Thesis:

A Two–Stage Model Predictive Control Strategy for Three–level NPC Converters based on Multistep Finite Control Set and Optimal Pulse Patterns

La transferencia de energía entre fuentes de energía y el sistema eléctrico debe cumplir con una larga y rigurosa lista de requisitos técnicos y operacionales. En este contexto, los convertidores de tres niveles con punto neutro comprimido conectados a la red mediante filtro LCL se han convertido en una configuración popular para aplicaciones de alta potencia y voltaje medio, como la integración de recursos energéticos distribuidos. La presencia del filtro LCL aumenta la complejidad del sistema de control cuando se utilizan esquemas de control lineales tradicionales, por lo que las estrategias de control predictivo de modelo (MPC, por sus siglas en inglés) surgen como una alternativa conveniente debido a que han demostrado una excelente capacidad de seguimiento de referencia y una rápida respuesta dinámica. Sin embargo, la complejidad computacional de las estrategias MPC se convierte en un problema, ya que las plataformas de control comerciales deben ejecutar los cálculos en tiempo real en decenas de microsegundos. Entre las estrategias MPC disponibles, el MPC de conjunto de control finito multietapa (MFCS, por sus siglas en inglés) ha demostrado ser una opción viable en cuanto a carga computacional. No obstante, los controladores MFCS no generan voltajes periódicos ni simétricos entre las fases del sistema, lo que da lugar a espectros de Fourier continuos en los estados del sistema, lo que es un inconveniente fundamental para aplicaciones conectadas a la red, ya que los códigos de red imponen límites sobre las amplitudes admisibles de los componentes armónicos de las corrientes de la red. Por otro lado, los patrones de pulsos óptimos (OPP, por sus siglas en inglés) garantizan una frecuencia de conmutación baja y fija de los semiconductores, minimizando la distorsión de las variables de estado. Sin embargo, las formulaciones actuales de los OPPs asumen que el sistema puede modelarse como una carga puramente inductiva, lo que llevaría a un rendimiento subóptimo y no permitiría agregar restricciones que aseguren el cumplimiento de los códigos de red respecto a las corrientes de la red. Este trabajo propone integrar dos etapas de optimización que aborden diferentes objetivos de control en un único marco de control generalizado. Este marco se utilizó para desarrollar una estrategia de control (OPP-MFCS) que combina los beneficios de los OPP y los controladores MFCS. Para ello, se propuso una nueva formulación para los OPPs considerando el modelo del filtro LCL, lo que permite la minimización directa de la distorsión total de demanda (TDD) de las corrientes de la red mientras se garantiza que se cumplan los límites admisibles para los componentes armónicos. Además, al formular un controlador MFCS con horizonte de predicción de tamaño variable, fue posible extender el tiempo cubierto por el horizonte de predicción sin carga computacional adicional. Esta mejora permitió un mejor rendimiento del controlador tanto en las respuestas transitorias como en estado estable del sistema. Se realizaron análisis exhaustivos de las contribuciones de los OPPs, los controladores MFCS y la estrategia OPP-MFCS. La estrategia OPP-MFCS fue probada mediante simulaciones y experimentos con hardware en el lazo, mostrando su capacidad para cumplir con la norma técnica IEEE Std. 519-2022 mientras el convertidor opera a una frecuencia de conmutación baja y fija, con voltajes periódicos y simétricos, cumpliendo con todos los objetivos de control definido

Power transference between energy sources and the power system must meet a long and rigorous list of technical and operational requirements. To this end, LCL filter grid–connected three–level neutral point clamped converters have become a popular configuration for medium–voltage high– power applications, such as integrating distributed energy resources. The presence of the LCL filter increases the complexity of the control system when using traditional linear control schemes, so model predictive control (MPC) strategies arise as a convenient alternative as they have proved to render excellent reference tracking together with a fast dynamic response. Nevertheless, the computational complexity of MPC strategies becomes an issue as commercial control platforms must execute the real–time calculations in some tens of microseconds. Among the possible MPC strategies available, multistep–finite–control–set (MFCS) MPC has already been proven to be a vi able option regarding computational burden. However, MFCS controllers do not generate periodic nor symmetric voltages between the phases of the system, resulting in continuous Fourier spec tra in the system’s states. This a fundamental drawback for grid–connected applications, as grid codes pose limits to the admissible amplitudes of the grid currents’ harmonic components, where the analysis over interharmonics depends on the specific application, making MFCS controllers unsuitable for this type of application. On the other hand, optimal pulse patterns (OPP) guaran tee a low and fixed switching frequency of the semiconductors while minimizing the distortion of the state variables. However, the state–of–the–art formulations for OPPs assume that the system can be modeled as a purely inductive load. Such a model would lead to suboptimal performance and would not allow adding constraints that guarantee meeting with grid codes regarding the grid currents. This work proposes integrating two optimization stages dealing with different control objectives into a single and generalized control framework. This framework was then used to develop a control strategy (OPP–MFCS) that combines the benefits of OPPs and MFCS controllers. To this end, a novel formulation for OPPs considering the model of the LCL filter was proposed, allowing the direct minimization of the total demand distortion (TDD) of the grid currents while guaranteeing that the admissible limits for the harmonic components are met. On the other hand, by formulating a novel variable–step–size prediction horizon MFCS controller, extending the time–span covered by the prediction horizon with no additional computational burden was possible. This improvement led to an enhanced controller performance regarding both transient and steady–state responses of the system. Extensive analyses of the contributions regarding OPPs, MFCS controllers, and the OPP– MFCS strategy were held. The OPP–MFCS strategy was tested through both simulation and hardware–in–the–loop experiments, showing its capability of meeting with the IEEE Std. 519– 2022 technical standard while the converter operates at a low and fixed switching frequency of the semiconductors, with periodic and symmetric voltages, fulfilling all control objectives defined.