Integration of solar panels into grid using modular multilevel converters

This thesis investigates the application of modular multilevel converters (MMC) for solar panel integration to the grid. Firstly, a literature survey regarding the conventional solutions for grid connected PV configurations is presented. And then, the newly proposed grid connected PV configuration using MMC has been introduced and its advantages regarding the already existing methods presented. After that a general information regarding solar PV panels and maximum power point tracking algorithm have been provided. Further, a model of MMC is derived alongside the equations governing the voltages and currents of the converter. And then, using these information, a detailed explanation of MMC's control system has been provided. Which includes proposition of a real power reference generation scheme that creates a linear relationship between the real power reference of the system and dc link voltage of submodules, and, introduction of a new circulation current control method. Due to the unequal irradiation for PV panels, unbalanced powers will be extracted from PV panels. As result, unbalanced power will be injected to the arms and legs of the MMC and the submodule's voltages may deviate from their reference and become unbalanced. The introduced circulating current controller method enables the converter to balance the magnitude of charge of each submodule's capacitor using a novel space vector based approach. Consequently, using this method balancing of the upper and lower arms of the same leg, and balancing of the three legs are possible. For balancing of the submodules within the same arm a new sorting algorithm is implemented. Having balanced arms and legs submodule's magnitude of charge, the converter is able to deliver balanced current and power to the grid regardless of legs and arms power mismatch. The amount of achievable power balancing depends on the introduced circulating current controller capability in balancing the submodule's magnitude of charge. The required circulating current will be injected inside the converter by slightly changing the virtual DC link voltage of the converter. Finally, the proposed topology has been simulated in different irradiation input condition to investigate the operation of the proposed controllers. The presented results clearly identify that the converter was able to successfully extract and deliver maximum power from PV panels to grid and was able to correctly balance each sobmodule's capacitor voltage under unbalanced power injection.

Questa tesi indaga sull'applicazione dei convertitori multilivello modulari (MMC) per l'integrazione di pannelli solari nella rete. In primo luogo, viene presentata una indagine sulla letteratura riguardante le soluzioni convenzionali per le configurazioni PV connesse alla rete. E poi, è stata introdotta la nuova configurazione PV connessa alla rete proposta utilizzando MMC e presentati i suoi vantaggi rispetto ai metodi già esistenti. Successivamente sono state fornite informazioni generali sui pannelli solari fotovoltaici e l'algoritmo di tracciamento del punto di massima potenza. Inoltre, un modello di MMC è derivato dalle equazioni che governano le tensioni e le correnti del convertitore. Utilizzando queste informazioni, è stata fornita una spiegazione dettagliata del sistema di controllo di MMC. Ciò include la proposta di uno schema di generazione di riferimento di potenza reale che crea una relazione lineare tra il riferimento di potenza reale del sistema e la tensione di collegamento DC dei sottomoduli e l'introduzione di un nuovo metodo di controllo della corrente di circolazione. A causa dell'irraggiamento disuguale dei pannelli fotovoltaici, le potenze sbilanciate verranno estratte dai pannelli fotovoltaici. Di conseguenza, una potenza sbilanciata verrà iniettata alle arms e alle legs dell'MMC e le tensioni del sottomodulo potrebbero deviare dal loro riferimento e diventare sbilanciate. Il metodo di controllo della corrente circolante introdotto consente al convertitore di bilanciare l'entità della carica del condensatore di ciascun submodule utilizzando un nuovo approccio basato sul vettore spaziale. Di conseguenza, utilizzando questo metodo è possibile bilanciare la parte superiore e inferiore delle arms della stessa leg e il bilanciamento delle tre leg. Per il bilanciamento dei sottomoduli all'interno dello stesso braccio viene implementato un nuovo algoritmo di ordinamento. Avendo bilanciato l'ampiezza della carica del sottomodulo di arms e legs, il convertitore è in grado di fornire corrente e potenza bilanciate alla rete indipendentemente dal disadattamento di potenza di leg e arms. La quantità di bilanciamento della potenza ottenibile dipende dalla capacità del regolatore di corrente circolante introdotta nel bilanciare l'ampiezza della carica del sottomodulo. La corrente circolante richiesta verrà iniettata all'interno del convertitore modificando leggermente la tensione del collegamento DC virtuale del convertitore. Infine, la topologia proposta è stata simulata in condizioni di ingresso di irraggiamento differenti per studiare il funzionamento dei controllori proposti. I risultati presentati identificano chiaramente che il convertitore è stato in grado di estrarre e fornire con successo la massima potenza dai pannelli fotovoltaici alla rete ed è stato in grado di bilanciare correttamente la tensione del condensatore di ciascun submodule sotto iniezione di potenza sbilanciata.