SENSOR-REDUCED VOLTAGE ESTIMATION TECHNIQUE FOR MODULAR MULTILEVEL CONVERTERS (MMC) BASED ON PS - PWM AND GATE SIGNALS

Over the past fifty years, the growth of renewable energy sources (RES) like photovoltaic arrays and wind farms, along with the rise of electric vehicles, has altered power flow in electrical systems from a unidirectional to a bidirectional model. This shift has increased the complexity of managing and controlling electrical systems. Medium Voltage Direct Current (MVDC) distribution systems have evolved as a more efficient alternative to alternating current systems due to decreased losses, compatibility with renewable energy sources, and greater control and stability. The Modular Multilevel Converter (MMC) stands out for its great efficiency, scalability, and ability to generate high-quality voltage waveforms. It is especially successful in MVDC applications since it has lower harmonic distortion than traditional two-level converters. The thesis, completed at Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, focuses on improving techniques for predicting submodule voltages in MMCs. The major goal is to develop and evaluate the best estimating strategies in order to decrease sensor utilization while retaining accuracy for optimal control system performance. The study uses MATLAB's Simulink to simulate and evaluate two estimating methods: an existing methodology developed by Wei Tian et al. and a novel method based on gate signals and arm voltage measurements. Simulation experiments validate both approaches' usefulness under a variety of scenarios, with the suggested strategy outperforming both in terms of accuracy, cost-efficiency, resilience, and effectiveness. Future study will include testing these simulation results in a laboratory context to assure their practical use. The thesis finishes by summarizing major findings, evaluating their ramifications, and making recommendations for further research.

Negli ultimi cinquant'anni, la crescita delle fonti di energia rinnovabile (FER) come i pannelli fotovoltaici e gli impianti eolici, insieme all'ascesa dei veicoli elettrici, ha modificato il flusso di potenza nei sistemi elettrici da un modello unidirezionale a uno bidirezionale. Questo cambiamento ha aumentato la complessità della gestione e del controllo dei sistemi elettrici. I sistemi di distribuzione a media tensione in corrente continua (MVDC) si sono evoluti come un'alternativa più efficiente ai sistemi a corrente alternata grazie a perdite ridotte, compatibilità con fonti di energia rinnovabile e maggiore controllo e stabilità. Il convertitore multilivello modulare (MMC) si distingue per la sua grande efficienza, scalabilità e capacità di generare forme d'onda di tensione di alta qualità. Ha particolarmente successo nelle applicazioni MVDC poiché ha una distorsione armonica inferiore rispetto ai tradizionali convertitori a due livelli. La tesi, completata presso la Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, si concentra sul miglioramento delle tecniche per prevedere le tensioni dei sottomoduli negli MMC. L'obiettivo principale è sviluppare e valutare le migliori strategie di stima al fine di ridurre l'utilizzo dei sensori mantenendo la precisione per prestazioni ottimali del sistema di controllo. Lo studio utilizza Simulink di MATLAB per simulare e valutare due metodi di stima: una metodologia esistente sviluppata da Wei Tian et al. e un nuovo metodo basato su segnali di gate e misurazioni della tensione del braccio. Gli esperimenti di simulazione convalidano l'utilità di entrambi gli approcci in una varietà di scenari, con la strategia suggerita che supera entrambi in termini di accuratezza, efficienza dei costi, resilienza ed efficacia. Uno studio futuro includerà il test di questi risultati di simulazione in un contesto di laboratorio per garantirne l'uso pratico. La tesi si conclude riassumendo i risultati principali, valutandone le ramificazioni e formulando raccomandazioni per ulteriori ricerche.