Scalable Control Allocation Methods for the Modular Multilevel Converter
Méthodes scalables de commande par allocation pour le convertisseur modulaire multiniveaux
Résumé
In the context of a rise in the use of static power converters, the beneficial features of Multilevel Modular Converters (MMCs) have led to their popularization. However, as the number of voltage levels and the number of phases increases, these converters have an increasing number of degrees of freedom to handle. Thus, MMCs represent a challenge for control because the number of control variables is higher than the constraints to be satisfied, making them overactuated systems and opening the way to optimization. Having first appeared in the 1980s in aeronautics to take advantage of the multiplicity of aerodynamic and redundant surfaces that an aircraft presents in order to control its trajectory (flaps, ailerons, control surfaces...), the control allocation methods have proven their worth and were progressively applied in different technologic fields. At the same time, control allocation has been the topic of research works leading to the integration of optimization algorithms in these control methods.The thesis concerns the development and implementation of real-time control allocation methods, with a focus on online optimization, for an MMC-based power conversion system.The first part of the thesis focuses on the control-oriented modelling of the MMC converter for the application of allocation methods. This step involves the development of different control models with different levels of detail and complexity. A strong result of this first part is a control model whose complexity is no longer impacted by the number of phases of the considered electrical system.The second part of the work concerns the development of a new allocation method for MMCs that takes advantage of the beneficial features of state-of-the-art methods. This approach leads to the programming of a new allocation algorithm with dynamic and static characteristics that can be easily adjusted and adapted. Its integration with existing methods is readily and seamlessly achieved.The third part of the work combines the two previous steps. First in simulation, the control allocation method of the converter is programmed and then tested and validated. For control, different architectures are designed and compared in order to evaluate their ability to achieve the performance required for the proper operation of the system. An analysis of the different control algorithms is then carried out. The main result of this part is the design of a new allocation algorithm allowing one to control the voltages across the capacitors as well as all the currents in each branch of the converter, achieving this result independently of the number of phases.The fourth step is about the experimental validation of the developed methods. To do so, the MMC converter available at the LAPLACE laboratory is used as well as a set of rapid prototyping tools (OPAL-RT) allowing to test and develop the algorithms in a safe and efficient way using a Hardware-In-the-Loop (HIL) technique.The fifth part of the work concerns the extension of the control algorithms outside the nominal operating zone of the converter. An approach is considered highlighting the capabilities of the allocation methods to reconfigure the operation of the MMC when a fault appears in one of the sub-modules. The results obtained in simulations show an improvement of the resilience of the converter, i.e., a continuity of operation in the presence of faults that justifies a future continuation of the work in that direction.The proposed contributions then conclude with perspectives for future exploration and investigation on the topic of allocation methods in electrical engineering.
Dans le cadre de la montée en puissance des convertisseurs statiques, les différents avantages qu’il y a à utiliser les Convertisseurs Modulaires Multiniveaux (MMC) ont mené à leur popularisation. Cependant, à mesure que le nombre de niveaux de tension et le nombre de phase augmentent, ces convertisseurs présentent un nombre de plus en plus important de degrés de liberté pour en effectuer la commande. Ainsi les MMC représentent un défi pour la commande car le nombre de variables de commande est alors supérieur aux contraintes à satisfaire, faisant d’eux des systèmes redondants ou encore sous-déterminés ce qui ouvre la voie de l’optimisation. D’abord apparues dans les années 1980 dans l’aéronautique pour tirer profit de la multiplicité des surfaces aérodynamiques et des redondances associées que présente un avion afin d’en contrôler sa trajectoire (volets, ailerons, gouvernes…), les méthodes de commande par allocation ont fait leurs preuves en étant progressivement appliquées dans différents domaines technologiques. En parallèle ces algorithmes ont fait l’objet de travaux pour améliorer les performances obtenues et notamment s’adapter aux systèmes commandés.Le sujet de la thèse concerne donc le développement et l’implémentation en temps réel de méthodes de commande par allocation, avec un souci d’optimisation en ligne, pour un système de conversion d’énergie à base de MMC.La première partie de la thèse portent sur la modélisation du convertisseur MMC en vue de sa commande à partir de méthodes d’allocation. Ce qui implique le développement de différents modèles de commande avec différents niveaux de détails et de complexité. Un résultat fort issu de cette première partie est un modèle de commande dont la complexité n’est plus influencée par le nombre de phases du système électrique considéré.La deuxième étape des travaux concerne le développement d’une nouvelle méthode d’allocation qui met à profit les avantages des méthodes présentes dans l’état de l’art pour en concevoir une nouvelle plus adaptée. Ainsi cette démarche a conduit à la programmation d’un nouvel algorithme d’allocation présentant des caractéristiques dynamiques et statiques réglables et adaptables simplement, son intégration aux méthodes déjà existantes est aisée et presque immédiat.La troisième étape des travaux combine les travaux précédents. Tout d’abord en simulation, la méthode de commande par allocation du convertisseur est programmée puis testée pour finalement être validée. Pour la commande différentes architectures sont conçues permettant de réaliser des comparatifs afin d’évaluer leur capacité à atteindre les performances requises pour le bon fonctionnement du système. Il en découle une analyse des différents algorithmes de commande proposés. Le résultat principal de cette partie est la conception d’un nouvel algorithme d’allocation permettant de contrôler les tensions aux bornes des condensateurs ainsi que les tous les courants du convertisseur dans chacune des branches et ce indépendamment du nombre de phases.La quatrième étape porte sur la validation expérimentale des méthodes développées. Pour se faire, le convertisseur MMC disponible au laboratoire LAPLACE est utilisé ainsi qu’un ensemble d’outils de prototypage rapide (OPAL-RT) permettant de tester et mettre au point les algorithmes de façon sûre et efficace. La cinquième partie des travaux concerne l’extension, hors de la zone de fonctionnement nominale du convertisseur, des algorithmes de commande développés. En effet une ouverture est proposée mettant en exergue les capacités des méthodes d’allocation à reconfigurer le fonctionnement du MMC lorsqu’un défaut apparait dans l’un des sous-modules. Les résultats obtenus en simulation montrent une amélioration de la disponibilité du convertisseur, c’est-à-dire une continuité de fonctionnement en présence de défauts ce qui justifie l’intérêt de poursuivre les travaux dans cette direction.
Origine : Version validée par le jury (STAR)