Control Methods for Multilevel Converters

Abstract

This thesis aims to develop new control methodologies for the Packed U-Cell (PUC) converter. The main problem lies in the structure of the PUC converter, where it is a hybrid type of multilevel converter (MLC) similar to cascaded H-bridge converters. From the control prospective, the topology has discrete digital control inputs, thus conventional modulation techniques cannot be directly applied to the converter. Proper control methods have to be introduced in order to make use of the great advantages of the PUC converter. These control methods have to be simple in implementation for industrial environment with low switching frequency. Additionally, the newly proposed control methods should have advantages over the existing ones. In the first attempt of this thesis, a modified version of model predictive control (MPC) has been integrated to control grid connected PUC inverters. Mainly, the cost function is formulated to guarantee the stability of the controlled system. Then, the gains associated with the controlled variables are eliminated in order to simplify the control. The proposed controller has shown great features in terms of stability and low average switching frequency. In the second attempt of this thesis, the interesting features of sliding mode theory are utilized to serve the control problem in a better way. The proposed controller is very simple to implement with low computation time, which reduces the computational burden on the controller. The controller aims to allocate the control input which stabilizes both the grid current and the auxiliary capacitor voltage in the grid connected PUC inverter. Lastly, the control problem of the PUC rectifier with a dual output is targeted using Lyapunov-based MPC. This attempt is done in order to prove the workability of the controller for three control variables. In this method Lyapunov-based MPC doesn’t require gain tuning as in the PUC inverter problem. Load current measurements are eliminated by making use of the mathematical model of the PUC converter. This significantly reduces the cost and simplifies the control algorithm, where no current sensors are used for the load measurements. For all proposed methods, simulations and experimental tests were done in order to justify the correctness of the proposed methods. Dynamic tests and parameter mismatch tests are carried out to measure the controller response and to show the robustness feature of the proposed controllers. Keywords: Finite control set, Lyapunov control, model predictive control, multilevel converter, packed U-Cell converter, sliding mode control.

OZ¨: Bu tezin amacı PUC c¸evirgec¸ler ic¸in yeni denetleme yontemleri gelis¸tirmektir. Bu ¨ c¸evirgec¸lerde esas sorun, ardarda baglanmıs¸ H-k ˘ opr ¨ uye benzer c¸oklu-seviyeli melez ¨ bir sınıf olmalarından kaynaklanan yapılarından dolayıdır. Denetleme ac¸ısından bakıldıgında, bu c¸evirgec¸lerin topolojisinde ayrık ve sayısal denetleme giris¸leri vardır. ˘ Dolayısıyla, geleneksel kipleme yontemleri bu c¸evirgec¸lere do ¨ grudan uygulanamaz. ˘ PUC c¸evirgec¸lerinin avantajlarından faydalanan uygun denetleme yontemlerinin ¨ gelis¸tirilmesi gerekir. Bu yontemlerin, end ¨ ustriyel ortamlara uygun ve d ¨ us¸¨ uk¨ anahtarlama sıklıklarına sahip basit bir s¸ekilde gerc¸ekles¸tirilebilmeleri gerekir. Buna ek olarak, onerilen denetleme y ¨ ontemlerinin var olanlara g ¨ ore avantajlarının olması ¨ gerekir. Model ong ¨ or¨ uc¨ u denetlemenin (M ¨ OD) c¸oklu-seviyeli c¸evirgec¸ler gibi ¨ endustriyel uygulamalarda kullanılması da dikkate alınarak, bu y ¨ ontemin ¨ farklılas¸tırılmıs¸ bir tur¨ u s¸ebekeye ba ¨ glı PUC evirgec¸lerinin denetlenmesi ic¸in ˘ gelis¸tirilmis¸tir. Esas olarak eder is¸levi, denetlenen sistemin kararlılıgını garanti ˘ edecek s¸ekilde duzenlenmis¸tir. Denetlenen de ¨ gis¸kenlere ait kazanc¸lar, bazı ˘ varsayımlar kullanılarak ve denetlemeyi basitles¸tirmek amacı ile elenmis¸tir. Onerilen ¨ denetleyicinin, kararlılık ve dus¸¨ uk ortalama anahtarlama sıklı ¨ gı gibi ˘ onemli ¨ ozelliklere sahip oldu ¨ gu g ˘ ozlenmis¸tir. ¨ Bu tezdeki ikinci giris¸imde, denetleme sorununa daha iyi c¸oz¨ umler getirmek ic¸in, ¨ kayan kiplemeli denetleme kuramının onemli ¨ ozelliklerinden yararlanılmıs¸tır. ¨ Onerilen denetleyici, denetleyicinin ¨ uzerindeki hesaplama y ¨ uk¨ un¨ u azaltan, oldukc¸a ¨ basit bir tarzda gerc¸ekles¸tirilebilmektedir. Denetleyicinin amacı denetleme giris¸lerini, s¸ebekeye baglı PUC evirgec¸inin s¸ebekeye verdi ˘ gi akımı ve sı ˘ gac¸ gerilimini kararlı ˘ duruma getirecek s¸ekilde belirlemektir. Son olarak, c¸ift c¸ıkıs¸lı PUC dogrultucuların denetleme sorununu Lyapunov tabanlı ˘ MOD kullanarak c¸ ¨ ozmek hedeflendi. Bu giris¸im, ¨ uc¸ de ¨ gis¸kenli denetleme durumunda ˘ denetleyicinin c¸alıs¸abilir oldugunu g ˘ ostermek ic¸in yapıldı. ¨ Onerilen y ¨ ontemde, PUC ¨ evirgec¸inde oldugu gibi, Lyapunov tabanlı M ˘ OD kazanc¸ ayarına gereksinim ¨ duymamaktadır. PUC c¸evirgec¸inin matematiksel modeli kullanılarak yuk akımı ¨ olc¸ ¨ umleri elenmis¸tir. Bu da, denetleme algoritmasını basitles¸tirmis¸ ve akım ¨ duyac¸larına gereksinimi ortadan kaldırarak ederi onemli ¨ olc¸ ¨ ude azaltmıs¸tır. ¨ Onerilen ve PUC topolojisine uygulanan denetleme y ¨ onteminin bas¸arımını g ¨ ostermek ¨ amacıyla benzetim ve deney sonuc¸ları sunulmus¸tur. Denetleyicinin yanıt hızını olc¸mek ve sa ¨ glamlık ˘ ozelli ¨ gin g ˘ ostermek amacı ile dinamik ve parametre uyus¸mazlı ¨ gı˘ sınamaları yapılmıs¸tır. Anahtar Kelimeler: Sınırlı denetim kumesi, model ¨ ong ¨ or¨ ul¨ u denetim, c¸ok katmanlı ¨ c¸evirgec¸, istiflenmis¸ U-hucre c¸evirgec¸, kayan kipli denetim.