Model Predictive Control of Modular Multilevel Converters Using Ramp Functions

Abstract

FN trekker fram tilgang til pålitelig og fornybar energi som et av flere nødvendige mål for å gjennomføre bærekraftig utvikling. Høyspent likestrømsoverføring er viktig for sammenkobling av strømnett og tilgjengelighet av fornybare energikilder. Modulære flernivåomformere har fått oppmerksomhet i industrien for deres evne til å implementere slik teknologi.

Modulære flernivåomformere er ulineære fler-inngangs- og fler-utgangssystemer med mange reguleringsmål, som krever avanserte reguleringsmetoder som modellprediktiv regulering for god dynamisk ytelse. Modulære flernivåomformere krever rask tastetid, noe som gjør rask implementasjon av algoritmen for modellprediktiv regulering kritisk.

I denne oppgaven blir en rampebasert løser for kvadratiske program tilpasset modellprediktiv regulering for tidsvariante systemmodeller. Tester viste at det kvadratiske programmet tok betydelig lengre tid å løse for den tidsvariante formuleringen enn for den tidsinvariante formuleringen. Dette var forårsaket av den manglende evnen til å gjennomføre hot start basert på løsningen av det kvadratiske programmet fra forrige tidssteg. En tidsdiskret modell for modulære flernivåomformere kompatibel med løseren for kvadratiske program blir utviklet for å produsere en rampebasert modellprediktiv reguleringsalgoritme for modulære flernivåomformere.

Den rampebaserte modellprediktive reguleringsalgoritmen ble testet for reguleringsytelse og kjøretid i henholdsvis Simulink og C. Simuleringstestene i Simulink viste god ytelse ved stasjonærtilstand og transienter, sammenlignbar med andre modellprediktive reguleringsalgoritmer. Simuleringstestene i C viste kjøretider som er lovende for sanntidsimplementasjon av algoritmen med en moderat reguleringshorisont.

The United Nations target access to reliable and sustainable energy as one of the goals necessary for sustainable development. High voltage direct current transmission is important for the interconnection of electrical grids and availability of renewable energy sources. Modular multilevel converters have attracted attention from the industry for their ability to implement such technology.

Modular multilevel converters are a nonlinear multiple-input and multiple-output system with many control objectives, requiring advanced control methods such as model predictive control for good dynamic performance. Modular multilevel converters require fast sampling times, making fast implementations of the model predictive control algorithm crucial.

In this thesis, a ramp-based quadratic program solver shown to have fast execution times is modified to support model predictive control of time-variant system models. Tests revealed that the quadratic program had significantly higher solution times for the time-variant formulation than for the time-invariant formulation. This was caused by the lost possibility of hot starting the solver with the quadratic program solution from the previous time step. A discrete-time modular multilevel converter model compatible with the quadratic program solver is developed to produce a ramp-based model predictive control algorithm for modular multilevel converters.

The ramp-based model predictive control algorithm was tested for control performance and execution time in Simulink and C, respectively. The Simulink simulation tests revealed very good steady state and transient performance comparable to other model predictive control implementations. The C simulation tests showed execution times promising for the real-time implementation of the algorithm with a moderate control horizon.