Operation and control design of a Modular Multilevel Converter with integrated distributed energy resources under unbalanced grid conditions

The increasing penetration of renewable energy sources is reshaping modern power systems and accelerating the transition toward converter-dominated electrical grids. In this context, modular multilevel converters (MMCs) are attracting growing interest due to their modularity, scalability, and high-quality voltage synthesis. At the same time, the integration of distributed photovoltaic (PV) sources at submodule level enables advanced operating strategies, including distributed maximum power point tracking (DMPPT), but introduces additional control challenges. In particular, non-uniform irradiance conditions may lead to unequal power availability among phase-legs and between the upper and lower arms of the same leg, while grid-voltage unbalance imposes further constraints on current quality and power regulation, making the coordinated control of MMC-based PV systems significantly complex. This thesis addresses the control design of a three-phase MMC-based PV system with submodule-integrated distributed energy sources operating under unbalanced grid conditions and internal available power mismatch. The main objective is to develop a control architecture capable of simultaneously: i) ensuring grid-compliant active and reactive power exchange, ii) preserving controllability under negative-sequence grid voltages, and iii) enforcing the internal power redistribution required to satisfy the available arm powers associated with DMPPT operation. Particular attention is devoted to the coordinated generation of circulating currents, which are exploited as control variables for internal power balancing. To achieve this goal, a control strategy based on more layers is formulated and analytically derived. The first layer is a dual-sequence grid controller, which maps the active- and reactive-power references into positive- and negative-sequence current references in synchronous reference frames. Starting from a phasor-based description of grid voltages and currents, the complex-power expression is decomposed into constant and oscillatory terms, and a unified formulation is obtained through a selector parameter \(K\in\{-1,0,1\}\). This parameter allows the controller to operate in three modes: suppression of active-power oscillations, balanced output currents, or suppression of imaginary-power oscillations. The derivation is then translated into explicit \(dq\)-reference equations suitable for implementation. Since negative-sequence injection affects the interpretation of reactive power, the thesis also clarifies the relationship between the instantaneous imaginary power and the physically meaningful total reactive-power quantity, providing a consistent conversion for practical reference assignment. The second layer is an AC circulating-current controller designed to manage the vertical power mismatch within each phase-leg, namely the available power difference between upper and lower arms dictated by the DMPPT controller. This work employs three independent single-phase controllers (one per leg) to generate fundamental-frequency circulating-current references that enforce the required arm-to-arm power transfer in order to maintain the operating points dictated by the available arm powers. The third layer is a DC circulating-current controller, which regulates horizontal power mismatch among phase-legs. This control function operates directly on the DC circulating-current components and generates inter-leg power transfer actions based on mismatch indicators derived from the phase available power distribution. In this way, the converter can simultaneously satisfy the internal available-power constraints and the phase-wise power split required by the grid-side operating point under unbalanced conditions. A final coordination stage, referred to as the arm-voltage reference generator, combines the outputs of the grid controller, AC circulating-current controller, and DC circulating-current controller to produce the upper- and lower-arm voltage references applied to the converter. The proposed control strategy is validated through time-domain simulations. The results confirm the accuracy of the analytical formulation and the effectiveness of the hierarchical coordination. Under unbalanced grid conditions without internal mismatch, the three \(K\)-modes exhibit the expected trade-offs among active-power oscillations suppression, balanced output currents, and imaginary-power oscillations suppression. When internal power mismatch is introduced, the controller maintains proper grid-side power regulation while generating the AC and DC circulating-current components required to redistribute power vertically (between arms of the same leg) and horizontally (among different phase-legs). The simulated arm powers converge to the prescribed available-power references, demonstrating compatibility between grid-side objectives and DMPPT-driven internal constraints. Overall, this thesis provides a coherent control framework for MMC-based PV systems operating in the simultaneous presence of grid unbalance and non-uniform internal power availability. The main contribution lies in the coordinated integration of dual-sequence grid control with phase-wise AC circulating-current regulation and inter-leg power-balancing control through DC circulating currents, supported by explicit analytical derivations and simulation-based validation. The developed approach constitutes a solid basis for future extensions toward fully integrated DMPPT supervisory control and more detailed submodule-level modeling.

La crescente penetrazione delle fonti di energia rinnovabile sta rimodellando i moderni sistemi elettrici e accelerando la transizione verso reti elettriche dominate da convertitori. In questo contesto, i convertitori modulari multilivello (MMC) stanno suscitando un interesse crescente grazie alla loro modularità, scalabilità e capacità di sintesi di tensione di elevata qualità. Allo stesso tempo, l'integrazione di sorgenti fotovoltaiche (PV) distribuite a livello di sottomodulo consente strategie operative avanzate, tra cui il distributed maximum power point tracking (DMPPT), ma introduce ulteriori sfide di controllo. In particolare, condizioni di irraggiamento non uniformi possono determinare una disponibilità di potenza differente tra i leg e tra il braccio superiore e quello inferiore dello stesso leg, mentre lo sbilanciamento della tensione di rete impone ulteriori vincoli sulla qualità della corrente e sulla regolazione della potenza, rendendo significativamente complesso il controllo coordinato dei sistemi PV basati su MMC. Questa tesi affronta la progettazione del controllo di un sistema fotovoltaico trifase basato su MMC con sorgenti di energia distribuite integrate nei sottomoduli, operante in condizioni di rete sbilanciata e di disallineamento tra le potenze interne disponibili. L'obiettivo principale è sviluppare un'architettura di controllo capace di: i) garantire uno scambio di potenza attiva e reattiva conforme ai requisiti di rete, ii) preservare la controllabilità in presenza di tensioni di rete di sequenza negativa, e iii) imporre la ridistribuzione interna di potenza necessaria a soddisfare le potenze disponibili dei bracci associate al DMPPT. Particolare attenzione è dedicata alla generazione delle correnti circolanti, sfruttate come variabili di controllo per il bilanciamento interno della potenza. Per raggiungere questo obiettivo, viene formulata e derivata analiticamente una strategia di controllo basata su più livelli. Il primo livello è un controllore di rete a doppia sequenza, che mappa i riferimenti di potenza attiva e reattiva in riferimenti di corrente di sequenza positiva e negativa. A partire da una descrizione fasoriale delle tensioni e delle correnti di rete, l'espressione della potenza complessa viene scomposta in termini costanti e oscillatori, e si ottiene una formulazione unificata mediante un parametro selettore \(K\in\{-1,0,1\}\). Tale parametro consente al controllore di operare in tre modalità: soppressione delle oscillazioni di potenza attiva, correnti di uscita bilanciate oppure soppressione delle oscillazioni della potenza immaginaria. La derivazione viene quindi tradotta in equazioni nel sistema di riferimento \(dq\), pronte per l'implementazione. Poiché la presenza di correnti e tensioni di sequenza negativa influisce sull'interpretazione della potenza reattiva, la tesi chiarisce inoltre la relazione tra la potenza immaginaria istantanea e la grandezza fisicamente significativa della potenza reattiva totale, fornendo una conversione coerente per l'assegnazione pratica dei riferimenti. Il secondo livello è un controllore delle correnti di circolazione AC progettato per gestire il disallineamento verticale di potenza all'interno di ciascun leg, ossia la differenza di potenza disponibile tra braccio superiore e inferiore imposta dal controllore DMPPT. In questo lavoro vengono impiegati tre controllori monofase indipendenti (uno per ciascun leg) per generare riferimenti di corrente di circolazione alla frequenza fondamentale che impongano il trasferimento di potenza richiesto tra i due bracci, al fine di mantenere i punti di funzionamento dettati dalle potenze disponibili dei bracci. Il terzo livello è un controllore delle correnti di circolazione DC, che regola il disallineamento orizzontale di potenza tra i leg. Questa funzione di controllo agisce direttamente sulle componenti DC delle correnti di circolazione e genera azioni di trasferimento di potenza tra leg sulla base di indicatori di disallineamento derivati dalla distribuzione della potenza disponibile per fase. In questo modo, il convertitore può soddisfare simultaneamente i vincoli interni di potenza disponibile e la ripartizione di potenza per fase richiesta dal punto di funzionamento lato rete in condizioni sbilanciate. Uno stadio finale di coordinamento, indicato come generatore dei riferimenti di tensione dei bracci, combina le uscite del controllore di rete, del controllore delle correnti di circolazione AC e del controllore delle correnti di circolazione DC per produrre i riferimenti di tensione dei bracci superiori e dei bracci inferiori applicati al convertitore. La strategia di controllo proposta è validata mediante simulazioni nel dominio del tempo. I risultati confermano l'accuratezza della formulazione analitica e l'efficacia del coordinamento gerarchico. In condizioni di rete sbilanciata senza disallineamento interno, le tre modalità \(K\) mostrano i compromessi attesi tra soppressione delle oscillazioni di potenza attiva, correnti di uscita bilanciate e soppressione delle oscillazioni della potenza immaginaria. Quando viene introdotto un disallineamento interno di potenza, il controllore mantiene una corretta regolazione della potenza lato rete generando al contempo le componenti AC e DC delle correnti di circolazione necessarie a ridistribuire la potenza verticalmente (tra i bracci dello stesso leg) e orizzontalmente (tra phase-leg differenti). Le potenze dei bracci simulate convergono ai riferimenti di potenza disponibile prescritti, dimostrando la compatibilità tra gli obiettivi lato rete e i vincoli interni imposti dal DMPPT. Nel complesso, questa tesi fornisce un quadro di controllo coerente per sistemi fotovoltaici basati su MMC operanti in presenza simultanea di sbilanciamento della rete e di disponibilità di potenza interna non uniforme. Il contributo principale risiede nell'integrazione del controllo di rete a doppia sequenza con la regolazione delle correnti di circolazione AC e il controllo di circolazione DC finalizzato al bilanciamento della potenza tra leg, supportata in fine da derivazioni analitiche e validazione tramite simulazione. L'approccio sviluppato costituisce una solida base per future estensioni che integrino anche il controllo DMPPT e una modellazione più dettagliata a livello di sottomodulo.