Avancées sur les systèmes multi-terminaux HVDC : contrôleurs non linéaires pour convertisseurs modulaires à plusieurs niveaux

Advances in multi-terminal HVDC transmission systems : nonlinear controllers for modular multilevel converters

• Auteur / Autrice : Guacira Costa de Oliveira
• Direction : Françoise Lamnabhi-Lagarrigue, Renato Machado Monaro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 21/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Universidade de São Paulo (Brésil)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des signaux et systèmes (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1974-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Elena Panteley
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno François, Alexandre Sanfelici Bazanella, Gilney Raymundo Damm, Rodrigo Andrade Ramos, Paulo Fernando Ribeiro
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bruno François, Alexandre Sanfelici Bazanella

Mots clés

Mots clés contrôlés

Courants continus

Liapounov, Stabilité de

Convertisseurs multiniveaux

Mots clés libres

Convertisseurs modulaires à plusieurs niveaux

Contrôle non linéaire

Théorie de Lyapunov

Modèle MMC bilinéaire moyen

Conversores Modulares Multiníveis

Controle Não-linear

Teoria de Lyapunov

Modelo Médio Bilinear de MMC

Modular Multilevel Converter

Nonlinear Control

Lyapunov Theory

MMC Average Bilinear Model

Résumé

Le convertisseur modulaire à plusieurs niveaux est un sujet d'intérêt important et actuel dans le contexte des applications de systèmes de transmission haute tension à courant continu. Cette topologie convient à plusieurs applications, en raison de pertes de commutation plus faibles dues à une fréquence de commutation plus petite, à une faible distorsion harmonique de courant alternatif, à une structure modulaire permettant une construction évolutive, et une maintenance plus simple. Cependant, une stratégie de contrôle plus complexe est nécessaire pour contrôler le courant circulant, pour compenser le déséquilibre de tension entre les circuits et l'équilibrage de tension de SM, de manière à maintenir constantes les tensions des condensateurs de SM. Cette thèse présente deux contrôleurs non linéaires pour un MMC, capables de contrôler les courants circulants et l'énergie dans le convertisseur. Le premier est conçu selon la théorie bilinéaire basée sur le contrôle de rétroaction quadratique. Le deuxième contrôleur proposé est développé en utilisant la théorie de Lyapunov, fortement basé sur des techniques de perturbation singulière et de linéarisation par bouclage. Pour les deux, une étude mathématique est réalisée sur la stabilité, basée sur la théorie de Lyapunov. Ce résultat assure une stabilisation asymptotique pour les trois phases MMC. L'utilisation d'une fonction de Lyapunov implique une vérification formelle de la stabilité et une région explicite d'attraction pour le modèle considéré. Les deux techniques de contrôle sont développées à partir d'un modèle bilinéaire moyen, et la robustesse et les performances sont vérifiées au moyen d'un modèle de commutation MMC provenant des simulations électriques Matlab Simscape. L'évaluation comprend des variations de référence de puissance active et réactive, des conditions de déséquilibre du réseau, des incertitudes de paramètres et même une comparaison avec un contrôleur PI standard. Aussi, pour les contrôleurs non linéaires sont étudiés: l'effet des gains du contrôle sur la dynamique du système et les performances du contrôleur en cas de changement du point de fonctionnement. Les contributions principales de la thèse sont les deux algorithmes de contrôle non linéaires distincts, basés sur un modèle mathématique bilinéaire, conçus pour les convertisseurs MMC; Les deux algorithmes sont capables de contrôler l’équilibrage du courant et énergie du convertisseur au niveau du modèle détaillé du MMC par commutation; Il existe une analyse formelle de la stabilité par la théorie de Lyapunov pour ces systèmes; et une fois que le contrôle proposé n'est pas basé sur un modèle linéarisé, une vaste région d'opération est garantie.

Conversor multinível modular é o tópico de interesse amplo e atual no contexto de aplicações de sistemas de transmissão de corrente contínua de alta tensão. Essa topologia é adequada para várias aplicações, como resultado de menores perdas de chaveamento, devido à menor frequência de comutação dos IGBTs, baixa distorção harmônica na corrente alternada, estrutura modular que permite escalabilidade na construção e manutenção prática. No entanto, é necessária uma estratégia de contrôle mais complexa para controlar a corrente circulante, para compensar o desequilíbrio de tensão entre as pernas e o equilíbrio de tensão dos sub-módulos, de forma a manter constantes as tensões dos capacitores dos sub-módulos. Esta tese apresenta dois controles não-lineares para conversores MMC, capazes de controlar correntes circulantes e a energia no conversor. O primeiro é projetado seguindo a teoria bilinear baseada no controle de feedback quadrático. O segundo controlador proposto é desenvolvido usando a teoria de Lyapunov, fortemente baseada em técnicas singular perturbation e feedback linearization. Para ambos, é definida uma prova matemática de sua estabilidade, baseada na teoria de Lyapunov. Este resultado fornece estabilização assintotica para as três fases MMC. O uso de uma função de Lyapunov implica uma verificação formal da estabilidade e uma região explícita de atração para o modelo considerado. Ambas as técnicas de controle são desenvolvidas por meio de um modelo médio bilinear e a robustez e o desempenho são verificados por meio de um modelo chaveado de conversores MMC nas simulações do Matlab Simscape Electrical. A avaliação inclui variações de referência de potência ativa e reativa, condições de desequilíbrio da rede, incertezas de parâmetros e até uma comparação com um controlador PI. Além disso, para os controladores não lineares, são estudados: o efeito do controle de ganho na dinâmica do sistema e no desempenho do controlador em caso de alteração no ponto de operação. As principais contribuições da tese são os dois algoritmos distintos de controle não-linear, baseados em um modelo matemático bilinear, projetados para conversores MMC; Ambos os algoritmos são capazes de controlar o equilíbrio de corrente circulante e a energia do conversor; Há uma análise formal de estabilidade pela teoria de Lyapunov para esse sistema; e uma vez que os controles propostos não se baseiam em um modelo linearizado, uma vasta região de operação é alcançável.

MMC is a very important topic in the context of high voltage direct-current transmission systems applications. This topology is suitable for several applications, as a result of smaller switching losses due to lower switching frequency, low alternating-current harmonic distortion, modular structure enabling scalability construction and practical maintenance. However, a more complex control strategy is required to control circulating current, to compensate the voltage imbalance between legs and voltage balancing of SM, such as to maintain SM's capacitors voltages constant. This thesis presents two nonlinear controllers for an MMC, able to control circulating currents, and the energy in the converter. First proposed controller is developed using Lyapunov theory, strongly based on singular perturbation and feedback linearization techniques. Second one is designed following bilinear theory based on quadratic feedback control. For both, a mathematical proof is given for its stability, which is based on Lyapunov's theory. This result provides asymptotic stabilization for the three-phases MMC. The use of a Lyapunov function implies a formal verification of stability and a broad region of attraction for the considered model. Both control techniques are developed by means of an average bilinear model and performances are verified by means of a detailed MMC switching model at Matlab Simscape Electrical environment. The evaluation includes active and reactive power reference variations, grid imbalance conditions, parameters uncertainties and even a comparison with a standard PI controller. Also, for the nonlinear controllers, it is studied the effect of control gains on the system's dynamics. The main thesis' contributions can then be stated as the two distinct nonlinear control algorithms, based on a bilinear mathematical model, designed for MMC converters; Both algorithms are able to control circulating currents and converter's energy at the switching MMC model; There are formal stability analysis by Lyapunov theory for these controllers; and once these proposed controllers are not based on a linearized model, a broad operation region is obtained.