Study, simulation and control of hexverters

The growing penetration of converter-interfaced renewable generation and the increasing interest in interconnecting AC systems operating at different frequencies call for efficient, modular AC/AC conversion solutions with high waveform quality. This thesis investigates the Hexverter, a direct AC/AC modular multilevel topology, with three main goals: (i) to derive a control-oriented analytical model, (ii) to clarify the internal power- and energy-exchange mechanisms, and (iii) to assess circulating-current mitigation strategies. The work combines modelling and simulation. Starting from a systematic application of Kirchhoff’s laws, a consistent framework is obtained in which branch voltages and currents naturally arise as the superposition of contributions associated with the two coupled three-phase systems. A double-dq transformation is then used to separate the components at the two fundamental frequencies into synchronous channels, facilitating both analysis and controller design. The impact of the neutral-point configuration is also highlighted: with floating neutrals, internal circulation is dominated by the hexagonal loop (Hex-loop), whereas tying the neutrals introduces an additional path (Y-loop), increasing controllability but also the complexity of internal energy management. Validation is carried out in Simulink for an Hexverter with N = 12 full-bridge submodules per branch, interconnecting a 50 Hz primary system and a 10 Hz secondary system. Open-loop simulations confirm correct multilevel voltage synthesis and the presence of a circulating current whose spectrum is distributed across combination-frequency components. Three circulating-current control options are compared: P, PI, and PI with resonant compensators. The results show that combining DC regulation with selective harmonic compensation substantially reduces steady-state ripple, providing a solid basis for future developments on inter-branch energy balancing and full port-current control.

La crescente diffusione di generatori rinnovabili interfacciati da convertitori elettronici di potenza e l’interesse verso l’interconnessione di reti AC a frequenze differenti richiedono soluzioni di conversione AC/AC efficienti, modulari e con buona qualità d’onda. Questa tesi studia l’Hexverter, una topologia modulare multilivello a conversione diretta AC/AC, con l’obiettivo di: (i) derivarne un modello analitico orientato al controllo, (ii) chiarire i meccanismi interni di scambio di potenza ed energia e (iii) valutare strategie di riduzione della corrente circolante. Il lavoro combina modellazione e simulazione. Mediante l’applicazione delle leggi di Kirchhoff viene ricavato un modello in cui le grandezze di ramo risultano dalla sovrapposizione dei contributi associati ai due sistemi trifase collegati. La trasformazione double-dq consente di separare le componenti alle due frequenze in canali sincroni, semplificando l’analisi e la progettazione dei controlli. Si evidenzia inoltre il ruolo della configurazione dei neutri: con neutri flottanti la circolazione interna è dominata dall’anello esagonale (Hex-loop), mentre il collegamento dei neutri introduce un ulteriore percorso (Y-loop), aumentando i gradi di libertà ma anche la complessità di gestione energetica. La validazione è condotta in Simulink su un Hexverter con N=12 sottomoduli a ponte completo per ramo, che interconnette un sistema a 50 Hz e uno a 10 Hz. In anello aperto si confermano la corretta sintesi mulitlivello delle tensioni e la presenza di una corrente circolante con contenuto spettrale su frequenze di combinazione. Si confrontano quindi tre strategie di controllo: P, PI e PI con compensatori risonanti. I risultati mostrano che la compensazione risonante, combinata con la regolazione in continua, riduce sensibilmente l’ondulazione a regime e costituisce una base per sviluppi futuri sul bilanciamento energetico e sul controllo completo delle correnti ai punti di connessione.