Ändra sökning
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
A Method for the Calculation of the AC-Side Admittance of a Modular Multilevel Converter
KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS), Elkraftteknik. (Power Electronics)
KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS), Elkraftteknik. (E2C)ORCID-id: 0000-0002-8565-4753
2018 (Engelska)Ingår i: IEEE transactions on power electronics, ISSN 0885-8993, E-ISSN 1941-0107Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Abstract [en]

Connecting a modular multilevel converter to anac grid may cause stability issues, which can be assessed byanalyzing the converter ac-side admittance in relation to the gridimpedance. This paper presents a method for calculating theac-side admittance of modular multilevel converters, analyzingthe main frequency components of the converter variables individually.Starting from a time-averaged model of the converter,the proposed method performs a linearization in the frequencydomain, which overcomes the inherent nonlinearities of theconverter internal dynamics and the phase-locked loop usedin the control. The ac-side admittance obtained analytically isfirstly validated by simulations against a nonlinear time-averagedmodel of the modular multilevel converter. The tradeoff posedby complexity of the method and the accuracy of the result isdiscussed and the magnitude of the individual frequency componentsis shown. Finally, experiments on a down-scaled prototypeare performed to validate this study and the simplification onwhich it is based.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
2018.
Nyckelord [en]
Modular multilevel converters, admittance, linearization techniques, frequency-domain analysis, stability.
Nationell ämneskategori
Annan elektroteknik och elektronik
Forskningsämne
Elektro- och systemteknik
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:kth:diva-238815DOI: 10.1109/TPEL.2018.2862254ISI: 000464911900018Scopus ID: 2-s2.0-85050974319OAI: oai:DiVA.org:kth-238815DiVA, id: diva2:1262497
Anmärkning

QC 20181113

Tillgänglig från: 2018-11-12 Skapad: 2018-11-12 Senast uppdaterad: 2019-05-14Bibliografiskt granskad
Ingår i avhandling
1. Modeling of Modular Multilevel Converters for Stability Analysis
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Modeling of Modular Multilevel Converters for Stability Analysis
2019 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

Modular multilevel converters (MMCs) have recently become the state-of-the-art solution for various grid-connected applications, such as high-voltage direct current (HVDC) systems and flexible alternating current transmission systems (FACTS). Modularity, scalability, low power losses, and low harmonic distortion are the outstanding properties that make MMCs a key technology for a sustainable future.

 

The main objective of this thesis is the modeling of grid-connected MMCs for stability analysis. The stability of the interconnected system, formed by the converter and the ac grid, can be assessed by analyzing the converter ac-side admittance in relation to the grid impedance. Therefore, a method for the calculation of the ac-side admittance of MMCs is developed. This method overcomes the nonlinearities of the converter dynamics and it can be easily adapted to different applications. Moreover, the effects of different control schemes on the MMC ac-side admittance are studied, showing how the converter admittance can be reshaped. This is a useful tool for system design, because it shows how control parameters can be selected to avoid undesired grid-converter interactions.

 

This thesis also studies ac/ac MMCs for railway power supplies, which are used in countries with a low-frequency railway grid, such as Germany (16.7 Hz) and Sweden (16 2/3 Hz). A hierarchical control scheme for these converters is devised and evaluated, considering the requirements and the operating conditions specific to this application. Furthermore, admittance models of the ac/ac MMC are developed, showing how the suggested hierarchical control scheme affects the three-phase and the single-phase side admittances of the converter. For computing the insertion indices, an open-loop scheme with sum capacitor voltage estimation is applied to the ac/ac MMC. Lyapunov stability theory is used to prove the asymptotic stability of the converter operated with the proposed control method. This specific open-loop scheme is also adapted to a modular multilevel matrix converter, which performs three-to-three phase direct conversion.

 

Finally, this thesis presents the design of a down-scaled MMC prototype for experimental verification, rated at 10 kW with 30 full-bridge submodules. The hardware and the software are designed to be easily reconfigurable, which makes the converter suitable for different research projects focused on MMCs. Experiments on this down-scaled MMC are used to support and validate the key results presented throughout the thesis.

Abstract [sv]

Modulära multinivåomvandlare (MMC) har under senare år utvecklats till den mest relevanta lösningen för olika tillämpningar där kraftelektroniska omriktare är anslutna till växelströmsnät, såsom system för högspänd likströmsöverföring (HVDC) och flexibla system för överföring av växelström (FACTS). Den modulära uppbyggnaden, skalbarhet, låga förluster och låga övertoner är egenskaperna som gör MMC omriktare till en central komponent för framtida hållbara elenergisystem.

 

Huvudsyftet med denna avhandling är modellering av nätanslutna omvandlare av typ MMC för stabilitetsanalys. Stabiliteten för systemet omvandlare och nät, kan bedömas genom att analysera omvandlarens växelströmssidiga admittans i förhållande till nätimpedansen. En metod har därför utvecklats för att beräkna den modulära multinivåomvandlarens admittans. Metoden tar hänsyn till olinjäriteter i omvandlarens dynamik och kan enkelt anpassas till olika tillämpningar. Därutöver studeras effekterna av hur olika reglersystem påverkar omvandlarens admittans och hur omvandlarens admittans kan omformas. Denna möjlighet är användbar vid utformning av en systemlösning, eftersom reglerparametrarna kan väljas för att undvika oönskade störningar mellan nät och omriktare.

 

I avhandlingen undersöks även modulära ac/ac-omvandlare för järnvägsbanmatning. Dessa används i länder med lågfrekvensbanmatning så som Tysk-land med 16,7 Hz och Sverige med 16 2/3 Hz. Ett hierarkiskt reglersystem har utvecklats och utvärderats med avseende på järnvägstillämpningens specifika krav och dess driftsförhållanden. Admittansmodeller har utvecklats, för dessa modulära ac/ac-omvandlare, som visar hur det föreslagna hierarkiska reglersystemet påverkar omvandlarens admittans på både trefas- och enfassidan. För att beräkna ac/ac-omvandlarens inkopplingsförhållande appliceras en öppen styrning som estimerar summan av submodulernas kondensatorspänningar. Lyapunovs stabilitetsteori har använts för att bevisa den asymptotiska stabiliteten hos omvandlaren. Den föreslagna öppna styrningen kan också anpassas till en modulär multinivåomvandlare för direkt trefas till trefas omformning.

 

För att kunna verifiera resultaten experimentellt har en nedskalad prototyp utvecklats. Prototypens märkeffekt är 10 kW och den är uppbyggd av 30 submoduler med helbryggor. Hårdvaran och mjukvaran är utformade så att omvandlaren på ett enkelt sätt kan konfigureras för olika tillämpningar vilket gör den lämplig för olika forskningsprojekt som inkluderar modulära multinivåomriktare. Experiment på den nedskalade MMC:n har genomförts för att validera de resultat och slutsatser som presenteras i avhandlingen.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
KTH Royal Institute of Technology, 2019
Nyckelord
Modular multilevel converters (MMCs), stability, admittance, frequency-domain analysis, linearization techniques, current control, voltage control, ac/ac converters, railway engineering., Modulära multinivåomvandlare (MMC), stabilitet, admittans, frekvensanalys, linjäriseringsmetoder, strömreglering, spänningsreglering, ac/ac omvandlare, järnvägsteknik.
Nationell ämneskategori
Elektroteknik och elektronik
Forskningsämne
Elektro- och systemteknik
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-248132 (URN)978-91-7873-144-2 (ISBN)
Disputation
2019-04-26, F3, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 10:00 (Engelska)
Opponent
Handledare
Anmärkning

QC 20190405

Tillgänglig från: 2019-04-05 Skapad: 2019-04-04 Senast uppdaterad: 2019-04-05Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

fulltext(5372 kB)76 nedladdningar
Filinformation
Filnamn FULLTEXT01.pdfFilstorlek 5372 kBChecksumma SHA-512
47f7b0b9ccbd47ca62093a2e537a9e13a86e1e9b0409df0c6e222201cfeedc3e5545d04312d3a7e393913d3d8081c2beb4b6f7546f7defe60244c327864861e8
Typ fulltextMimetyp application/pdf

Övriga länkar

Förlagets fulltextScopus

Personposter BETA

Bessegato, LucaHarnefors, LennartNorrga, Staffan

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Bessegato, LucaHarnefors, LennartNorrga, Staffan
Av organisationen
Elkraftteknik
I samma tidskrift
IEEE transactions on power electronics
Annan elektroteknik och elektronik

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar
Totalt: 76 nedladdningar
Antalet nedladdningar är summan av nedladdningar för alla fulltexter. Det kan inkludera t.ex tidigare versioner som nu inte längre är tillgängliga.

doi
urn-nbn

Altmetricpoäng

doi
urn-nbn
Totalt: 344 träffar
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf