Control allocation method for voltage control and active balancing of a multicellular flying capacitor inverter

Méthode d’allocation pour la commande en tension et l’équilibrage actif d’un onduleur multicellulaire à condensateurs flottants

Abdelkader Bouarfa (1) , Marc Bodson (2) , Maurice Fadel (3)

1 LAPLACE - LAboratoire PLasma et Conversion d'Energie
2 The University of Utah, Dept. of Electrical & Computer Engineering
3 LAPLACE-CODIASE - COmmande et DIAgnostic des Systèmes Electriques

An elegant way to exploit control redundancies available in multilevel converters is through the formulation of a constrained optimization problem. An interesting connection can be made with the so-called control allocation problems defined in over-actuated constrained systems. Redundancies and constraints are taken into account to achieve the best performance. In this paper, we introduce the first result of an investigation of control allocation methods for multilevel conversion. The method is dedicated to the flying-capacitor inverter with focus on the active balancing of capacitor voltages to ensure admissible blocking voltages for the switches. A linear program is formulated and solved by using the well-established simplex algorithm. Fast variations of the DC-bus voltage were applied in simulations. Disturbances are well rejected thanks to a highly reactive balancing, and a safe switching operation is ensured.

Une manière élégante d'exploiter efficacement les redondances de commande disponibles pour les convertisseurs statiques multi-niveaux est de formuler des problèmes d'optimisation contraints. Ces problèmes sont similaires aux problèmes dits d'allocation de commandes rencontrés pour les systèmes mécaniques sur-actionnés. Les redondances et les contraintes sont prises en compte pour obtenir les meilleures performances. Dans ce papier, nous présentons un des premiers résultats de l'étude de méthodes de commande par allocation pour la conversion statique multi-niveaux. Nous proposons une nouvelle méthode pour l'onduleur à condensateurs flottants avec une attention particulière portée sur l'équilibrage actif des tensions des condensateurs afin de maintenir des tensions de commutation admissibles pour les interrupteurs. Nous formulons un problème d'optimisation linéaire dont la résolution repose sur le célèbre algorithme du simplexe. En simulation, nous faisons subir de fortes variations de la tension continue d'entrée. Grâce à notre méthode, ces perturbations sont rapidement rejetées, garantissant une meilleure sécurité des interrupteurs de puissance et une bande passante élevée.

Mots clés: Power converter control; Multilevel converter; Control allocation; Flying-capacitor inverter; Pulse-width modulation; Active balancing

Mots clés: Commande des convertisseurs statiques; Convertisseur multiniveaux; Commande par allocation; Onduleur à condensateurs flottants; Modulation de largeur d'impulsion; Equilibrage actif; Allocation de commandes

Domaines: Energie électrique; Automatique / Robotique

Abdelkader Bouarfa, Marc Bodson, Maurice Fadel. Méthode d’allocation pour la commande en tension et l’équilibrage actif d’un onduleur multicellulaire à condensateurs flottants. Automatique Control, 2018, 2 (1), ⟨10.21494/ISTE.OP.2018.0300⟩. ⟨hal-01906313⟩