Model predictive current control for a series-connected modular rectifier : implementation and testing

The focus of this thesis is the testing of a direct model predictive current control technique for a three phase series-connected modular rectifier, to be employed in a dc railway system. A general overview of the current situation about power transfer in railway, and in particular in MVDC lines, is firstly given and then a discussion on the state-of-art of power converters and control techniques is made. In particular, the work is centered on a three phase two-levels series-connected modular rectifier, consisting of a series between an Active Front End (AFE) and a diode rectifier. The employed direct Model Predictive Control (MPC) technique, also called Finite Control Set MPC (FCSMPC), aims to regulate, both in phase and amplitude, the AC currents with respect to the given set point, reducing the harmonic distortion and constraining, at the same time, the generation of harmonics at high frequencies, acting on the average switching frequency of the power transistors. In this way, the AC currents are shaped to be sinusoidal and stabilized in case of disturbances both in AC and DC sides. Furthermore, it is possible to actively control the power factor, acting on the phase shift between AC voltage and current. The core of this thesis is the realization of a reduced power test bench where to test such control algorithm. Starting from a previous project oriented to motor control (i.e. SPYNX Project), which includes a FCS-MPC controller besides the existing FOC Control on the FPGA PYNQ-Z2™, this thesis modify and extend the algorithm towards grid-applications. To do that, a custom test bench has been realized to reproduce a suitable (and adjustable) ac voltage source and to perform a power transfer towards the dc side. The full AC-DC conversion system, including the test bench, has been simulated through the MATLAB/Simulink environment and compared/validated with the experimental results. Finally, possible ideas about the future developments of the presented work, are proposed.

Lo scopo di questa tesi è la sperimentazione di una tecnica di controllo predittivo diretto di corrente per un convertitore modulare trifase connesso serie, da impiegare in un sistema ferroviario a corrente continua. Viene inizialmente fornita una panoramica generale della situazione attuale del trasferimento di energia nell’ambito ferroviario, e in particolare delle linee MVDC, e successivamente viene discussa la situazione allo stato dell’arte dei convertitori di potenza e delle tecniche di controllo. In particolare, il lavoro è incentrato su un raddrizzatore modulare trifase a due livelli, costituito da una serie tra un Active Front End (AFE) e un raddrizzatore a diodi. La tecnica di controllo predittivo diretto (MPC) impiegata, chiamata anche Finite Set Control MPC (FCS-MPC), mira a regolare, sia in fase che in ampiezza, le correnti in AC rispetto a un determinato riferimento, riducendo la distorsione armonica e vincolando al tempo stesso la generazione di armoniche ad alte frequenze, agendo sulla frequenza media di commutazione dei transistor di potenza. In questo modo le correnti AC sono modellate in modo da essere sinusoidali e stabilizzate in caso di disturbi AC o DC. Inoltre, è possibile controllare attivamente il fattore di potenza, agendo sullo sfasamento tra tensioni e correnti alternate. Il punto chiave di questa tesi è la realizzazione di un banco di prova a potenza ridotta dove si è testato l’algoritmo di controllo presentato. A partire da un precedente progetto orientato al controllo motore (SPYNX Project), che implementa un controllo FCS-MPC, oltre ad un controllo FOC preesistente, sull’FPGA PYNQ-Z2™, questa tesi modifica ed estende l’algoritmo verso le applicazioni grid. Per fare questo è stato realizzato un banco prova personalizzato per riprodurre una sorgente trifase di tensione adatta (e regolabile) ed eseguire il trasferimento di potenza verso il lato DC. L’intero sistema di conversione AC-DC, incluso il banco prova, è stato simulato attraverso l’ambiente di simulazione MATLAB/Simulink e confrontato/validato con i risultati sperimentali. Infine, vengono proposte possibili idee sugli sviluppi futuri del lavoro presentato.