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Control strategies for high-power wind turbines with selective harmonic mitigation pulse-width modulation

Con el fin de reducir el coste de la energía eólica marina, la potencia nominal de los aerogeneradores marinos ha aumentado en los últimos años, alcanzando el rango de 10 a 15 MW. Para alcanzar potencias tan elevadas, los aerogeneradores se conectan a la red de media tensión mediante convertidores NPC de tres niveles con IGBTs de alta tensión, que funcionan con frecuencias de conmutación bajas para reducir las pérdidas de conmutación. Para cumplir el requisito de emisión de armónicos cuando se utilizan estos convertidores de media tensión, la técnica de modulación por ancho de pulso para la mitigación selectiva de armónicos (SHMPWM, por sus siglas en inglés) es una alternativa interesante, ya que permite reducir el tamaño del filtro de armónicos a la vez que se trabaja con frecuencias de conmutación bajas. Sin embargo, su combinación con estrategias clásicas de control lineal limita la respuesta dinámica del convertidor. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis es la combinación de la técnica SHMPWM con estrategias de control adecuadas que permitan satisfacer los requisitos de conexión a red en régimen permanente y durante transitorios. Para ello, se han abordado las siguientes líneas de investigación: Diseño de técnicas de modulación de mitigación selectiva de armónicos para cumplir los límites de emisión de armónicos. Análisis de las estrategias de control lineal con SHMPWM en términos de cumplimiento de los requisitos de conexión a la red. Análisis, adaptación y desarrollo de estrategias de control predictivo por modelo combinadas con SHMPWM para el cumplimiento de los requisitos de conexión a red.

In order to reduce the cost of offshore wind power, the rated power of offshore wind turbines has been increased in recent years, reaching the 10 to 15 MW range. To achieve such high powers, the wind turbines are connected to the medium-voltage grid by means of three-level NPC converters with high-voltage IGBTs, which work with low switching frequencies to reduce switching losses. To meet the harmonic emission requirement when using these medium-voltage converters, the selective harmonic mitigation pulsewidth modulation (SHMPWM) technique is an interesting alternative, since it allows to reduce the size of the harmonic filter while working with low switching frequencies. However, its combination with classical linear control strategies limits the dynamic response of the converter. In this context, the main goal of this thesis is the combination of the SHMPWM technique with appropriate control strategies that allow meeting the grid connection requirements in steady state and during transients. For this purpose, the following research lines have been addressed: Design of selective harmonic mitigation modulation techniques to comply with harmonic emission limits. Analysis of linear control strategies with SHMPWM in terms of compliance with grid connection requirements. Analysis, adaptation and development of model predictive control strategies combined with SHMPWM for compliance with grid connection requirements.