Power quality optimization of multi-level current source converters in the low power range

Multilevel current source converters have significantly attracted the attention of industry and research communities. Their structure and in particular their mode of operation make them particularly suitable for the grid interface. They find many applications with renewable energy systems and energy storage systems. The increase of these systems and as consequence these converters led to a focus of research on increasing their efficiency and power quality. However, the unpredictable nature of these generation systems, mainly related to their dependence on the environmental conditions, it enables the converters to work even at nominal with the consequence decrease of efficiency and power quality. Multilevel current source converter adopted for this thesis is made of two submodules with independent current sources in each other. In order to increase the power quality in reduced power ranges, a modulation technique has been introduced which allows the exchange of reactive power between the submodules, allowing an increase of the current flow through these. The solution, development in MATLAB and Simulink environment, has resulted in a clear improvement of power quality for reduced power ranges, without the reduction of efficiency compared to the traditional case. In addition, as expected, there was a decrease of the benefit given by this control with the increase of the power required by the grid and exchanged with the converter, making it only partially suitable for reduced power ranges.

I convertitori multi livello a sorgente di corrente negli ultimi anni hanno richiamato in maniera significativa l’attenzione da parte dell'industria e delle comunità di ricerca. La loro struttura, e in particolare il loro modo di funzionamento, li rendono particolarmente adattati nell’interfacciamento con la rete elettrica, trovando molte applicazioni con i sistemi elettrici rinnovabili e i sistemi di accumulo dell’energia. L’aumento di questi sistemi e di conseguenza dei convertitori nella rete elettrica ha portato a una focalizzazione della ricerca sull’incremento della loro efficienza e power quality. Tuttavia, la natura imprevedibile di questi si sistemi di generazione, principalmente dovuta alle condizioni ambientali, porta i convertitori a lavorare anche a potenze ridotte rispetto a quella nominale con conseguente diminuzione di rendimento e power quality. Il convertitore multi livello a sorgente di corrente adottato in questa tesi è composto da due sotto moduli a sorgente di corrente indipendente. Al fine di aumentare il power quality nei range di potenza ridotti, è stata introdotta una tecnica di modulazione che permette uno scambio di potenza reattiva tra i sotto moduli, permettendo un incremento della corrente circolante all’interno di questi. La soluzione, sviluppata in ambiente MATLAB e Simulink, ha portato come risultato un netto miglioramento del power quality per range ridotti di potenza, senza una riduzione dell’efficienza rispetto al caso tradizionale. Inoltre, come ci si aspettava, è stata riscontrata una diminuzione dei vantaggi portati da questo nuovo controllo al crescere della potenza impiegata dal convertitore, rendendolo adatto limitatamente ai range di potenza ridotti.