TECNICHE DI CONTROLLO FAULT-TOLERANT PER MODULAR MULTILEVEL CONVERTER IBRIDO CON SUBMODULI IN RISERVA CALDA E FREDDA.

In recent years, interest in Medium Voltage Direct Current distribution systems has grown significantly, driven by the diffusion of renewable energy sources, such as photovoltaics, wind farms, and electric vehicle charging stations. This evolution has necessitated the use of advanced power converters and reliable protection systems against direct current faults. This thesis work focuses on the Modular Multilevel Converter, which is considered a promising candidate for medium-voltage DC applications due to its distinctive features such as voltage waveform quality, modularity, and adaptability to different voltage and power levels. As the name suggests, the Modular Multilevel Converter uses a series of building blocks, called submodules, in each arm, to generate the multilevel stepped waveform at the output. The submodules can be of different typologies, but the most common are half-bridge and full-bridge. While the former topology is simpler and cheaper, the latter offers the advantage of blocking DC faults although it requires twice as many power devices. Hybrid MMC combines the advantages of HBSM and FBSM, providing lower costs and power losses compared to FBSM, and greater flexibility compared to HBSM. Ensuring the continuity of MVDC networks is of crucial importance. Therefore, the first objective of this thesis is to enable the MMC to maintain stable voltage and current even under reduced DC voltage conditions. A second objective is to study fault-tolerant control techniques to prevent unbalances in the output waveforms caused by faults in the individual submodules. In particular, redundant submodules operating in hot reserve or cold reserve mode were introduced into the MMC structure. Therefore, known and unknown control techniques were implemented, improved and applied to the hybrid configuration of the MMC. All master's thesis work was conducted at the Chair of Power Electronics at the Institute of Electrical Engineering and Information Technology CAU in Kiel.

Negli ultimi anni, l’interesse verso i sistemi di distribuzione in media tensione in corrente continua (MVDC) è cresciuto significativamente, spinto dalla diffusione delle fonti rinnovabili, come il fotovoltaico e l’eolico, e dall’espansione delle stazioni di ricarica dei veicoli elettrici. Questa evoluzione ha reso cruciale l’impiego di convertitori di potenza avanzati e sistemi di protezione affidabili contro i guasti in corrente continua (DC). Questo lavoro di tesi si focalizza sul convertitore modulare multilivello (MMC), considerato una soluzione promettente per le applicazioni MVDC grazie alle sue caratteristiche peculiari, tra cui la qualita della forma d’onda della tensione, la modularità e la sua adattabilità ai diversi livelli di tensione e potenza. Il submodulo (SM) rappresenta la cella base dell’MMC e puo essere un half bridge (HBSM) o un full bridge (FBSM). Mentre la prima topologia e più semplice ed economica, la seconda offre il vantaggio di bloccare i guasti in corrente continua, pur richiedendo il doppio dei dispositivi di potenza. L’MMC ibrido combina i vantaggi dell’HBSM e dell’FBSM, garantendo minori costi e perdite di potenza rispetto all’MMC FBSM, e una maggiore flessibilita rispetto all’MMC HBSM. Garantire la continuita delle reti MVDC è di importanza cruciale. Il primo obiettivo della tesi e quindi consentire all’MMC di mantenere tensione e corrente stabili anche in condizioni di tensione continua ridotta. Un ulteriore obiettivo è lo studio di tecniche di controllo fault-tolerant per prevenire gli squilibri sulle forme d’onda di uscita causati da guasti nei singoli submoduli. In particolare, all’interno della struttura dell’MMC, sono stati introdotti submoduli ridondanti operanti in modalità di riserva calda o riserva fredda. Quindi sono state implementate, migliorato e applicate tecniche di controllo già note e non alla configurazione ibrida dell’MMC. Tutto il lavoro di tesi è stato svolto presso la cattedra di Elettronica di Potenza dell’Istituto di Ingegneria Elettrica e Tecnologia dell’Informazione CAU di Kiel.