Online Condition Monitoring, Adaptive Control, and Novel Submodule Designs in Cascaded H-Bridge and Modular Multilevel Converters
Tid: Fr 2025-02-07 kl 10.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Elektro- och systemteknik
Respondent: Mohsen Asoodar , Elkraftteknik
Opponent: Professor Remus Teodorescu, Aalborg University, Aalborg, Denmark
Handledare: Professor Hans-Peter Nee, Elkraftteknik
QC 20250122
Abstract
Tillförlitlig drift av flexibla växelspänningstransmissionsystem (FACTS) och högspänd likströmsöverföring (HVDC) är nödvändiga för stabil drift av moderna kraftnät. Effektomvandlare som har tagits fram med höga tillförlitlighetskrav kan fortfarande uppleva driftstörningar som resultat av komponentfel. Dessa är inte konstruktionsfel, utan snarare ett resultat av processvariationer i komponenttillverkning som kan leda till överbelastning och haverier i strategiska komponenter. Följaktligen kan online-estimering av parametrar som ger information om hälsotillståndet (SOH) för viktiga komponenter i omvandlaren vara behjälpliga i att undvika oplanerade driftstörningar och öka tillgängligheten.
Så kallade Cascaded H-bridge converters (CHBC) och Modular Multilevel Converters (MMC) anses för närvarande vara de mest avancerade lösningarna för högspänd högeffektomvandling i både växelspännings- och likspänningstillämpningar. Denna avhandling presenterar olika lösningar för online-övervakning av hälsotillstånd för submodulkondensatorer och effekthalvledarkomponenter, vilka räknas bland de mest kritiska komponenterna i CHBC- och MMC- tillämpningar. Dessutom föreslås nya metoder att separera temperaturrelaterade variationer av hälsoparametrar från hälsorelaterade variationer av dessa parametrar. De föreslagna metoderna för tillståndsövervakning kategoriseras allmänt som tidsbaserade och frekvensbaserade tekniker. Båda metoderna analyseras noggrant och fördelarna och nackdelarna med respektive metod belyses. Vidare belyses robustheten hos de föreslagna lösningarna vid olika driftförhållanden och under inverkan av mätosäkerheter som brus.
Avhandlingen presenterar också adaptiva online-metoder för att minska spänningspåkänningen av komponenter som antas vara hälsodegraderade. Reduktion av påkänningar uppnås genom ett modifierat moduleringsförfarande, där kondensatorspänningen hos hälsodegraderade submoduler reduceras. Denna adaptiv styrning av submodulkondensatorernas spänning visar sig ha en obetydlig inverkan på kvaliteten av den genererade utgångsströmmen.
Slutligen föreslås nya effekthalvledarmoduler som nyttjar såväl serie- som parallellkopplade halvledarenheter. De föreslagna lösningarna syftar till att förenkla skyddssystemet och potentiellt erbjuda feltålighet vid enhetsfel i modulen. Den största utmaningen för den föreslagna konstruktionen är spänningsbalanseringen av de seriekopplade enheterna. Två olika aktiva snubbersystem för överspänningsskydd för varje enhet föreslås. Det ena är ett återkopplat reglersystem och det andra är ett sensorlöst självinitierande system.
De olika lösningarna som presenteras i denna avhandling har validerats genom en rad olika tillvägagångssätt, inklusive analytiska metoder, tidsdomänsimuleringar, experiment eller en kombination av dessa.