Ontwerp en evaluatie van algoritmes voor sturing van hoogfrequente vermogenelektronica.

Met de introductie van wide band-gap halfgeleiders worden significant hogere schakelfrequenties haalbaar voor vermogenelektronische toepassingen; rekenkracht om regelalgoritmen te verwerken groeit niet met eenzelfde stap. Sliding-moderregelaars kennen lage rekentechnische belasting en hoge ro- buustheid. We onderzoeken of deze regelaars in staat zijn om state-of- the-art performantie in vermogenelektronische applicaties in het distributie- en transmissienet te behalen. In tegenstelling tot continue regelmethoden, produceert een sliding-moderegelaar discrete controle-outputs, gelijkaardig aan het gewenste discrete schakelgedrag van vermogenelektronica. Dit verschil stelt sliding-moderegelaars in staat om twee regelniveaus te combineren, het externe regelniveau - die de doelen van de toepassing beheert, en het interne regelniveau - waar de schakelinstructies van de vermogenelektronische convertor worden beslist.

Specifiek onderzoeken we sliding-moderegelaars voor een driefazige LCL-filter netkoppeling en een serieconverter van een Unified Power Flow Controller. In de literatuur is het ontwerp van een LCL-filter voor vermogenelektronische toepassingen gebaseerd op recursieve berekeningen, en/of ervaring, zonder garantie van optimaliteit.

We passen een analytische ontwerpmethode voor analoge filters in signaal- transmissie aan voor een gefilterde distributienetinterpretatie. Gebaseerd op standaard ontwerpregels voor inductanties breiden we de methode uit zodat de intrinsieke weerstand van de inductanties mee in de analytische methode zit, in plaats van discrete componenten waarvoor de methode ontworpen is. Hierdoor kunnen we het ontwerpen analytisch optimaliseren voor elke functie van de filtercomponenten. We ontwerpen een LCL-filter geoptimaliseerd naar de totale life-cycle cost inclusief de verwachte energieverliezen. In vergelijking met andere ontwerpmethoden, is onze LCL-filter significant goedkoper in de verwachte life cycle.

Vroeger werk heeft geen sliding-moderegelaar voor een driefazige LCL-filter netconnectie ontworpen. Gebaseerd op het dynamische model van een LCL- filter netconnectie, ontwerpen we een externe en interne sliding-moderegelaar. De ontwerpmethode en het tunen van de sliding-moderegelaar is gebaseerd op een enkelfazig model. Met een gedetailleerd driefazig model, inclusief vermogen elektronische schakelaars, simuleren we de ontworpen sliding-mode regelaar. We vergelijken de implementatie van een driefazige abc en een equivalente twee azige αβ sliding-mode regelaar. De tweefazige implementatie reduceert tegenstrijdige schakelbeslissingen tussen de drie fazen, met een hogere performantie onder gelijke condities.

Vroeger werk betreffende vermogen stroom regeling met een UPFC focust op steady-state-modellen van het controleprobleem wat leidt tot lagere dynamische performantie. Complexe cross-coupling compensaties en afstelmechanismen slagen er niet in om optimaal te beantwoorden aan referentieveranderingen en creëren negative effecten tijdens ongebalanceerde condities. Het interne vermogenelektronische aspect van het controleprobleem wordt in het algemeen buiten beschouwing gelaten.

We gebruiken dynamische vermogenstroommodellen en hun instantane afgeleiden om de belangrijkste ogenblikkelijke systeemdynamica te herkennen. Met de verkregen inzichten ontwikkelen we een Dynamic Inverse Model Controller en een Direct Power Controller. De Dynamic Inverse Model controller is een continue externe regelaar gecombineerd met een sliding-mode interne regelaar, de Direct Power Controller is een gecombineerde externe en interne sliding-moderegelaar. Gebaseerd op een gedetailleerd model van een UPFC uitgerust met een multi- levelinverter, inclusief vermogenelektronische schakelaars, simuleren we de ontwikkelde regelsystemen onder gebalanceerde en ongebalanceerde condities, terwijl we hun performantie vergelijken met continue regelaars uit de literatuur. Beide ontwikkelde regelaars behalen een hogere performantie dan continue regelaars uit de literatuur, zowel in gebalanceerde als ongebalanceerde condities. De Direct Power Controller heeft de beste performantie in alle situaties.

Op een geschaald experimenteel model met een multi-levelinverter demonstreren we de direct power controller in gebalanceerde condities. De congruentie van de resultaten met de gesimuleerde resultaten overtuigt ons dat we het regelprobleem volledig begrijpen en de performantie van de ontwikkelde regelaars adequaat voorstellen.

We demonstreren dat sliding-mode control een adequate regeltechniek is voor vermogenelektronische applicaties. De ontwerpmethodologie is eenvoudig aanpasbaar aan andere convertortopologiën en applicaties. De totaliteit van het werk overkoepeld verschillende controleproblemen en demonstreert adequate oplossingen, die eenvoudig uitbreidbaar zijn naar andere applicaties.