Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section d'électricité, Institut des sciences de l'énergie ISE (Laboratoire d'électronique industrielle LEI)

Investigation and control of a hybrid asymmetric multi-level inverter for medium-voltage applications

Veenstra, Martin ; Rufer, Alfred (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2003 ; no 2846.

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    Summary
    Power-electronic inverters are becoming popular for various industrial drives applications. In recent years also high-power and medium-voltage drive applications have been installed. However, the existing solutions suffer from some important drawbacks. Hybrid asymmetric multi-level inverters promise significant improvements for medium-voltage applications. This dissertation investigates such a hybrid inverter. To simplify the topology, some inverter parts are deprived of their feeding from the net and can only supply reactive power. The non-supplied intermediate-circuit capacitor voltages are inherently unstable and require a suitable control method for converter operation, preferably without influence on the load. Apart from normal operation, also converter start-up is an issue to consider, for which it is desirable to limit additional equipment. In this dissertation, we investigate the behaviour of this new inverter, and develop methods to obtain its reliable operation for the considered applications. These methods include modulation, voltage stabilization and start-up. We establish suitable models for their foundation. The principle achievement of this work is the development of a control method to stabilize a multitude of capacitor voltages which have no equilibrium state. Power balancing is performed by varying the common-mode output voltage, using a non-linear model-predictive controller. This method, which is new to power electronics, is applied to our hybrid asymmetric nine-level inverter driving an asynchronous motor. Computer simulations and measurements on an experimental drive system demonstrate stable behaviour in steady-state and during transients over the whole operating range. The obtained results prove the possible implementation of such a complex control algorithm for fast real-time operation. As second important accomplishment, this thesis proposes a start-up method that charges the non-supplied intermediate-circuit capacitors in parallel with the supplied ones, without additional equipment. Measurements show its successful application in the investigated drive system.
    Zusammenfassung
    Leistungselektronische Umrichter gewinnen an Beliebtheit für verschiedenste industrielle Antriebe. In den letzten Jahren wurden ebenfalls Hochleistungsund Mittelspannungsantriebe installiert. Die bestehenden Lösungen leiden jedoch unter einige wichtige Nachteile. Hybride asymmetrische Mehrstufenumrichter versprechen wichtige Verbesserungen für Mittelspannungsanwendungen. Diese Dissertation untersucht einen solchen Hybridumrichter. Um den Leistungsteil zu vereinfachen werden einige Umrichterteile von ihren Netzspeisungen beraubt, weswegen sie nur noch Blindleistung liefern können. Die Spannungen der nichtgespiesenen Zwischenkreiskondensatoren sind unstabil und verlangen ein geeignetes Regelungsverfahren für den Umrichterbetrieb, vorzugsweise ohne Einfluss auf die Last. Neben dem Normalbetrieb ist auch der Aufstart des Umrichters ein wichtiges Thema, wofür zusätzliche Ausrüstung beschränkt werden sollte. In dieser Dissertation untersuchen wir das Verhalten dieses neuen Umrichters und entwickeln ein Verfahren zwecks Ermöglichung seines zuverlässigen Betriebs für die betrachteten Anwendungen. Diese Verfahren beinhalten Modulierung, Spannungsstabilisierung und Aufstart. Wir leiten geeignete Modelle zu deren Fundierung her. Das wichtigste ergebnis dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Regelungsverfahrens zwecks Stabilisierung einer Mehrzahl von Kondensatorspannungen die keinen Gleichgewichtszustand haben. Der Leistungsausgleich wird erreicht durch variieren der Homopolarspannungskomponente am Umrichterausgang, unter Verwendung eines nichtlinearen Vorhersagereglers. Dieses Verfahren, das neu ist in der Leistungselektronik, wird auf unserem hybriden asymmetrischen Neunstufenumrichter angewand, der einen Asynchronmotor antreibt. Computersimulationen und Messungen an einem experimentellen Antriebssystem demonstrieren ein stabiles Verhalten im ganzen Drehzahlbereich, sowohl im stationären wie im transienten Betrieb. Die erzielten Ergebnisse beweisen die mögliche Implementierung solch ein komplexes Regelverfahren für schnellen Echtzeitbetrieb. Als zweites wichtiges Ergebnis schlägt diese Abhandlung ein Aufstartverfahren vor, das die nichtgespiesenen Zwischenkreiskondensatorspannungen parallel zu den gespiesenen auflädt, ohne zusätzliche Ausrüstung. Messungen zeigen seine erfolgreiche Anwendung auf das untersuchte Antriebssystem.
    Résumé
    Les onduleurs de l'électronique de puissance gagnent en popularité pour diverses applications d'entraînements industriels. Au cours des dernières années, des applications moyenne tension de forte puissance ont également été installées. Cependant, les solutions existantes souffrent de certains inconvénients majeurs. Les onduleurs multiniveaux asymmétriques hybrides prommettent des améliorations considérables pour les applications moyenne tension. Cette thèse examine un tel onduleur hybride. Afin de simplifier la topologie, certaines parties de l'onduleur sont privées de leur alimentation réseau, et ne peuvent fournir que de la puissance réactive. Les tensions des condensateurs aux circuits-intermédiaires non-alimentés sont instables et requièrent une méthode de contrôle adéquate afin de permettre le fonctionnement du convertisseur, de préférence sans influence sur la charge. Indépendament du fonctionnement normal, le démarrage du convertisseur est également un sujet à étudier, pour lequel on souhaite limiter les équipements supplémentaires. Dans cette thèse, nous étudions le comportement de ce nouvel onduleur, et nous développons des méthodes afin d'obtenir un fonctionnement fiable pour les applications envisagées. Ces méthodes incluent la modulation, la stabilisation des tensions et le démarrage. Nous établissons des modèles appropriés pour leur fondement. Le résultat principal de ce travail est le développement d'une méthode de réglage pour stabiliser une multitude de tensions de condensateur n'ayant pas d'état d'équilibre. L'équilibrage des puissances est effectué par la variation de la composante homopolaire des tensions de sortie, en utilisant un régulateur prédictif non-linéaire. Cette méthode, qui est nouvelle dans le domaine de l'électronique de puissance, est appliquée à notre onduleur neuf-niveaux asymmétrique hybride entraînant un moteur asynchrone. Des simulations sur ordinateur ainsi que des mesures sur un système d'entraînement expérimental démontrent un comportement stable sur toute la plage de fonctionnement, aussi bien en régime stationnaire qu'en régime transitoire. Les résultats obtenus prouvent l'implémantation possible en temps réel rapide d'un algorithme fort complexe. Comme deuxième résultat important, cette thèse propose une méthode de démarrage qui pré-charge les condensateurs aux circuits-intermédiaires non-alimentés en parallèle avec ceux alimentés, sans équipement supplémentaire. Des mesures montrent sa mise en oeuvre réussie sur le système d'entraînement étudié.