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The integration of distributed generation (DG) units into distribution networks has challenged the operating principles of traditional AC distribution systems, and also motivated the development of emerging DC systems. Of particular concern are the challenges associated with the Operation of conventional protection schemes and/or devices. This paper first analyses the fault current characteristics in AC and DC distribution systems; it then presents a comprehensive review of the latest protection methods proposed for distribution systems embedding DGs. In addition, the advantages and disadvantages of each method are outlined and compared. The differences between the protection algorithms employed in/proposed for AC and DC systems are also discussed. Finally, this study identifies the future trends and provides recommendation for researches in the field of protections of DC distribution networks. (C) 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved., Peer Reviewed, Postprint (author's final draft)

This paper presents a capacitor voltage balancing control applicable to any multilevel dc-ac converter formed by a single set of series-connected capacitors implementing the dc link and semiconductor devices, such as the diode-clamped topology. The control is defined for any number of dc-link voltage levels and converter legs (for single-phase and multiphase systems), guaranteeing the capacitor voltage control for any modulation index value and load (from idle mode to full power). The associated control loop small-signal transfer function is presented, from which optimum compensator design guidelines are derived. The improvement in control performance is verified through simulation and experiments comparing with a previous balancing control strategy in a four-level three-phase dc-ac conversion system. The satisfactory control performance is also verified through simulation in a four-level five-phase dc-ac conversion system., Postprint (published version)

Este proyecto se basa la creación de un modelo educativo de convertidor DC-AC trifásico Fault Tolerant para vehículo eléctrico con la posibilidad de trabajar de forma idéntica a un inversor real y capaz de simular fallos controlados de ruptura en los transistores, consiguiendo observar el comportamiento del convertidor frente a circuitos abiertos o cortocircuitos en alguno de los transistores de las diversas ramas, mediante sensados de tensión y corriente de las fases, y aplicar así una estrategia para solventar el fallo. Una de las partes más importantes del proyecto es la elección de la topología Fault Tolerant ya que condicionará el diseño del modelo educativo y otra será la estrategia de detección de fallos y como aislar la rama perjudicad

El grupo de investigación SEPIC desde hace un tiempo están buscando un nuevo modelo de inversor trifásico para la realización de sus ensayos. Por esta razón se ha realizado un estudio de mercado, el cual muestra las diferentes posibilidades que se pueden ajustar a la plataforma de ensayo. A partir del estudio de mercado se ha decidido que la mejor opción es la utilización de un MiniSkiip IPM. Para verificar su viabilidad se ha adaptado un prototipo a la plataforma de ensayo y se han realizado una serie de ensayos. Para dicha adaptación se ha realizado una placa de medidas y otra de disparo además del montaje del MiniSkiip compuesto por un módulo de potencia, una tarjeta de evaluación y un radiador. Con los ensayos se ha comprobado que el inversor conmuta perfectamente, pero al realizar un ensayo con una tensión de entrada de 300V DC el módulo de potencia MiniSkiip se ha cortocircuitado, en verdad este módulo puede soportar valores de entrada de hasta 600V, por esta misma razón se ha estudiado la posibilidad de comprar más MiniSkiips, pero al realizar un nuevo pedido el distribuidor nos comento que el producto que estábamos utilizando estaba descatalogado y que su obtención se dificultaba. Este imprevisto ha cambiado el rumbo del proyecto y se ha tomado la decisión de comprar otro modelo de inversor, exactamente el inversor GUASH MTL, este nuevo modelo también está incorporado en el estudio de mercado.

[Castellà]: Este proyecto desarrolla un estudio y diseño de un inversor trifásico que trabaja como fuente de corriente conectado a red. Tanto a nivel de hardware (los elementos físicos necesarios para su funcionamiento) como el desarrollo del software de control. A nivel de hardware se explicará la función de los componentes y estudiará la necesidad y las variables que determinan su dimensionado. Al mismo tiempo, el uso de convertidores de potencia conectados a red requiere la implementación de un adecuado sistema de filtrado. Es por este motivo que en este proyecto se dedicarán unas líneas al diseño de este. A nivel de software se pretende desarrollar una evolución, en cuanto a complejidad, del sistema de control así como las etapas necesarias para el desempeño de su función. Se presentarán los resultados obtenidos mediante la simulación de los circuitos y los resultados experimentales del testeo de un inversor real. Las etapas de control y software se realizarán para un inversor de 100kW, mientras que el dimensionado de los elementos de hardware se llevará a cabo para uno de 50kW. Finalmente, los ensayos realizados sobre el inversor serán realizados controlando un convertidor de 10kW., [English]: This project develops the study and design of a three-phase inverter connected to the grid working as a current source. Both hardware level (the physical elements necessary for its operation) as the development of the control software. About the hardware level, the role of the components and the need for their existence will be explained as the variables that determine its sizing. The use of power converters connected to the grid requires the implementation of a suitable filtering system. For this reason, a few lines of this project will try to explain the filter design. The study about de software level will try to develop an evolution, in terms of complexity, of the control system as well as the steps needed to carry out its work. The results obtained by simulating the circuits and experimental results of testing will be presented and compared. Control stages and software will be performed for a 100kW inverter; however, the sizing of the hardware elements will be calculated for one of 50kW. Finally, testing of the inverter will be carried out by controlling a 10kW converter.

Diseño e implementación del multiplicador de voltaje y el demodulador de un RFID sin batería basado en los estándares de UHF., [ANGLÈS] This paper presents the implementation of charge pump and demodulator blocks of battery-free radio frequency identification (RFID) based on ultra high frequency (UHF) protocol. The design developed is intended to include the 16-bits fully programmable microprocessor (µP) MSP430F21x2 and can integrate sensors exclusively supplied by the RFID reader. Thus a device is obtained completely free battery that can be used as a Wireless Identification and Sensing Platform (WISP). The proposed modular design allows flexibility to customize and thus vivificate constantly the power requirements. The protocol used in this project is the Electronic Product Code (EPC) Generation2 Class1 allows to be exploited in industrial applications., [CASTELLÀ] En este trabajo se muestra la implementación de los bloques del multiplicador de voltaje y el demodulador de un identificador de radiofrecuencia (RFID) sin batería basado en los estándares de ultra alta frecuencia (UHF). El diseño desarrollado está pensado para incluir el microprocesador (µP) MSP430F21x2 totalmente programable de 16bits y puede integrar sensores exclusivamente alimentados por el lector RFID. De esta forma se consigue un dispositivo totalmente libre de baterías para que pueda ser utilizado como un identificador inalámbrico con plataforma de sensores (WISP). El diseño modular propuesto permite flexibilidad para personalizar y verificar de forma constante los requisitos de energía. El protocolo que utilizado en el proyecto es el código del producto electrónico (EPC) Clase1 Generación2 para que el diseño también pueda ser aprovechado en aplicaciones industriales., [CATALÀ] En aquest treball es mostra la implementació dels blocs del multiplicador de voltatge y el demodulador d'un identificador de radiofreqüència (RFID) sense bateria basat amb els estàndards d?ultra alta freqüència (UHF). El disseny desenvolupat està pensat per incloure el microprocessador (µP) MSP430F21x2 totalment programable de 16 bits i pot integrar sensors exclusivament alimentats pel lector RFID. D'aquesta manera s'aconsegueix un dispositiu totalment lliure de bateries per poder ser utilitzat com un identificador inalàmbric amb una plataforma de sensors (WISP). El disseny modular proposat permet flexibilitat per personalitzar i verificar de forma constant els requisits d'energia. El protocol utilitzat en el projecte es el codi del producte electrònic (EPC) Classe1 Generació2 per a què el disseny també puga ser aprofitat en aplicacions industrials.

Aquest projecte té com a objectiu dissenyar i implementar un sistema fotovoltaic format per un convertidor CC/CC elevador i controlat per un algoritme de seguiment del punt de màxima potencia. Es realitza un estudi dels algoritmes existents més comuns ens sistemes MPPT i es dur a terme un estudi comparatiu dels algoritmes més utilitzat mitjançant un model Matlab/Simulink desenvolupat en aquest mateix projecte. S’estudien possibles millores dels algoritmes analitzats i finalment s’implementen sobre el prototip construït. Paral·lelament es realitza el disseny i implementació d’un convertidor CC/CC elevador actuant com a adaptador d’impedàncies, per dur a terme el seguiment del punt de màxima potencia mitjançant la variació del cicle de treball d’aquest. Es construeix un prototip del convertidor i de l’etapa de control on s’implementarà l’algoritme MPPT.

Performance of a carrier-based pulsewidth modulation (CB-PWM) strategy can be improved by the inclusion of a zero-sequence voltage in the modulation-reference signal. This paper proposes a new CB-PWM strategy for a three-level neutralpoint-clamped (NPC) converter, which is based on a zero-sequence voltage injection. By inclusion of the zero-sequence voltage, the sinusoidal-modulation reference is modified to 1) carry out the voltage-balancing task of the dc-link capacitors, with no additional control effort, 2) reduce the switching losses, and 3) reduce the lowfrequency voltage oscillations of the neutral point. The proposed strategy is an alternative approach to the nearest three-vector (NTV) space-vector modulation (SVM) strategy and is obtained by the analysis of the NTV-SVM strategy and establishing a correlation between the NTV-SVM and the CB-PWM strategies. The salient features of the proposed scheme, as compared with the NTVSVM strategy, are: 1) its reduced computational processing time which is attractive for digital implementation and 2) its reduced switching losses. Compared with the existing CB-PWM strategies, the proposed strategy offers 1) capability to balance the capacitor voltages and reduce the NP voltage oscillations and 2) reduced switching losses. Performance of the proposed CB-PWM strategy for a three-level NPC converter based on time-domain simulation studies in the MATLAB/SIMULINK environment is evaluated and also experimentally verified., Peer Reviewed, Postprint (published version)

[ANGLÈS] Resonant converters have been widely used for some few decades because of their inherit soft-switching characteristic, their fast transient response, their low losses compared to the PWM based hard-switching converters and thus their capability to work at higher frequencies. Modeling resonant converters and designing its control is, however, a challenge due to the high order systems that could be obtained in this kind of circuits. This thesis is aimed to analyze and design the closed-loop control of a Phase-Controlled Series-Parallel Resonant Converter (PC SPRC) that was designed and built some years ago in the dissertation of a PhD student in the Polytechnic School of Brooklyn that nowadays belongs to NYU. Also a Phase-Controlled Series-Parallel Resonant Inverter (PC SPRI) is designed in parallel in a joint work so its stability and control are studied and designed as well. Both the PC SPRC and PC SPRI closed-loops are simulated and their controls are implemented in the same DSP having a stable output of 300V DC for the first one and 200Vp AC for the second one. These outputs are connected to a 1:100 and 1:50 transformers respectively so a 30KV DC with a 10KVp AC coupled signal is obtained if both transformer secondaries are serially connected. The building process of the PC SPRI resonant tank and control board that includes the switching, drivers and other devices is detailed. The high voltage obtained output is applicable to electrostatic precipitators, its operation is based on the electrostatic attraction of the dust particles in polluted air using a high DC signal with a coupled high voltage sinusoid, so the operation point of the system is designed based on this application. The results of the controlled PC SPRC and PC SPRI are presented here avoiding the transformer connection as a security measure but using an equivalent load., [CASTELLÀ] Los convertidores resonantes han sido usados durante décadas debido a sus características intrínsecas de "soft-switching", su rápida respuesta transitoria, sus bajas pérdidas comparadas con los convertidores PWM y debido a todo esto, su capacidad para trabajar a altas frecuencias. Sin embargo, modelar convertidores resonantes y diseñar su control sigue siendo un reto debido a la obtención de sistemas de alto orden en este tipo de circuitos. Esta tesis se centra en el análisis y el diseño del control en lazo cerrado de un convertidor resonante en configuración serie-paralelo controlado por fase (PC SPRC) que fue diseñado y creado años atrás en una tesis doctoral de un estudiante de la escuela politecnica de Brooklyn, hoy día perteneciente a la Universidad de Nueva York. Conjuntamente con esta tesis, un inversor resonante en configuración serie-paralelo controlado por fase (PC SPRI) es diseñado, así que su estabilidad y control también son analizados y diseñados. Los lazos cerrados del PC SPRC y el PC SPRI son simulados y sus controles se implementan en una misma DSP teniendo una salida estable de 300V DC para el primero y 200Vp AC para el segundo. Ambas salidas se conectan a transformadores con ratios de 1:100 y 1:50 respectivamente, obteniendo una salida diferencial de 30KV con una señal acoplada de 10KV AC si ambos secundarios se conectan en serie. El proceso de montaje tanto del tanque resonante del PC SPRI como de su placa de control que incluye los switches, drivers y otros dispositivos es detallado en este trabajo. La salida de alto voltaje obtenida, es aplicable a "precipitadores electrostáticos" cuyo funcionamiento se basa en la atracción electrostática de partículas de suciedad en aire contaminado de chimeneas usando una alta tensión continua con una tensión alterna acoplada, así el punto de trabajo del sistema se basa en esta aplicación. Los resultados finales del control de ambos circuitos (PC SPRC y PC SPRI) son presentados excluyendo el uso de, [CATALÀ] Els convertidors ressonants han estat usats durant dècades per les seves característiques intrínseques de "soft-switching", la seva ràpida resposta transitòria, les seves baixes pèrdues comparades amb els convertidors PWM i a causa de tot això, la seva capacitat per treballar a altes freqüències. No obstant això, modelar convertidors ressonants i dissenyar el seu control continua sent un repte a causa de l'obtenció de sistemes d'alt ordre en aquest tipus de circuits. Aquesta tesi se centra en l'anàlisi i el disseny del control en llaç tancat d'un convertidor ressonant en configuració sèrie-paral·lel controlat per fase (PC SPRC) que va ser dissenyat i creat anys enrere en una tesi doctoral d'un estudiant de l'Escola Politècnica de Brooklyn, avui dia pertanyent a la Universitat de Nova York. Conjuntament amb aquesta tesi, un inversor ressonant en configuració sèrie-paral·lel controlat per fase (PC SPRI) és dissenyat, així que la seva estabilitat i control també són analitzats i dissenyats. Els llaços tancats del PC SPRC i el PC SPRI són simulats i els seus controls s'implementen en una mateixa DSP tenint una sortida estable de 300V DC per al primer i 200Vp AC per al segon. Ambdues sortides es connecten a transformadors amb ràtios de 1:100 i 1:50 respectivament, obtenint una sortida diferencial de 30kV amb un senyal acoblat de 10KV AC si tots dos secundaris es connecten en sèrie. El procés de muntatge tant del tanc ressonant del PC SPRI com de la placa de control que inclou els switches, drivers i altres dispositius és detallat en aquest treball. La sortida d'alt voltatge obtinguda és aplicable a "precipitadors electrostàtics", el funcionament dels quals es basa en l'atracció electrostàtica de partícules de brutícia en aire contaminat de xemeneies usant una alta tensió contínua amb una tensió alterna acoblada, així el punt de treball del sistema es basa en aquesta aplicació. Els resultats finals del control de tots dos circuits (PC SPRC i PC SPRI) són presenta

De un tiempo a esta parte, y cada vez más, la conciencia de que hay que reducir el consumo innecesario de energía está en la mente de todos, empresas y particulares. Por tanto se convierte en principal reducir los costes. Para reducir los costes se pueden buscar maneras de aumentar la vida útil de los dispositivos o optimizar los sistemas de distribución de energía. En concordancia con este hecho este proyecto se enmarca en la búsqueda de mejorar el suministro eléctrico sobre diferentes dispositivos, tanto a la calidad de la energía suministrada, como la reducción de posibles defectos. Se ha iniciado este proyecto con el modelado de cuatro topologías de convertidor concluyendo que todas excepto una, la topología de inversor con fuentes ideales de tensión en el bus de continua, tras ser modeladas presentaron un modelo bilineal. Ello implica que las variables de estado se encuentran acopladas con las señales de control y por tanto que, únicamente, se podrá realizar un estudio de control convencional con la primera topología. Del modelo A se extrae la función de transferencia con el objetivo de analizar la tensión de salida del convertidor en función de la señal de control de cada fase. Se realiza un acondicionamiento de la señal mediante un sistema de control Adaptive Feedforward Cancellation y se obtiene un seguimiento correcto de la señal de referencia. Pese al conocimiento de sus diferencias con el modelo A, se aplica el mismo control al modelo B y se observan ciertas carencias en la calidad de la señal de salida. Se identifica un posible fallo en referencia al equilibrado de la tensión de los condensadores que forman el bus de continua. Se aplica el modelo C que contiene una rama controlada para equilibrar la tensión de los semibuses de continua. Se diseña un control específico para el control de esta rama. Al realizar la simulación se observa un mejor seguimiento y los armónicos hallados en la respuesta del convertidor para el modelo B han desaparecido. Como conc

This paper presents a novel multilevel active-clamped converter topology, which is an extension to m levels of the three-level active neutral-point-clamped topology. The operating principle is established through the definition of a proper set of switching states and a transition strategy between adjacent switching states. The benefits of the proposed converter topology and control in comparison to alternative multilevel converter topologies are discussed. Simulation results of a simple dc-dc converter configuration are presented to illustrate the converter performance features., Postprint (published version)

Treball realitzat en català i castellà

Three-level (3L) neutral point clamped (NPC), flying capacitor (FC), and H-bridge (HB) voltage source converters (VSCs) as a grid-side full-scale medium voltage (MV) converter are modeled, controlled, and simulated for the grid connection of a hypothetical 6MW wind turbine. Via the converter topological features and the simulation results demonstrating the converter performance, these three 3L-VSCs are discussed and compared in terms of power density and reliability, which can be considered as two of the most important criteria for the converters placed in wind turbine nacelles. Given the grid connection circuit (without capacitive switching ripple filters), the 3L-HB-VSC is expected to be superior with respect to power density and reliability over the 3L-NPC- and -FC-VSCs., Peer Reviewed, Postprint (published version)

El presente proyecto nace con la idea de mejorar el diseño la primera generación de PEBBs (Power Electronic Building Blocks o bloques constitutivos electrónicos de potencia) realizados en el PFC de Elena Argüelles. Un PEBB consiste en un módulo integrado y compuesto por una serie de elementos utilizados en los sistemas electrónicos de potencia, como pueden ser dispositivos semiconductores, circuitos integrados de potencia, circuitos drivers, fuentes de alimentación, circuitos de protección, sensores de temperatura, corriente o tensión, etc. Estos módulos se interconectan de la manera conveniente para la realización de diferentes topologías de convertidores electrónicos de potencia. Los enfoques de mejora de los módulos están destinados a aumentar la potencia que pueden procesar, mejorar su constructibilidad, mejorar el acceso a la toma de medidas y mejorar su diseño mecánico. El correcto funcionamiento de los nuevos módulos funcionales se prueba con la realización de un doble convertidor cc-cc-ca en cascada, cuyo diseño se basa en que pueda servir para conectar a red eléctrica la instalación fotovoltaica que se encuentra en la cubierta de la ETSEIB. El doble convertidor a realizar consiste primeramente en un Push-Pull, el cual tiene la finalidad de aumentar la tensión del bus de continua y permite introducir un transformador de aislamiento de alta frecuencia. Seguidamente se conecta un inversor trifásico de 3 niveles de la topología NPC (Neutral Point Clamped), que permite generar la tensión trifásica que posteriormente se conectaría a la red eléctrica. Después de la realización de los nuevos módulos funcionales, se puede decir que se ha logrado el objetivo previsto, ya que la nueva generación de PEBBs permite procesar casi 5 veces más de potencia, además de haber mejorado significativamente su constructibilidad, su medibilidad y su diseño mecánico. Se han realizado los dos convertidores con la utilización de estos PEBBs y se ha probado experimentalmente cada uno po

L’objectiu d’aquest projecte és la construcció d’un inversor o convertidor de continua a alterna, topologia push-pull/pont complet, bidireccional amb aïllament d’alta freqüència per aplicacions fotovoltaiques i el seu posterior assaig en el laboratori per validar-ne el comportament. El primer pas per la construcció de l’inversor és la simulació del comportament teòric previst del mateix. A partir de les dades extretes de la simulació, tensió i corrent a suportar per cada dispositiu semiconductor, es seleccionen els components més adients. L’aïllament d’alta freqüència que ha de proporcionar el convertidor s’aconsegueix mitjançant un transformador de potència amb nucli de ferrita. En paral·lel s’implementa el sistema de control amb la modulació per tal de garantir el correcte funcionament del sistema. Un cop construït l’inversor s’assaja cada part per comprovar-ne el correcte funcionament. Així mateix en aquesta etapa es poleix el comportament del sistema afegint dispositius d’ajuda a la commutació, és a dir, snubbers per limitar els sobrepics de tensió i corrent que es generen en les commutacions. Per últim es realitzen les proves amb el sistema complet. En aquesta memòria en primer lloc es presenta una descripció dels sistemes fotovoltaics, en concret dels sistemes fotovoltaics autònoms, ja què es per als que està dissenyat el convertidor. Posteriorment es mostren les simulacions del comportament de l’inversor i es contraposa amb els resultats experimentals per validar la metodologia de simulació. Als annexes es troba detalladament tot el procés de selecció dels semiconductors, càlculs per la optimització de la resistència de porta i la implementació del control del convertidor entre d’altres. Al final de l’estudi s’observa un correcte funcionament del convertidor malgrat que la modulació emprada pel control del convertidor permet que quedin en circuit obert els debanats del transformador.

El present projecte té com objectiu l’aplicació per simulació d’un criteri d’estabilitat teòric proposat per el doctor R.D.Middlebrook en el cas de convertidors continua/continua (CC/CC). Aquest criteri defineix que les impedàncies introduïdes abans del convertidor no han de superar en tot el seu espectre freqüencial les impedàncies posteriors. En l’article no s’especifiquen les condicions per obtenir aquestes impedàncies ni la metodologia a seguir, així com tampoc si aquest criteri és vàlid per al cas de convertidors de corrent alterna (CA). L’objectiu doncs del projecte és l’extensió i estudi del criteri de Middlebrook a convertidors de CA. En un primer apartat s’analitzen i desenvolupen les equacions necessàries per a l’aplicació del criteri i es validen les hipòtesis per a la seva obtenció en el cas del convertidor reductor Buck. Seguidament es realitzen models per a simulació mitjançant MATLAB i es troba una metodologia basada en la introducció de pertorbacions i posterior anàlisis mitjançant la transformada ràpida de Fourier (FFT) per a la obtenció de les impedàncies per simulació. Finalment és fa un anàlisi de les discrepàncies entre models analítics i de simulació amb dades d’un convertidor funcional. Com a resultat s’obté una metodologia, que sota certes condicions, representa de forma precisa per simulació el sistema teòric proposat per R.D.Middlebrook. En un altre apartat s’analitza com la problemàtica proposada per al cas de convertidors CC/CC també es posa de manifest en els sistemes de corrent alterna amb la connexió en cascada de diversos convertidors. Aquest fet porta l’estudi d’un cas particular d’inversor i les complicacions sorgides pel fet de treballar amb corrent alterna: coordenades rotatives o estacionaries per al control, dificultat per representar els models de petit senyal o la impossibilitat de representar una de les magnituds amb les condicions imposades per en Middlebrook.

Las topologías de convertidores multinivel han recibido una atención especial durante las dos últimas décadas debido a sus notables ventajas en aplicaciones de alta potencia y media/alta tensión. En estas topologías, y comparadas con el convertidor tradicional de dos niveles, el voltaje que soporta cada dispositivo semiconductor es menor, evitando los problemas asociados con la interconexión serie de dispositivos. La distorsión armónica en la tensión de salida es también menor y la eficiencia mayor. Pero incorporan un número superior de dispositivos semiconductores y la estrategia de modulación resultante es, por tanto, más compleja. Entre estas topologías, el convertidor cc-ca de tres niveles trifásico con conexión al punto neutro del bus de cc es probablemente el más popular. La aplicación a este convertidor de técnicas de modulación convencionales causa una oscilación de la tensión del punto neutro de baja frecuencia (tres veces la frecuencia fundamental de la tensión de salida). Esta oscilación, a su vez, supone un incremento del estrés de tensión de los dispositivos y provoca la aparición de armónicos de baja frecuencia en la tensión de salida. Esta tesis presenta una nueva técnica de modulación del pulso de conducción de los dispositivos semiconductores para convertidores de tres niveles trifásicos con conexión a punto neutro, capaz de conseguir un control completo de la tensión del punto neutro con una distorsión armónica reducida en la tensión de salida alrededor de la frecuencia de conmutación. Esta nueva técnica de modulación, basada en la definición de unos vectores espaciales virtuales, garantiza el equilibrado de la tensión del punto neutro con cualquier carga (lineal o no, cualquier factor de potencia) y para todo el rango de tensión de salida, con el único requisito de que la suma de corrientes de fase sea nula. Las características de la técnica de modulación propuesta y sus beneficios con respecto a otras modulaciones se han verificado a, Multilevel converter topologies have received special attention during the last two decades due to their significant advantages in high-power medium- and high-voltage applications. In these topologies, and compared to the previous two-level case, the voltage across each semiconductor is reduced, avoiding the problems of the series interconnection of devices. The harmonic distortion of the output voltage is also diminished and the converter efficiency increases. But a larger number of semiconductors is needed and the modulation strategy to control them becomes more complex. Among these topologies, the three-level three-phase neutral-point-clamped voltage source inverter is probably the most popular. The application of traditional modulation techniques to this converter causes a low frequency (three times the fundamental frequency of the output voltage) oscillation of the neutral-point voltage. This, in turn, increases the voltage stress on the devices and generates low-order harmonics in the output voltage. This thesis presents a novel pulsewidth modulation for the three-level three-phase neutral-point-clamped converter, able to achieve a complete control of the neutral-point voltage while also having a low output voltage distortion at around the switching frequency. The new modulation, based on a virtual space vector concept, guarantees the balancing of the neutral-point voltage for any load (linear or nonlinear, any load power factor) over the full range of converter output voltage, the only requirement being that the addition of the output three-phase currents equals zero. The performance of this modulation approach and its benefits over other previously proposed solutions are verified through simulation and experiments in both open- and closed-loop converter configurations., Postprint (published version)

In digitally controlled dc-dc converters with a single voltage feedback loop, the two quantizers, namely the analog-to-digital (A/D) converter and the digital pulse-width modulator (DPWM), can cause undesirable limit-cycle oscillations. In this paper, static and dynamic models that include the quantization effects are derived and used to explain the origins of limit-cycle oscillations. In the static model, existence of dc solution, which is a necessary no-limit-cycle condition, is examined using a graphical method. Based on the generalized describing function method, the amplitude and offset-dependent gain model of a quantizer is applied to derive the dynamic system model. From the static and dynamic models, no-limit-cycle conditions associated with A/D, DPWM and compensator design criteria are derived. The conclusions are illustrated by simulation and experimental examples, Peer Reviewed, Postprint (published version)

La presente tesis estudia, propone y realiza sus principales aportaciones en el campo del control para el convertidor CC/CA de tres niveles, sobre la topología denominada Neutral-Point-Clamped, aunque se puede extender a otras topologías y/o número de niveles. Se presenta una metodología de modelado que emplea funciones de conmutación de fase, el operador de promediado y la transformación D-Q, tal que los modelos obtenidos en el dominio D-Q contienen una información completa sobre la dinámica del sistema. La estrategia de conmutación se puede entender como una extensión de la estrategia PWM senoidal de dos a tres niveles. Esta estrategia es simple y no realiza el control de ninguna de las variables del sistema. En esta tesis, el controlador se encarga de regular todas las variables del sistema, incluido el equilibrio del bus de continua. Este es un enfoque diferente del convencional, donde el equilibrio del bus de continua se consigue mediante la elección adecuada de los estados redundantes del convertidor en la estrategia de conmutación, mientras que el resto de variables se regulan a través del controlador. Para la realización del controlador, se propone la técnica de control lineal multivariable LQR (Linear Quadratic Regulator), complementada con la técnica de control no lineal adaptativo denominada programación de ganancia (Gain Scheduling). Se presenta, además, una metodología de cálculo del controlador. Este control es versátil, abierto y adaptable. En cualquier caso, el controlador se puede adaptar a las necesidades concretas de cada aplicación. El cálculo del controlador se realiza mediante simulación con MatLab-Simulink. Los modelos matemáticos que emplean las funciones de conmutación del convertidor son aquellos que ofrecen un mejor compromiso entre velocidad de simulación y precisión. Para validar el control propuesto, se ha diseñado y construido un equipo experimental donde el controlador se ha mostrado aplicable, útil y eficaz en la regulación de las di, This dissertation study, propose and carry out the main contributions in the field of three-level inverter control, using the topology Neutral-Point-Clamped, although results can be extended to other topologies and/or number of levels. A procedure for modelling is presented, based on line-switching functions, moving average operator and D-Q transformation. Then, the obtained models in D-Q frame contain complete information about system dynamics. Switching strategy is simple and can be considered as an extension of two-level sinusoidal PWM to three level. The system variables are not controlled by the switching strategy. In this work, all the system variables are controlled by the regulator, including DC-link balance. This control approach is different than the conventional one, where DC-link balance is achieved by means of a proper selection of redundant states in the switching strategy, and the other variables are controlled by the regulator. The regulator is based on the multivariable linear control technique LQR (Linear Quadratic Regulator), in combination with the non-linear adaptive control technique Gain Scheduling. Moreover, a methodology for the calculation of the controller is presented. This controller is versatile, open and adaptable. However, the controller can be built depending on the concrete specifications of each application. The controller is calculated by means of simulation using MatLab-Simulink. The mathematical models based on the switching functions of the converter give the best trade-off between simulation speed and precision. In order to validate the proposed controller, an experimental prototype has been designed and implemented. Experimental results show that the controller is useful and effective for the regulation of different loads and applications, even with non-linear loads, different operation points and variables to control, in steady-state and transitory operation. Dynamic response speed and quality are similar to other control sy, Postprint (published version)