Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
On Interaction between Internal Converter Dynamics and Current Control of High-Performance High-Power AC Motor Drives with Modular Multilevel Converters
KTH, School of Electrical Engineering (EES), Electrical Machines and Power Electronics.
KTH, School of Electrical Engineering (EES), Electrical Machines and Power Electronics.
KTH, School of Electrical Engineering (EES), Electrical Machines and Power Electronics.
KTH, School of Electrical Engineering (EES), Electrical Machines and Power Electronics.ORCID iD: 0000-0002-1755-1365
2010 (English)In: Proc. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2010, 4293-4298 p.Conference paper, Published paper (Refereed)
Abstract [en]

The modular multilevel converter (M2C) is a promising converter technology for various high-voltage highpower applications. The reason to this is that low-distortion output quantities can be achieved with low average switching frequencies per switch and without output filters. With the M2C the output voltage has such a low harmonic content that highpower motors can be operated without any derating. However, the apparent large number of devices, requires more complex converter control techniques than a two-level counterpart. Even though there have been several ways suggested to control the converter itself, it is still a challenge to investigate the interaction of these controllers with an external motor current controller. It is shown in the paper that the anticipated interaction will not result in any problems neither for the converter nor for the motor control itself.

Place, publisher, year, edition, pages
2010. 4293-4298 p.
National Category
Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-34181DOI: 10.1109/ECCE.2010.5618474Scopus ID: 2-s2.0-78650088280ISBN: 978-142445286-6 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-34181DiVA: diva2:419698
Conference
Energy Conversion Conference and Exposition (ECCE)
Note
QC 20110628Available from: 2011-06-28 Created: 2011-05-27 Last updated: 2014-12-01Bibliographically approved
In thesis
1. Control, Modulation and Implementation of Modular Multilevel Converters
Open this publication in new window or tab >>Control, Modulation and Implementation of Modular Multilevel Converters
2011 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [sv]

Denna avhandling behandlar analys och styrning av den modulära multinivå omvandlaren (M2C). M2C är en lovande omvandlarteknologi för högspända högeffekttillämpningar. Anledningen till detta är låg distorsion i utstorheterna kan uppnås med låg  medelswitchfrekvens per switch och utan utgångsfilter. Med M2C har utspänningen så lågt övertonsinnehåll att drift av högeffektmotorer är möjlig utan reduktion av märkeffekten. Emellertid innebär det stora antalet styrda switchar att styrningen blir mer komplex än för motsvarande tvånivåomvandlare. Styrningen av M2C måste måste konstrueras så att submodulernas kondensatorspänningar balanseras och är stabila oberoende av driftfall. En aktiv mekanism för val av submoduler, som är integrerad i modulatorn, har visat sig vara effektiv för att ombesörja den interna balanseringen av omvandlararmarna. Utöver balanseringen av de individuella kondensatorerna krävs en strategi för styrning av den totalt upplagrade energin i omvandlaren. Med utgångspunkt i en analytisk beskrivning av omvandlaren föreslås styrlagar för både öppen styrning och sluten reglering, vilka genom både simuleringar och med hjälp av experiment har visat sig vara stabila i hela arbetsområdet. Den potentiella växelverkan mellan den inre omvandlarstyrningen och en yttre strömreglering undersöks också. Både simuleringar och experiment bekräftar att eventuell interaktion inte innebär några avsevärda problem vare sig för omvandlaren eller motorn. En  hårdvaruimplementering av en nedskalad trefasig 10kVA-omvandlare har genomförts för att verifiera modellering och styrning. Implementeringen av styrningen beskrivs i detalj. Styrningen är anmärkningsvärt snabb och kan utökas till godtyckligt antal nivåer. Den kan därför användas för en fullskaleimplementering i MW-klassen.

 

Abstract [en]

This thesis deals with the analysis and control of the modular multilevel converter (M2C). The M2C is a promising converter technology for various high-voltage high-power applications. The reason to this is that low-distortion output quantities can be achieved with low average switching frequencies per switch and without output filters. With the M2C the output voltage has such a low harmonic content that high-power motors can be operated without any derating. However, the apparent large number of devices, requires more complex converter control techniques than a two-level counterpart. The internal control of an M2C must be designed so that the submodule capacitor voltages are equalized and stable independent of the loading conditions. An active submodule selection mechanism, included in the modulator, has been shown able to provide voltage sharing inside the converter arm. Apart from the individual capacitor voltage sharing, a strategy has to be designed to ensure that the total amount of energy stored inside the converter will always be controlled. Based on an analytical description of the converter, both feedback and open-loop control methods are suggested, simulated and experimentally evaluated, which will ensure stable operation in the whole operation range. The potential interaction of the internal controllers with an external motor current controller is also investigated. Both simulation and experimental results show that any interaction will not result in any problems neither for the converter nor for the motor control itself. A hardware implementation of a down-scaled 10 kVA three-phase laboratory prototype converter is performed, in order to evaluate the modeling and the controllers developed. The controller implementation is described in detail, as it exhibits remarkably fast response, and can be expanded up to an arbitrary number of levels. Therefore it can be used even by a full-scale converter implementation in the MW range.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2011. 126 p.
Series
Trita-EE, ISSN 1653-5146 ; 2011:047
Keyword
Modular Multilevel Converter, Modulation, Feedback Control, Open-Loop Control, Implementation, Prototype, High-Performance Motor Drives
National Category
Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-34188 (URN)978-91-7501-050-2 (ISBN)
Presentation
2011-06-13, D3, KTH, Lindstedtsvägen 5, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note
QC 20110628Available from: 2011-06-28 Created: 2011-05-27 Last updated: 2011-06-29Bibliographically approved
2. On the Internal Dynamics and AC-Motor Drive Application of Modular Multilevel Converters
Open this publication in new window or tab >>On the Internal Dynamics and AC-Motor Drive Application of Modular Multilevel Converters
2014 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

This thesis is an effort to investigate the operation and the performanceof modular multilevel converters (M2Cs). Proven to be the most promisingtopology in high-voltage high-power applications, it is necessary to put aneffort in understanding the physical laws that govern the internal dynamicsof such converters, in order to design appropriate control methods. AlthoughM2Cs belong to the well-studied family of voltage-source converters (VSCs),and claim a modular structure, their control is significantly more complicatedcompared to two- or three-level VSCs, due to the fact that a much highernumber of switches and capacitors are needed in such a topology. This thesishighlights the important parameters that should be considered when designingthe control for an M2C, through analyzing its internal dynamics, and alsosuggests ways to control such converters ensuring stable operation withoutcompromising the performance of the converter.Special focus is given on ac motor-drive applications as they are very demandingand challenging for the converter performance. Interactions betweenthe internal dynamics and the dynamics of the driven motor are experimentallyinvestigated. The problem of operating the converter when connectedto a motor standing still is visited, even under the condition that a greatamount of torque and current are requested, in order to provide an idea forthe converter requirements under such conditions. Finally, an optimization ofthe converter operation is suggested in order to avoid overrating the convertercomponents in certain operation areas that this is possible.All analytical investigations presented in this thesis are confirmed by experimentalresults on a laboratory prototype converter, which was developedfor the purposes of this project. Experimental verification proves the validityof the theoretical investigations, as well as the correct performance of thecontrol methods developed during this project on a real, physical converter,hoping that the results of this thesis will be useful for large-scale implementations,in the mega- or even giga-watt power range.

Abstract [sv]

Denna avhandling är ett försök att undersöka drift och egenskaper avmodulära multinivåomvandlare (M2C:er). Eftersom denna topologi anses varaden mest lovande inom högspänings-högeffekt-tillämpningar är, och somett underlag för att kunna formulera lämpliga styrmetoder, är det nödvändigtatt lägga kraft i att försöka förståde fysikaliska lagar som styr den inredynamiken i sådana omvandlare. Även om M2C:erna tillhör den välstuderadefamiljen av spänningsstyva omvandlare (VSC:er), och har en modulärstruktur, är deras reglering avsevärt mer komplicerad jämfört med två- ellertre-nivåomvandlare, eftersom ett mycket större antal switchar och kondensatorerär nödvändiga i en sådan topologi. Denna avhandling sätter fingretpå de parametrar som måste beaktas när man konstruerar regleringen för enM2C, genom att analysera den interna dynamiken, samt att föreslå sätt attstyra sådana omvandlare såatt stabil drift kan säkerställas utan att negativtpåverka prestanda.Ett speciellt fokus läggs på växelströmsmotordrifter eftersom de är särskiltutmanande vad gäller prestanda. Växelverkan mellan den interna dynamikenoch motorns dynamik undersöks experimentellt. Problemet att driva motornvid stillestånd behandlas även i fallet med hög ström och högt moment för atterhålla kunskap om kraven påomvandlaren i sådana fall. Slutligen föreslås enoptimering av omvandlarens drifttillstånd för att undvika överdimensioneringav omvandlarens komponenter i de fall detta är möjligt.Alla analytiska undersökningar som läggs fram i denna avhandling är bekräftadegenom experimentella resultat från en laboratorieomvandlare, somutvecklats inom ramen för detta arbete. Den experimentella verifieringen bevisargiltigheten av alla teoretiska undersökningar. Den visar också på demycket goda prestanda som de utvecklade styrmetoderna har vid drift aven verklig fysisk omvandlare. Förhoppningen är att resultaten från detta arbetekan komma till använding i storskaliga implementerinar i mega- ellergiga-wattklassen.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2014. xii, 74 p.
Series
TRITA-EE, ISSN 1653-5146 ; 2014:063
Keyword
Capacitor-Voltage Control, Controller Interaction, Converter Control, Energy Balance, Lyapunov Stability, Medium-Voltage Drives, Modular Multilevel Converter, Modulation, Open-Loop Control, Optimization, Variable-Speed Drives, Voltage-Source Converter., Energibalans, Kondensatorspänningsstyrning, Lyapunov-stabilitet, Mellan-spänning drivsystem, Modulation, Modulär multinivåomvandlare, Omvandlarstyrning, Optimering, Regulatorväxelverkan, Spänningsstyva omvandlare, Varvtalsstyrda motordrifter, Öppen styrning.
National Category
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Research subject
Electrical Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-156200 (URN)978-91-7595-382-3 (ISBN)
Public defence
2014-12-15, Sal F3, Lindstedsvägen 26, KTH, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20141201

Available from: 2014-12-01 Created: 2014-11-24 Last updated: 2014-12-01Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records BETA

Nee, Hans-Peter

Search in DiVA

By author/editor
Antonopoulos, AntoniosIlves, KalleÄngquist, LennartNee, Hans-Peter
By organisation
Electrical Machines and Power Electronics
Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
isbn
urn-nbn

Altmetric score

doi
isbn
urn-nbn
Total: 458 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf