Sensorless control of MMC converter

Abstract

يعتمد المحول متعدد المستويات المعياري عادةً على قياسات الجهد والتيار، بالإضافة إلى الاتصال المستمر بين وحدات التحكم في الأذرع ونظام التحكم الرئيسي. يؤدي هذا الاعتماد إلى زيادة تعقيد الأجهزة وتكاليفها، كما يقلل من موثوقية النظام. لمعالجة هذه التحديات، تم تطوير تقنيات التحكم بدون مستشعرات لتقدير المتغيرات الأساسية مثل جهود مكثفات الوحدات الفرعية وتيارات الأذرع أو تيارات الخرج، وكذلك جهود الشبكة (في التطبيقات المتصلة بالشبكة)، مما يقلل من الاعتماد على المستشعرات ويعزز موثوقية النظام. تتناول هذه الأطروحة دراسة وتطوير استراتيجيات التحكم بدون مستشعرات للمحول متعدد المستويات أحادي الطور، بهدف تقليل عدد المستشعرات دون التأثير على دقة التحكم أو استقرار النظام. كما يتم تقديم مراجعة شاملة للتقنيات الحالية للمراقبة والتقدير بهدف بناء أساس للطرق المقترحة، بما في ذلك مراقبو الوضع المنزلق (SMO)، مراقب لوينبرغر وفلتر كالمان. علاوة على ذلك، يتم تقديم تصاميم مبتكرة لمراقبين تعتمد على خوارزميات الالتواء الفائق المحسّنة، والمكيّفة مع السلوك الديناميكي للمحول متعدد المستويات. بالإضافة إلى ذلك، تطبق الدراسة هذه الاستراتيجيات للتحكم بدون مستشعرات على أنظمة الطاقة الكهروضوئية (PV). وقد تم التحقق من أداء هذه الطرق من خلال محاكاة مفصلة باستخدام برنامج MATLAB، حيث أظهرت نتائج المحاكاة فعالية وكفاءة هذه التقنيات. محول متعدد المستويات المعياري (MMC)، التحكم بدون مستشعرات ، تقنيات المراقبة ، طرق التقدير، تقدير تيار الخرج ، تقدير تيارات الأذرع ، تقدير جهد مكثفات الوحدات الفرعية (SM) ، تقدير جهد الشبكة ، تقليل الاعتماد على المستشعرات

The Modular Multilevel Converter (MMC) typically relies on voltage and current measurements, along with continuous communication between arm controllers and the main control system. This reliance increases hardware complexity and cost and reduces reliability. To address these challenges, sensorless control techniques have been developed to estimate essential variables such as submodule (SM) capacitor voltages, output or arm currents, and grid voltages (in grid-connected applications), thereby reducing sensor dependency and enhancing system reliability. This thesis investigates and advances sensorless control strategies for single-phase MMC, aiming to minimize the number of sensors without compromising control accuracy or system stability. A comprehensive review of existing observer and estimation techniques is provided to build a basis for the proposed methods, including Sliding Mode Observers, Luenberger observer and Kalman Filter. Novel observer designs, such as enhanced Super-Twisting Algorithms Observers, are introduced and adapted to the dynamic behavior of MMC. Additionally, the study applies these sensorless control strategies to PV systems. The performance of these approaches is validated through detailed simulations in MATLAB. The simulation results demonstrate the effectiveness and efficiency of the techniques.

Le Convertisseur Modulaire Multiniveau (MMC) repose généralement sur des mesures de tension et de courant, ainsi que sur une communication continue entre les contrôleurs de bras et le système de commande principal. Cette dépendance augmente la complexité et le coût, tout en réduisant la fiabilité. Pour relever ces défis, des techniques de commande sans capteurs ont été développées afin d’estimer des variables essentielles telles que les tensions des condensateurs des sous-modules (SM), les courants de sortie ou des bras, et les tensions du réseau (dans les applications connectées au réseau), réduisant ainsi la dépendance aux capteurs et améliorant la fiabilité du système. Cette thèse examine et améliore les stratégies de commande sans capteurs pour les monophasés MMC , dans le but de minimiser le nombre de capteurs sans compromettre la précision du contrôle ni la stabilité du système. Un examen approfondi des techniques existantes d’observateurs et d’estimation est présenté pour établir une base aux méthodes proposées, incluant les observateurs à mode glissant, Observateur de Luenberger et les filtre de Kalman. Des conceptions d’observateurs innovantes, telles que les observateurs à algorithmes Super-Twisting améliorés, sont introduites et adaptées au comportement dynamique du MMC. De plus, l’étude applique ces stratégies de commande sans capteurs aux systèmes photovoltaïques (PV). Les performances de ces approches sont validées par des simulations détaillées sous MATLAB. Les résultats de simulation démontrent l’efficacité et la performance des techniques proposées