Digital communications for the control of modular multilevel converters
- Autores: Tomás Perpetuo Correa
- Directores de la Tesis: Emilio José Bueno Peña (dir. tes.), Francisco Javier Rodríguez Sánchez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2019
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Roberto Alves (presid.), Raúl Mateos Gil (secret.), Luis Miguel Pinho de Almeida (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Electrónica: Sistemas Electrónicos Avanzados. Sistemas Inteligentes por la Universidad de Alcalá
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
- español
Inventado en 2001, el 'Modular Multilevel Converter' (MMC) marcó un salto en la tecnología importante en la gestión de redes energéticas de alta tensión. Desde entonces, los convertidores MMCs han ganado mucha atención en la academia y en la industria y han sido ampliamente estudiados.
Sin embargo, el número de trabajos que exploran el uso de las comunicaciones digitales dentro de los lazos de control internos de los MMCs, con periodos de muestreo del orden de los cientos de microsegundos, es muy reducido. La comunicación digital empleada para implementar una red de control interno simplifica el montaje y el mantenimiento del convertidor. También permite adaptar nuevas estrategias de control o parametrizar las celdas que conforman el MMC durante la operación. Todo ello justifica el estudio que se va a realizar en esta Tesis, relacionado con el empleo de comunicaciones de alta velocidad dentro de los lazos internos de control de los MMCs.
En este trabajo, se investigan varios aspectos de las comunicaciones digitales de alta velocidad para MMC. Comienza con una revisión de los principios operativos y las características de control particulares de los MMCs, y del estado de la técnica de las soluciones de comunicación para convertidores electrónicos de potencia de características similares. También se discute la interacción entre el modelo del MMC y los retardos introducidos por la red de comunicaciones interna de alta velocidad, lo que influye tanto en el diseño de los lazos de control como en la elección de dicha red de comunicaciones.
Para reducir el efecto en la operación del convertidor, de forma que este siga verificando los códigos de red desde el punto de vista de tiempos de actuación ante perturbaciones transitorias de la red, en esta Tesis se propone una estrategia de co-diseño para el control y las comunicaciones que permite operar a redes de comunicaciones conectadas en anillo y basadas en Ethernet con Tiempos de Ciclo Mínimos (Minimum Cycle Time), de forma que el convertidor verifique los tiempos de respuesta establecidos, lo cual es especialmente crítico en convertidores con cientos de celdas. La Tesis también estudia el retardo interno introducido por los nodos Ethernet y se proponen aceleradores de hardware implementados sobre Field Programmable Array (FPGA) lo que minimiza la latencia durante la recepción de paquetes.
Para compensar los retardos introducidos por las comunicaciones, y asegurar un comportamiento óptimo del lazo, se propone el empleo de un predictor basado en un modelo del control de corriente. Se verifica su operación ante variaciones de los parámetros del convertidor, presentando resultados de simulación y experimentales.
En conclusión, la Tesis pretende ser una contribución relevante en la introducción de comunicaciones de alta velocidad en los lazos de control con tiempos de muestreo reducidos de convertidores multinivel de elevado número de celdas, verificando las normativas en cuanto a tiempos de respuesta, pero a la vez optimizando el montaje y mantenimiento de este tipo de convertidores
- English
Invented in 2001, the Modular Multilevel Converter (MMC) marked a leap in the technology for converting and controlling the electrical energy in high voltage levels. The MMC has gained much attention in both academy and industry ever since, and it has been widely studied.
Nevertheless, the number of works that explore the use of digital communications in this application domain is limited. The digital communication employed to implement an internal control network simplifies the converter assemblage and maintenance; it also brings several benefits, such as the ability to adopt new control strategies or to parameterize the cells during operation.
In this work, we investigate several aspects of high-speed digital communications for MMCs. It starts with a review of the operating principles and particular control characteristics of the Modular Multilevel Converter and the state-of-the-art of communication solutions for power electronic converters. We also discuss how the MMC and the internal network interact and influence both the design and operation of each other.
Next, a codesign strategy for the control and communication makes possible to operate Ethernet-based ring networks with quasi-optimum Minimum Cycle Time, allowing the control algorithms to execute at the necessary high rates, what is especially difficult in converter with hundreds of cells.
Following, we investigate the internal delay of Ethernet nodes and propose hardware accelerators for implementation in Field Programmable Array technology that can minimize the latency during the reception of packets.
Finally, a model-based predictor compensates for the loop delay and overcome some of the limitations caused by the introduction of the network. We explain the predictor in mathematical terms, assess the influence of parameter variations, and present simulation and experimental results to demonstrate its effectiveness.
After all, the thesis intends to make relevant contributions to the use of high-speed digital communications in Modular Multilevel Converters with a high number of cells, allowing at the same time all the benefits of such implementation without compromising the high performance of the system control
- español
