Contribuições para o conversor modular matricial multinível - M3C

Abstract

Este trabalho aborda o estudo e a aplicação de uma estratégia de modulação e controle para o conversor modular matricial multinível (M3C). A adoção da modulação por vetores espaciais não ortogonais (SVM) emerge como uma alternativa superior, ofertando desempenho aprimorado em relação à modulação convencional. O esquema de controle é dividido em três partes: o controle da corrente de entrada, o controle da corrente de saída, e o equilíbrio das tensões nos capacitores. Para o equilíbrio dos capacitores, é desenvolvido um algoritmo responsável por equalizar as tensões dos capacitores dentro de um mesmo módulo. Além disso, uma função matemática avalia o custo do impacto de cada vetor aplicado pela modulação nas tensões dos capacitores, permitindo a escolha do vetor que contribuirá para manter as tensões equilibradas. As estratégias de controle e modulação propostas possibilitam a geração de formas de onda de corrente senoidais, tanto na entrada quanto na saída do conversor, caracterizando-se por uma baixa distorção harmônica. A estrutura flexível do M3C permite a variação de frequência, amplitude e deslocamento das correntes em ambos os lados do conversor, permitindo ajustar o fator de potência de entrada e manter o equilíbrio das tensões dos capacitores, alcançando um fator de potência unitário. O software de simulação Simulink é empregado para desenvolver os algoritmos utilizados na modulação e controle da topologia. Esta ferramenta possibilita a análise isolada de cada etapa de operação da topologia, fornecendo uma visão prévia do comportamento do sistema e validando o controle e a operação do conversor por meio de simulação. Os experimentos são realizados em um conversor M3C configurado com seis submódulos em série, apresentando uma capacidade de 2 MVA e operando a uma tensão de 13,8 kV. Resultados experimentais são obtidos utilizando a técnica de Hardware-in-the-Loop (HIL) com o sistema OPAL RT modelo 5700. Diversos parâmetros e variáveis, como tensões, correntes, potência e resposta dinâmica, são analisados para avaliar a robustez e eficácia do conversor em condições adversas. Os resultados obtidos validam as estratégias de controle e modulação propostas.

Abstract: This work presents the study and implementation of a modulation and control strategy for the Modular Multilevel Matrix Converter (M3C). The adoption of non-orthogonal Space Vector Modulation (SVM) emerges as a superior alternative, offering enhanced performance compared to conventional modulation. The control scheme is divided into three parts: input current control, output current control, and capacitor voltage balancing. For the balancing of the capacitors, an algorithm is developed to equalize the capacitor voltages within the same module. Moreover, a mathematical function evaluates the cost impact of each vector applied by the modulation on the capacitor voltages, allowing the selection of the vector that will contribute to maintaining balanced voltages. The proposed control and modulation strategies enable the generation of sinusoidal current waveforms, both at the converter's input and output, characterized by low harmonic distortion. The flexible structure of the M3C allows for the variation of frequency, amplitude, and phase shift of currents on both sides of the converter, enabling the adjustment of the input power factor and maintaining the balance of the capacitor voltages, achieving a unity power factor. The Simulink simulation software is employed to develop the algorithms used in the modulation and control of the topology. This tool allows for the isolated analysis of each operation stage of the topology, providing a preliminary view of the system behavior and validating the control and operation of the converter through simulation. Experiments are conducted on an M3C converter configured with six series-connected submodules, with a capacity of 2 MVA and operating at a voltage of 13.8 kV. Experimental results are obtained using the Hardware-in-the-Loop (HIL) technique with the OPAL RT model 5700 system. Various parameters and variables, such as voltages, currents, power, and dynamic response, are analyzed to assess the robustness and effectiveness of the converter under adverse conditions. The obtained results validate the proposed control and modulation strategies.