Model predictive control algorithms for medium voltage power electronic systems

In recent years, model predictive control (MPC) formulations have received significant attention and wide acceptance by the power electronics community as a promising alternative to the established control strategies. At the same time, interest in high-power grid-connected converters has been growing, motivated by the need for a flexible interface in applications such as renewable energy and industrial drives and now vehicles to be connected to the grid. Depending on the considered controlled variable, this dissertation focuses on the development of a constrained long-horizon indirect—the manipulated variable is real-valued, thus, belonging to a continuous set—and direct—the manipulated variable corresponding to the converter switch positions, thus, belonging to an integer set—MPC-based controllers for high-power grid-connected three-level neutral-point-clamped (3L-NPC) converters with LCL filters. Medium voltage (MV) applications represent a particularly challenging field in which the nature of the semiconductor devices requires the minimization of the switching frequency (i.e. switching losses) of the converter, while grid codes impose tight limits on the current and voltage harmonics amplitudes injected at the point of common coupling (PCC). To this end, LCL filters are adopted. Nevertheless, the latter introduces additional control challenges due to the higher order of the resulting system and the filter resonance. Considering such case study, both methods are tested and show that they can achieve steady-state performance that can bring improvements compared with conventional control methods, such as voltage-oriented control with space vector modulation. This includes the intrinsic ability of MPC to damp resonating effects (i.e. without adding external damping loops). In particular, it is shown that indirect MPC exhibits superior steady-state performance with fast transient responses and lower output distortion while operating the converter within its safe operating limits (enhanced reliability) through the introduction of soft constraints. By appropriately formulating the constrained optimization problem underlying indirect MPC as a quadratic program (QP), the grid and converter currents as well as the filter capacitor voltage can be simultaneously and successfully controlled while keeping the online calculation effort low, even in the presence of longer horizon. This is mainly due to efficient QP solvers which can be adopted in such framework. This facilitates the further development of a feasible implementation of this approach on an embedded platform. Indeed, the focus of the dissertation is subsequently shifted to the real-time certification of the derived embedded MPC to provide a feasible and effective solution to be used in large-scale industrial applications. Based on the proposed computational burden analysis, it can be concluded that the proposed MPC algorithms meets the real-time certification and guarantees that the solution to the QP is always found at run-time without affecting its optimality. Throughout the dissertation, the performance of the proposed strategies is investigated within a selfdeveloped scaled-down experimental test-bench and a customized control platform based on a multiple processor system-on-chip field-programmable gate array (MPSoC FPGA) . Although the controllers that are presented represent concrete and feasible alternatives to the established control strategies, there remains scope for future work in terms of testing and implementation strategies.

Negli ultimi anni, le formulazioni di controlli predittivo (MPC) hanno ricevuto una significativa attenzione e ampia accettazione da parte del settore dell'elettronica di potenza come promettente alternativa a tecniche di controllo consolidate. Allo stesso tempo, l'interesse per i convertitori ad alta potenza connessi alla rete è cresciuto, motivato dalla necessità di un'interfaccia flessibile in applicazioni quali energie rinnovabili, azionamenti industriali e ora veicoli da collegare alla rete. A seconda della variabile controllata che viene considerata, questa tesi si concentra sullo sviluppo di problemi di ottimizzazione vincolata a lungo orizzonte di predizione di tipo indiretto: la variabile manipolata è a valori reali, quindi, appartenente a un insieme continuo — e diretto: la variabile manipolata corrispondente a le posizioni di apertura/chiusura dei semiconduttori, quindi, appartenenti a un insieme intero, per il controllo di convertitori a tre livelli neutral-point-clamped (3L-NPC) collegati alla rete tramite filtri LCL. Le applicazioni in media tensione (MV) rappresentano un campo particolarmente impegnativo in cui la natura dei dispositivi a semiconduttore richiede la minimizzazione della frequenza di commutazione (cioè minime perdite di commutazione) del convertitore, mentre gli standard di rete impongono limiti rigorosi alle ampiezze delle armoniche di corrente e tensione iniettate nel punto di accoppiamento comune (PCC). A tal fine vengono adottati filtri LCL. Tuttavia, quest'ultimo introducono ulteriori problemi di controllo a causa del risultante ordine superiore del (modello di) sistema e dalla risonanza del filtro. Considerando tale caso di studio, entrambi i metodi sono testati e mostrano che possono essere raggiunte prestazioni in regime stazionario che possono apportare miglioramenti rispetto ai metodi di controllo convenzionali come il controllo a orientamento di campo con modulazione space vector. Ciò include la capacità intrinseca dell’MPC di smorzare gli effetti di risonanza (cioè senza aggiungere anelli di smorzamento esterni come viene spesso proposto). In particolare, è dimostrato che l'MPC di tipo indiretto mostra prestazioni superiori sia a regime che durante i transitori rispetto al caso tradizionale e inferiore distorsione di corrente lato rete, mantenendo il funzionamento del convertitore all'interno di un regime protetto/sicuro dato da limiti operativi (e pertanto mostrando una aumentata affidabilità) attraverso l'introduzione di soft constraints. Formulando opportunamente il problema di ottimizzazione vincolata alla base del MPC indiretto come quadratic program (QP), le correnti lato rete e lato convertitore, nonché la tensione del condensatore di filtro possono essere simultaneamente controllate con successo mantenendo basso lo sforzo di computazionale (online) anche in presenza di orizzonti più lunghi. Questo è principalmente dovuto all’utilizzo di efficienti QP solver che possono essere adottati in tale contesto. Questo facilita l'ulteriore sviluppo e proposta di un'implementazione di questo approccio su una piattaforma embedded. In effetti, il focus della tesi viene successivamente spostato alla certificazione in tempo reale del MPC nell’ottica di fornire una soluzione fattibile ed efficace da utilizzare in applicazioni industriali su larga scala. Data l’analisi dell'onere computazionale, si può concludere che gli algoritmi MPC proposti soddisfano la certificazione in tempo reale e garantiscono che la soluzione del problema di ottimizzazione sia sempre trovata in fase di esecuzione senza influenzare l’ottimalita del risultato. Durante la tesi, la performance delle strategie di controllo proposte sono state indagata tramite un banco di prova sperimentale custom, dimensionato in scala ridotta, e una piattaforma di controllo basata su un multiple processor system-on-chip field-programmable gate array (MPSoC FPGA).