Multilevel power converters to integrate renewables and storages into electrical grids

Modular multilevel converters (MMCs) have become one of the most widespread converter topologies for medium/high voltage applications. Compared to traditional two or three-level voltage source converters, they achieve high voltage and power ratings with reduced switching losses. Additionally, they require smaller output filters and offer high modularity and scalability. Although they feature a more complex structure, the intrinsic converter degrees of freedom can be exploited to optimize the system's performance. For these reasons, MMCs are a promising solution to integrate renewable energy sources (RESs) and energy storage systems (ESSs). Besides the main MMCs advantages, the fully distributed system obtainable through the converter architecture allows interfacing different sources optimizing their operation and, in the case of RESs, improving their power production. This thesis focuses on the operation of MMCs integrating battery energy storage systems (BESSs) and photovoltaic (PV) panels at the submodule (SM) level. First, an in-depth cost-efficiency analysis of MMC topologies integrating BESSs is performed. In particular, the double-star chopper cell (DSCC) and the star-connected cascaded H-bridge (CHB) converter configurations were analyzed. A design procedure is proposed to derive the optimal converter configuration according to the system and efficiency requirements. The suggested methodology considers different parameters, such as the adopted modulation strategies and SM topology. To improve the performance of these converter topologies interfacing BESSs through the SMs, specific control strategies are required to balance the internal converter energy. In this way, it is possible to guarantee the system stability and improve the converter efficiency, avoiding generating undesired harmonics. In this regard, a balancing algorithm for the DSCC converter is proposed. By injecting specific circulating current components, power transfers between the upper and lower arms and among the legs of the converter are established, equalizing the energy of the BESSs interfaced through the converter SMs. Additionally, a dynamic saturation of these components is provided to respect the system constraints without degrading the balancing performance. The MMC structures can be effectively exploited to integrate PV arrays in each converter SM. In this way, a distributed maximum power point tracker (DMPPT) can be adopted, consequently improving the PV power production, especially under partial shading conditions. Novel DSCC-based PV single-phase and three-phase system topologies were proposed and investigated. Additionally, a hybrid solution is examined, including a BESS interfaced through the converter DC-side and PV arrays through the converter SMs. After analyzing the main current and voltage components necessary to maximize the energy extraction, the converter control structures were derived. In particular, in case of internal power mismatch, the circulating currents are generated to extract the maximum PV available power. For the DSCC three-phase system integrating PV arrays exclusively, a novel topology, including a capacitor connected to the converter DC-side is proposed. In this way, since the three converter phases are decoupled, when in the case of non-homogeneous irradiance conditions it is necessary to inject the circulating currents, lower power losses are experienced. Lastly, the DSCC-based PV three-phase system operating in grid-forming mode is investigated. In this operating condition, the converter is not required to work at the maximum power point. However, it behaves as a controllable voltage source establishing the network voltage and frequency and providing full grid support based on the power reserve availability. As previously mentioned, a distributed approach can be achieved with this converter configuration, improving PV power production. Based on that, exploiting the circulating current injection, the power reserve allocation can be differently performed among the converter arms, maximizing the converter support capability. In this regard, an optimization-based power reference calculation is proposed to minimize the converter's circulating currents while meeting the grid requirements according to the ambient conditions.

I convertitori modulari multilivello (o modular multilevel converters (MMCs)) rappresentano una delle topologie di convertitori più diffuse per applicazioni in media/alta tensione. Rispetto ai tradizionali convertitori a due o tre livelli, gli MMCs raggiungono valori di tensione e potenza elevati limitando le perdite di commutazione. Inoltre, richiedono filtri di uscita meno ingombranti e offrono un'elevata modularità e scalabilità. Sebbene presentino una struttura più complessa, i gradi di libertà intrinseci del convertitore possono essere sfruttati per ottimizzare le prestazioni del sistema. Per questi motivi, gli MMCs rappresentano una soluzione promettente per integrare fonti rinnovabili e sistemi di accumulo di energia. Inoltre, l'architettura del convertitore permette di ottenere un sistema completamente distribuito utile ad interfacciare diverse sorgenti ottimizzandone il funzionamento e, nel caso di fonti rinnovabili, migliorandone la produzione di energia. Questa tesi si concentra sul funzionamento dei convertitori modulari multilivello che integrano pannelli fotovoltaici e batterie a livello di sottomodulo. In primo luogo, viene eseguita un'analisi approfondita dell'efficienza e dei costi delle diverse topologie di MMCs che integrano batterie. In particolare, sono state analizzate le seguenti configurazioni: double-star chopper cell (DSCC) e cascaded H-bridge (CHB). Nello specifico, è stata proposta una procedura di progettazione finalizzata a ricavare la configurazione ottimale del convertitore in base ai requisiti di sistema e di efficienza. La metodologia proposta considera diversi parametri, come le strategie di modulazione adottate e la topologia del sottomodulo. Per migliorare le prestazioni dei convertitori modulari multilivello che interfacciano batterie attraverso il sottomodulo, sono necessarie strategie di controllo specifiche che permettono di bilanciare l'energia interna del convertitore. In questo modo, è possibile garantire la stabilità del sistema e migliorare l'efficienza del convertitore evitando di generare armoniche indesiderate. A tal proposito, è stato proposto un algoritmo di bilanciamento per gli MMCs in configurazione DSCC. Generando delle specifiche componenti della corrente di circolazione, è possibile stabilire uno scambio di potenza tra gli arms e i legs del convertitore, equalizzando l'energia dei sistemi di accumulo integrati. Inoltre, l'algoritmo di controllo prevede una saturazione dinamica delle generate correnti di circolazione in modo da rispettare in ogni situazione i vincoli del sistema senza degradarne le prestazioni. I convertitori modulari multilivello possono essere efficacemente sfruttati per integrare stringhe di pannelli fotovoltaici in ciascun sottomodulo del convertitore. In questo modo, è possibile adottare un algoritmo distribuito di maximum power point tracking (DMPPT) migliorando, di conseguenza, la produzione di energia in condizioni di ombreggiamento parziale. Sono state proposte e studiate nuove topologie di MMCs monofase e trifase in configurazione DSCC. Inoltre, è stata esaminata una soluzione ibrida, che comprende una batteria interfacciata attraverso il lato DC del convertitore e stringhe di pannelli fotovoltaici integrati nei sottomoduli dell'MMC. Dopo aver analizzato le principali componenti di corrente e tensione necessarie per massimizzare la produzione di energia, sono state proposte diverse strutture di controllo del convertitore. In particolare, in caso di sbilanciamento interno di potenza, vengono generate delle opportune componenti della corrente di circolazione in modo da estrarre la massima potenza disponibile dell'impianto fotovoltaico. Inoltre, per il convertitore modulare multilivello in configurazione DSCC integrante esclusivamente stringhe di pannelli fotovoltaici, è stata proposta una nuova topologia che include un condensatore collegato sul lato DC del convertitore. In questo modo, poiché le tre fasi dell'MMC risultano disaccoppiate, quando in condizioni di irraggiamento non omogeneo è necessario generare le correnti di circolazione, si hanno minori perdite. Infine, è stato studiato un convertitore modulare multilivello in configurazione DSCC e funzionante in modalità grid-forming. In questa condizione di funzionamento, il convertitore non deve lavorare al punto di massima potenza ma agisce come una sorgente di tensione controllabile che stabilisce la tensione e la frequenza della rete e fornendone supporto in base alla disponibilità della riserva di potenza. Come già accennato, sfruttando l'architettura dei i convertitori modulari multilivello è possibile ottenere un approccio distribuito, migliorando la produzione di energia dei pannelli fotovoltaici. Inoltre, sfruttando la generazione delle correnti di circolazione, la distribuzione della riserva di potenza può essere effettuata in modo diverso tra gli arms del convertitore, migliorando la capacità del convertitore di fornire supporto alla rete. A tal riguardo, è stata proposta una procedura di ottimizzazione per determinare le potenze di riferimento degli arms basata sulla minimizzazione delle correnti di circolazione del convertitore. La procedura proposta soddisfa i requisiti di rete in ogni condizione ambientale.