1 Análise do Conversor Multinível Modular com Aplicações em Sistemas de Transmissão HVDC B. Baroni, M. A. Severo Mendes, P. C. Cortizo Resumo-- O conversor multinível modular, MMC, consiste na associação em série de submódulos em meia ponte. Esse conversor é capaz de sintetizar formas de onda de alta qualidade com baixa frequência de chaveamento por submódulo, eliminando a necessidade de filtros passivos volumosos. Neste trabalho são propostas duas técnicas de controle e apresentadas duas técnicas de modulação para esse tipo de conversor. Uma das técnicas de controle é analisada para um sistema de transmissão HVDC, a outra para o sistema operando como retificador. Os resultados de simulação mostraram o bom desempenho do sistema para ambas as técnicas de controle. Palavras - Chave--Conversor Multinível Modular (MMC), Transmissão em Alta Tensão (HVDC), Capacitores Flutuantes. I. INTRODUÇÃO O Brasil ainda possui um grande potencial energético não explorado que deverá ser aproveitado para aumentar o parque de geração de energia elétrica. Estes recursos estão disponíveis em regiões afastadas dos grandes centros consumidores, compreendendo, por exemplo, o potencial hídrico das Bacias do Tocantins, do Rio Madeira e o potencial eólico das instalações offshore. Avaliações têm mostrado que para grandes distâncias e sistemas submarinos a utilização de transmissão de corrente contínua, HVDC, é economicamente mais viável do que as tradicionais transmissões em corrente alternada, HVCA. Este artigo trata de uma topologia de conversores proposta recentemente por Marquardt e Lesnicar e consiste em um conversor multinível modular, MMC.[1]-[4]. Esse conversor é formado por submódulos que correspondem à meia ponte, conforme mostra a Fig. 1. Atualmente, há vários grupos de estudo pesquisando o conversor MMC para aplicações em HVDC [5]-[9]. Uma vez que nestas aplicações os níveis de tensão envolvidos ultrapassam o limite máximo de operação dos semicondutores atuais. Além disso, o conversor multinível modular é capaz de sintetizar ondas senoidais com menor conteúdo harmônico, eliminando a utilização de filtros que para essa aplicação são caros e volumosos [1]. Nos conversores dos sistemas de transmissão HVDC cada submódulo deve ser chaveado em baixa frequência, pois nessas aplicações as perdas por chaveamento são altas, devido à potência elevada. SM SM SM SM SM SM Braço Superior NU iU Z Braço Vd ia iL Z Braço Z conv SM SM SM SM SM SM a b c T1 VC D1 C0 T2 D2 VSM Braço Inferior NL Fig. 1. Configuração do circuito do MMC Como os submódulos estão ligados em série, a frequência de chaveamento eficaz do conversor é f=2·N·F, onde N é o número de submódulos por braço e F a frequência de chaveamento de cada submódulo. Assim, é possível obter uma frequência de chaveamento resultante elevada com uma baixa frequência de chaveamento por chave. Isso proporciona um menor estresse das chaves e um menor conteúdo harmônico no lado a.c.. Levando em conta o processo de fabricação dos conversores, uma construção estritamente modular é uma vantagem, pois o circuito de alimentação é composto de um número idêntico de submódulos, não possuindo componentes centrais adicionais, como o capacitor no barramento c.c.. A escala para os diferentes níveis de tensão e potência deve ser feita variando-se o número de submódulos, assim o mesmo hardware com a mesma construção mecânica poderá ser utilizado para uma ampla gama de aplicações [3]. Neste artigo, são discutidas algumas técnicas de controle existentes na literatura. Além disso, são propostas duas técnica de controle para o MMC, sendo elas, o controle por defasamento angular e por índice de modulação. É analisado o comportamento de um sistema de transmissão HVDC com a técnica de controle por defasamento angular. O controle por índice de modulação é analisado para o retificador do sistema HVDC. Ambas as técnicas de controle são validadas mediante simulações computacionais no MATLAB/Simulink. Nesse tipo de conversor, em que há capacitores flutuantes, a distribuição balanceada de tensão nesses capacitores é esperada, porém, não é garantida naturalmente. Assim, foi implementado um algoritmo para garantir o equilíbrio de tensão nos capacitores flutuantes. 2 Desta maneira, na seção II é descrito resumidamente o funcionamento do conversor, enquanto na seção III é mostrado o procedimento usado para equilibrar as tensões nos capacitores flutuantes. Na seção IV são apresentadas duas técnicas para controlar o fluxo de energia, que são validadas mediante simulação na seção V. Os resultados obtidos são discutidos na seção VI. A. Princípio Conforme pode ser observado na Fig. 1, cada fase do conversor multinível é formada por dois braços: o braço superior é responsável por sintetizar a forma de onda no semiciclo positivo e o braço inferior é responsável por sintetizar a forma de onda no semiciclo negativo. O número de submódulos inseridos em cada braço é dado pelo nível de tensão a ser sintetizado. Os possíveis níveis de tensão em um submódulo podem ser vistos na Tabela I. Quando a chave T2 é ligada a tensão VSM é igual à zero. Por outro lado, se a chave T1 for ligada a tensão VSM é igual à VC. As chaves T1 e T2 possuem comandos complementares. O valor de pico da forma de onda sintetizada pelo MMC é limitado pela soma das tensões na saída de cada submódulo conforme (1). E a tensão no barramento c.c é dada por (2) [1]. A capacitância efetiva de cada braço do conversor é dada pela capacitância de um submódulo dividido pelo número de submódulos inseridos naquele braço, Ninseridos, conforme (3). Vˆa ≤ N ⋅ VSM (1) Vd (t ) = N ⋅VSM (2) N N inseridos (3) A corrente em cada braço do conversor é metade da corrente na rede mais a corrente de circulação entre os braços, conforme (4) (5), e a corrente na rede é a soma das correntes nos braços (6). Assim, a corrente de circulação entre os braços, icirc , é dada em (7). iU = ia + icirc 2 (4) iL = ia − icirc 2 (5) ia = iU + iL icirc = iU − iL 2 T1 1 T2 0 0 1 Efeito no capacitor C0 Carregando quando iBraço > 0 Descarregando quando iBraço < 0 Nenhum VSM VC 0 III. MODULADOR A. Equilíbrio de tensão nos capacitores flutuantes II. O CONVERSOR MULTINÍVEL MODULAR C Braço = TABELA I ESTADOS DO SUBMÓDULO (6) (7) É preciso implementar um algoritmo para garantir o equilíbrio de tensão nos capacitores flutuantes do conversor multinível modular, uma vez que o tempo de condução entre esses capacitores é diferente. Consequentemente eles se carregam e descarregam de forma irregular o que pode gerar um desequilíbrio de tensão. O método de equilíbrio das tensões seleciona o submódulo a ser inserido de acordo com a tensão e o sentido da corrente nos capacitores do submódulo de cada braço. Se a corrente que circula nos braços do conversor estiver carregando os capacitores, coloca-se em condução os submódulos com menor tensão em ordem crescente. Se a corrente no braço estiver descarregando os capacitores do braço, coloca-se em condução os submódulos com maior tensão em ordem decrescente [8],[10]. O período de atualização do algoritmo influencia diretamente na frequência de chaveamento, já que pode mudar os estados das chaves dos submódulos. No entanto, quanto menor for o período de atualização menor será o desequilíbrio de tensão entre os capacitores. B. Modulação por largura de pulso É possível implementar o modulador do MMC de duas formas diferentes em um conversor com o mesmo número de submódulos modificando apenas os comandos das chaves. Modulação N+1: Esse método de modulação gera uma forma de onda na saída do conversor com N+1 níveis. Nesse caso, o número de submódulos que são inseridos é sempre igual ao número de submódulos de cada braço do conversor, N. O restante dos submódulos são retirados. O número de submódulos a serem inseridos no braço superior e no braço inferior é dado pelo nível de tensão a ser sintetizado. Nessa técnica de modulação a capacitância do barramento c.c. é constante, pois o número de submódulos (capacitores) inseridos é sempre constante e igual a N. Modulação 2N+1: O segundo método de modulação resulta em uma forma de onda na saída do conversor com 2N+1 níveis. Nesse método de modulação, o número de submódulos inseridos varia entre N-1, N e N+1. Quando o número de submódulos inseridos é igual a N o nível de tensão na saída coincide com o primeiro método, N+1. Da mesma forma que no primeiro método de modulação, N+1, o nível de tensão a ser sintetizado é que define o número de submódulos no braço inferior e superior que serão inseridos. 3 Para um conversor com o mesmo número de submódulos, o método de modulação 2N+1 sintetiza uma forma de onda na saída com mais níveis que o método de modulação N+1. Nessa técnica de modulação, a capacitância do barramento c.c. varia com a capacitância de um submódulo, para mais no instante em que o número de submódulos inserido for N-1, e para menos, no instante em que o número de submódulos inserido for N+1. A Tabela II e Tabela III mostram a relação entre a amplitude da forma de onda sintetizada com o número de submódulos inseridos do braço superior (NU) e inferior (NL), e o número total de submódulos inseridos, em um quarto de ciclo para um conversor com 10 submódulos por braço, para a modulação N+1 e 2N+1 respectivamente. C. Parâmetros de controle θ TENSÃO NOS CAPACITORES SUPERIORES CORRENTE NO BRAÇO SUPERIOR CORRENTE NO BRAÇO INFERIOR TENSÃO NOS CAPACITORES INFERIORES 2N +1 ou N +1 MMC Modulador mi Fig. 2. Estrutura do modular com eliminação do MMC IV. TÉCNICAS DE CONTROLE PARA O MMC O modulador implementado é capaz de sintetizar formas de onda defasadas ou em fase com a rede. Com esse modulador também é possível controlar o valor da amplitude dessa forma de onda, controlando o índice de modulação (mi). A estrutura simplificada do modulador pode ser observada na Fig. 2. TABELA II MODULAÇÃO N+1 Amplitude da forma de onda (p.u.) NU NL 0 2 4 6 8 10 5 6 7 8 9 10 5 4 3 2 1 0 Número total de submódulos inseridos 10 10 10 10 10 10 TABELA III Uma técnica de controle que visa monitorar a energia total dos braços e o equilíbrio entre cada braço do conversor foi proposta em [11]. A circulação de corrente em cada braço é controlada pela diferença da tensão nos indutores de cada braço. Com o aumento do número de submódulos a técnica de controlar a tensão dos braços ao invés de controlar a tensão em cada capacitor individualmente é vantajosa, pois a grande quantidade de dados trocados entre o modulador e o controlador pode acarretar falhas, além de ter um custo computacional elevado. Uma melhoria da técnica de controle em [11] é proposta em [12]. Nessa técnica, os dados com as tensões dos capacitores de cada braço não precisam ser fornecidos para esse controlador, o que permite ao conversor operar com mais precisão do que no caso anterior, devido a menores atrasos no controle. Outro tipo de controlador foi proposto em [13]. Nessa técnica de controle há um modulador para cada submódulo que é controlado separadamente de acordo com a tensão em seu capacitor, não havendo necessidade de controlar a tensão nos capacitores flutuantes. MODULAÇÃO 2N+1 Amplitude da forma de onda (p.u.) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 NU NL 5 6 6 6 7 8 8 8 9 10 10 5 5 4 3 3 3 2 1 1 1 0 Número total de submódulos inseridos 10 11 10 9 10 11 10 9 10 11 10 A. Controle por defasamento angular A técnica de controle por defasamento angular consiste em controlar o fluxo de potência entre o conversor e a rede em função do defasamento angular entre a tensão do conversor e a tensão da rede, mantendo-se o índice de modulação constante. Essa técnica de controle regula basicamente o fluxo de potência ativa. O diagrama de controle do sistema HVDC dessa técnica é apresentado na Fig. 3. No lado do retificador é transmitido ao controlador de tensão do barramento c.c. uma referência de tensão (V*d). A saída desse controlador é a referência eficaz de corrente na rede (I*rede), enviada para o controlador de corrente. Já no sistema de controle no lado do inversor, há apenas o controlador de corrente. Assim, é transmitido a esse controlador uma referência eficaz de corrente (I*rede). Tanto no retificador quanto no inversor, a saída do controlador de corrente corresponde ao ângulo de defasamento entre as tensões da rede e do conversor (θ). 4 B. Controle por índice de modulação θ As duas técnicas de controle propostas na seção IV são validadas através de simulações computacionais no MATLAB/Simulink. O sistema HVDC é analisado para uma tensão na linha de transmissão HVDC de 40kV com dois MMC trifásicos formados por 10 submódulos por braço, N, e sintetizando uma tensão na saída a.c. com 21 níveis. Cada conversor possui 10 pulsos, 1 pulso por submódulo. Assim, a frequência de chaveamento é baixa. A técnica de controle por defasamento angular é aplicada ao sistema de transmissão HVDC. O diagrama de blocos desse sistema de controle é apresentado na Fig. 3. Os resultados são apresentados graficamente nas Fig. 5 à Fig.10. O controle por índice de modulação é aplicado ao sistema do operando como retificador. O diagrama de blocos desse sistema de controle é apresentado na Fig. 4. Os resultados de simulação são mostrados nas Fig. 11 à Fig. 13. Para facilitar o entendimento dos parâmetros de simulação, é utilizado o esquemático simplificado do MMC trifásico da Fig. 1. Esses parâmetros são apresentados em detalhe na Tabela IV. mi θ mi Modulador Lconv P,Q Rconv Rede 1 Vd MMC-2 Trifásico Lconv Rconv PI * I rede VMÉDIO PI Vd * * I rede VMÉDIO * I rede PI Vd PI ~ Rede * Fig. 4. Malha de controle por índice de modulação do retificador A. Sistema HVDC Os parâmetros dessa simulação são apresentados na Tabela IV. Conforme explicado na seção anterior foi analisado o comportamento do sistema de transmissão HVDC com potência de 20MW e tensão de 40KV no barramento c.c.. A tensão no lado c.a. é de 10kV fase-neutro, rms. Nessa simulação, é utilizada a técnica de controle por defasamento angular. A Fig. 5 mostra o fluxo de potência nos conversores MMC1 e MMC-2. Essa potência possui baixa oscilação, aproximadamente 10%. A tensão no conversor e a corrente na rede no lado do retificador e no lado do inversor apresentam baixa distorção harmônica total, THD, como é mostrado nas Fig.6 e Fig. 7. Potência MMC-1 30 20 10 0 P Q -10 -20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ~ PI Fig. 3. Malha de controle do sistema HVDC por defasamento angular 10 tempo [s] Potência MMC-2 20 P Q 10 0 -10 -20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Fig. 5. Potência ativa e reativa nos conversores do sistema HVDC P,Q RMS P,Q Rconv tempo [s] Rede 2 RMS ~ Lconv MMC Trifásico Vd RMS -30 0 θ Modulador MMC-1 Trifásico Carga P (MW) , Q (MVar) V. ESTUDO DE CASO E RESULTADOS DE SIMULAÇÃO mi Modulador P (MW) , Q (MVar) A técnica de controle por índice de modulação consiste em controlar o fluxo de potência entre a rede e o conversor através do índice de modulação do conversor, mantendo-se o defasamento angular entre a tensão no conversor e a tensão na rede constante. Essa técnica controla basicamente o fluxo de potência reativa. A Fig. 4 mostra o diagrama de blocos do sistema de controle do retificador. Nesse caso, é transmitido ao controlador de tensão do barramento c.c. uma referência de tensão (V*d). A saída desse controlador é a referência eficaz de corrente da rede (I*rede), enviada para o controlador de corrente. A saída do controlador de corrente é o índice de modulação (mi) do conversor. TABELA IV PARÂMETROS DE SIMULAÇÃO Potência Número de submódulos (2N) Número de níveis Barramento c.c. Capacitância do submódulo (C0) Tensão do submódulo (VSM) Indutor do braço (LBraço) Resistor do braço (RBraço) Comutações médias por ciclo (uma chave) Vconv (RMS fase neutro) Lconv Rconv Rlinha Llinha Carga 20 MW 20 21 40 kV 4.5 mF 4.0 KV 4.4 mH 0.1 Ω 10 10 KV 2.0 mH 0.1 Ω 0.1 Ω 0.1 H 80 Ω 10 5 Comutações na chave T1 Tensão no conversor THD =3.11% Va 7.5 Vb 0 Vc -7.5 1 Comutações Tensão [kV] 15 0.5 0 -15 9.44 9.45 9.46 9.47 9.48 9.49 9.5 7.98 tempo [s] Corrente na rede THD = 1.7% 7.984 7.986 ib 0 ic 7.992 7.994 7.996 7.998 8 7.994 7.996 7.998 8 0.5 0 -1000 9.44 9.45 9.46 9.47 9.48 9.49 9.5 7.98 tempo [s] Fig. 6. Tensão no conversor e corrente na rede no lado do retificador 7.982 7.984 7.986 7.988 7.99 tempo [s] 7.992 Fig. 9. Comutações nas chaves de um submódulo do MMC Tensão co conversor THD = 2.93% Tensão nos capacitores flutuantes 15 4.25 Va 7.5 Vb 0 Vc 4.2 4.15 -7.5 4.1 -15 9.44 9.45 9.46 9.47 9.48 9.49 9.5 tempo [s] Corrente na linha THD=1.96% 1000 ia 500 ib 0 ic Tensão [kV] Tensão [kV] 7.99 tempo [s] 1 Comutações ia 500 -500 Corrente [A] 7.988 Comutações na chave T2 1000 Corrente [A] 7.982 4.05 4 3.95 3.9 -500 3.85 -1000 9.44 9.45 9.46 9.47 9.48 9.49 3.8 8 9.5 tempo [s] 8.1 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 9 Fig. 10. Tensão nos capacitores flutuantes do MMC A Fig. 8 mostra a tensão e a corrente na linha de transmissão. Essa tensão apresentou um ripple de aproximadamente 13%. Já a corrente na linha HVDC, apresentou um valor médio de 500A com uma oscilação de aproximadamente 9%. O número médio de comutações das chaves por ciclo é baixo, aproximadamente 10 comutações por período na frequencia fundamental (60Hz), conforme pode ser observado na Fig.9. Isso reduz as perdas por chaveamento. A Fig. 10 mostra a tensão em cada um dos capacitores flutuantes. Analisando o resultado, nota-se que as tensões ficaram equilibradas, sendo que o ripple dessas tensões é de aproximadamente 6%. O que valida o algoritmo utilizado para equilibrar a tensão nos capacitores flutuantes. A tensão na linha HVDC é a soma das tensões nos capacitores flutuantes. Tensão na linha HVDC 50 Tensão [kV] 8.3 tempo [s] Fig. 7. Tensão no conversor e corrente na rede no lado do inversor B. Sistema retificador Nessa simulação foram utilizados os mesmos parâmetros de simulação apresentados na Tab. IV. No entanto, a técnica de controle utilizada foi o controle por índice de modulação, cujo diagrama de controle é mostrado na Fig. 4. Os resultados são apresentados nas Fig. 11 à Fig. 13. A Fig. 11 mostra a potência ativa e reativa no conversor. Esses sinais ficaram equilibrados e com baixa oscilação, 12%. A corrente na rede e a tensão do conversor podem ser verificadas na Fig. 12. Assim como no controle por defasamento angular, a THD da corrente e tensão são baixas e estão indicadas nas respectivas figuras. A tensão no barramento c.c. possui um ripple de aproximadamente 16% e as tensões nos capacitores flutuantes ficaram equilibradas e possuem um ripple de aproximadamente 10%. Esses sinais podem ser verificados na Fig. 13. 45 40 Potência Conversor - MMC 40 35 30 0 P Q 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 30 tempo [s] Corrente na linha HVDC P (MW) , Q (MVar) 800 Corrente [A] 8.2 600 400 200 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 20 10 0 10 tempo [s] Fig. 8. Corrente na linha HVDC -10 -20 0 1 2 3 4 5 6 7 tempo [s] Fig. 11. Potência ativa e reativa no conversor 8 9 10 6 VII. AGRADECIMENTO Tensão no conversor THD = 2.34% V 15 Tensão [kV] V V 0 a b c -15 8.9 8.91 8.92 8.93 8.94 8.95 8.96 8.97 8.98 8.99 9 Corrente [A] tempo [s] Corrente na rede THD 1.17% 1000 i 500 i VIII. REFERÊNCIAS a b i c 0 -500 -1000 8.9 8.91 8.92 8.93 8.94 8.95 8.96 8.97 8.98 8.99 9 tempo [s] Fig. 12. Tensão no conversor e corrente na rede Tensão no barramento c.c. Tensão [kV] 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 8.94 8.96 8.98 9 tempo [s] Tensão nos capacitores flutuantes Tensão [kV] 4.4 4.2 4 3.8 3.6 8.8 Os autores gostariam de agradecer ao professor Dr. Rodney Resende Saldanha e ao pesquisador Dr. Adriano Chaves Lisboa pela colaboração na implementação do modulador. 8.82 8.84 8.86 8.88 8.9 8.92 tempo [s] Fig. 13. Tensão no barramento c.c. e nos capacitores flutuantes VI. CONCLUSÃO O conversor multinível modular tem aplicações em média e alta tensão. Nesse conversor é possível compartilhar o barramento c.c., o que possibilita sua aplicação em sistemas de transmissão HVDC. O MMC, mostrou ser uma alternativa interessante para aplicações em sistemas de transmissão HVDC. Nessas aplicações, há necessidade de conectar os dispositivos semicondutores dos conversores em série, uma vez que esses dispositivos possuem um limite máximo de tensão. A proposta do conversor MMC é justamente operar com vários submódulos em série. Além disso, o MMC sintetiza formas de onda com baixo conteúdo harmônico, o que elimina a necessidade de filtros, que para os sistemas HVDC são caros e volumosos. Apesar do MMC não utilizar filtros, há indutores nos braços do conversor o que pode aumentar o custo. Ambas as técnicas de controle analisadas, controle por defasamento angular e controle por índice de modulação, apresentaram bons resultados, sintetizando formas de onda com baixo conteúdo harmônico. O controle por defasamento angular possibilita maior excursão da tensão no barramento c.c. bem como maior excursão do fluxo de energia. A frequência de chaveamento de cada chave é baixa. Isso reduz o estresse mecânico das chaves e aumenta a eficiência do conversor. O algoritmo implementado para equilibrar a tensão nos capacitores flutuantes do MMC, foi eficiente em ambas às técnicas de controle. O período de atualização desse algoritmo deve ser levado em consideração para uma frequência de chaveamento baixa. [1] Lesnicar, A.; Marquardt, R.; , "An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range," Power Tech Conference Proceedings, 2003 IEEE Bologna , vol.3, no., pp. 6 pp. Vol.3, 23-26 June 2003 [2] A. Lesnicar, and R. Marquardt: “A new modular voltage source inverter topology”, EPE 2003, Toulouse, France, September 2-4, 2003. [3] Marquardt R., Lesnicar A., “New Concept for High Voltage – Modular Multilevel Converter”, PESC 2004 Conference Aachen, Germany. [4] Allebrod, S.; Hamerski, R.; Marquardt, R.; , "New transformerless, scalable Modular Multilevel Converters for HVDC-transmission," Power Electronics Specialists Conference, 2008. PESC 2008. IEEE , vol., no., pp.174-179, 15-19 June 2008. 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