Finite Control Set – Model Predictive Control of a Nine Level Packed U Cell Grid Connected Multilevel Inverter

Abstract

This thesis describes a grid-connected Nine Level Packed U Cell (PUC9) topology using a Finite Control Set – Model Predictive Control (FCS-MPC) technique. The proposed system is a single phase multilevel inverter, with four pairs of switches that work in a complementary matter, one DC source and two flying capacitors connected to the grid through a filtering inductor. This topology has the ability to generate nine different voltage levels with less number of active and passive components comparing with conventional multilevel inverter topologies. The proposed control technique (FCS-MPC) aims at reducing the total harmonic distortion (THD) of the grid injected current while balancing the capacitors’ voltages at their nominal reference values. Robustness analysis of the proposed model including the effect of a step change in the injected current into the grid, parameters’ mismatching, and grid voltage sag and swell have been conducted on a single phase low power (PUC9) inverter. Theoretical analysis, mathematical modelling and simulation results using MATLAB/SIMULINK software are presented in this thesis. The THD of the injected current for the proposed model is 1.13% and the capacitors’ voltages error is less than 5% في هذه الرسالة تم اقتراح طريقة للتحكم بعاكس متصل بالشبكة ينتج تسعة مستويات مختلفة من الجهد باستخدام نموذج تحكم تنبؤي ذو مجموعة تحكم محدودة. النظام المقترح هو عاكس متعدد المستويات أحادي الطور يتكون من أربعة أزواج من المفاتيح تعمل بشكل تكاملي ومصدر جهد مستمر واحد ومواسعين، النظام موصول بالشبكة الكهربائية من خالل محاثة لتصفية اشارة التيار. هذا النموذج من العواكس يمتلك القدرة على انتاج تسعة مستويات من الجهد بأقل عدد من المكونات الفعالة وغير الفعالة مقارنة بالعواكس التقليدية. تقنية التحكم المقترحة تهدف الى تقليل التشوه في اشارة التيار الذي يتم ضخه الى الشبكة ، في الوقت ذاته يحافظ على مستوى الجهد للمواسعات حسب القيمة االسمية لها. خالل هذه الدراسة تم تحليل متانة النموذج المقترح من خالل دراسة أثر تغيير التيار الذي يتم ضخه الى الشبكة ، وأثر عدم تطابق قيم المكونات المختلفة للنظام مع القيم االسمية، وأيضا أثر الهبوط واالرتفاع في جهد الشبكة. في هذه الرسالة تم تقديم التحليل النظري والنموذج الرياضي وعرض نتائج المحاكاة باستخدام برنامج ماتالب.