variable primary regulation system for the VSM is developed in order to significantly increase the robustness of the micro-grid