Multifunctional control for robust grid-forming converters

Thumbnail Image

Files

isbn9789526428086.pdf (11.28 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2025-11-14
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025

Department

Sähkötekniikan ja automaation laitos
Department of Electrical Engineering and Automation

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

69 + app. 52

Series

Aalto University publication series Doctoral Theses, 218/2025

Abstract

This thesis deals with control methods for grid-forming converters that are multifunctional. Multifunctional converters can switch between different control modes according to operational requirements, making them a flexible asset for the future grid. The thesis introduces a multifunctional control structure, utilizing feedback linearization and a disturbance observer, to provide a systematic approach to the design of the control methods. The thesis focuses on grid-forming control with control methods being proposed for different system models. Both L and LCL filter models are used. Control of grid-forming converters in unbalanced grid conditions is also considered. Additionally, the thesis proposes dual-voltage forming control for simultaneous AC- and DC-side voltage regulation. All the proposed methods incorporate a compatible current control mode for fault ride-through purposes. The control structure utilized in the thesis allows for the derivation of small-signal models with relatively simple closed-loop control dynamics. This makes it possible to relate the control gains to the pole locations with relative ease, which aids in gain selection. The disturbance observer incorporates synchronization and plays a pivotal role in making bumpless control mode switching possible. The developed control methods are experimentally validated using a 12.5-kVA converter. The experimental results show that the control methods achieve excellent dynamic performance irrespective of the grid inductance. They are also shown to be robust against grid inductance estimation errors, i.e. knowledge of the grid inductance is not required.

Denna avhandling behandlar reglermetoder för nätbildande omriktare som är multifunktionella. Multifunktionella omriktare kan byta reglerläge enligt operativa krav, vilket gör dem till en flexible tillgång för framtidens elnät. Avhandlingen introducerar en multifunktionell reglerstruktur, som utnyttjar återkopplingslinjärisering och en störningsobservatör, för systematisk utveckling av reglermetoder. Avhandlingen fokuserar på nätbildande reglermetoder som utvecklas på basis av olika systemmodeller. Både L- och LCL-filtermodeller används. Reglering av nätbildande omriktare under obalanserade nättillstånd beaktas också. Dessutom föreslår avhandlingen dubbelspänningsbildande kontroll för samtidig växel- och likspänningsreglering. De föreslagna metoderna inkluderar ett strömregleringsläge för hantering av nätverksfel. Reglerstrukturen som används i avhandlingen möjliggör att härleda relativt enkla småsignalmodeller var reglerförstärkning kan enkelt relateras med polplacering. Störningsobservatören tillför synkronisering och den spelar en central roll vid sömlös byte av reglerläge. De utvecklade reglermetoderna valideras experimentellt med hjälp av en 12,5-kVA omriktare. De experimentella resultaten visar att reglermetoderna har utmärkt dynamisk prestationsförmåga oavsett nätinduktans. De visas också vara robusta mot fel vid uppskattning av nätinduktans, dvs. det är inte nödvändigt att känna till nätinduktansen.

Description

Supervising professor

Hinkkanen, Marko, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland

Thesis advisor

Mourouvin, Rayane, Dr., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland

Keywords

current control, current limitation, disturbance observer, grid forming converter, LCL filter, L filter, multifunctional control, feedback-linearization, pole placement, state-feedback, voltage control, voltage-source converter, L filter, LCL filter, multifunktionell reglering, nätbildande omriktare, omriktare för spänningskälla, polplacering, spänningsreglering, strömbegränsning, strömreglering, störningsobservatör, tillståndsåterkoppling, återkopplingslinjärisering

Other note

Parts

  • [Publication 1]: T. Nurminen, R. Mourouvin, M. Hinkkanen, and J. Kukkola. Multifunctional grid-forming converter control based on a disturbance observer. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 39, no. 10, pp. 13023-13032, October 2024.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202408095379
    DOI: 10.1109/TPEL.2024.3433503 View at publisher
  • [Publication 2]: R. Mourouvin, T. Nurminen, M. Hinkkanen, and M. Routimo. Direct DC-bus control for grid-forming converters: toward the concept of dualvoltage-forming converters. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 40, no. 6, pp. 7789-7799, June 2025.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202502052348
    DOI: 10.1109/TPEL.2025.3537332 View at publisher
  • [Publication 3]: T. Nurminen, R. Mourouvin, M. Hinkkanen, and J. Kukkola. Design and sensitivity analysis of grid-forming converter control based on a disturbance observer. Accepted for publication in IEEE Transactions on Industry Applications, 2025.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202506044218
    DOI: 10.1109/TIA.2025.3571882 View at publisher
  • [Publication 4]: T. Nurminen, R. Mourouvin, M. Hinkkanen, and J. Kukkola. Gridforming control using a disturbance observer for unbalanced conditions. Accepted for publication in Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE) Europe, Birmingham, UK, August/September 2025

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-2808-6

Collections

[diss] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC