Estimation Methods for Grid-Voltage Sensorless Control of Converters Equipped with an LCL Filter

Thumbnail Image

Files

isbn9789526071794.pdf (628.59 KB)
Errata_kukkola_jarno_DD_258_2016_publications_P4_P5.pdf (125.13 KB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2017-01-20
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

2016

Department

Sähkötekniikan ja automaation laitos
Department of Electrical Engineering and Automation

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

70 + app. 84

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 258/2016

Abstract

Grid-connected three-phase power electronic converters, equipped with an inductor-capacitor-inductor (LCL) filter, are widely used in energy production and consumption. The LCL filter effectively attenuates the switching harmonics of the converter; however, a drawback of the filter is its resonating behavior. The resonance can be damped by means of converter control, and the damping becomes easier and more effective, if the states of a dynamic full-order LCL-filter model are known (measured or estimated). The grid voltage is typically measured for converter control, but replacing voltage sensors with estimation may reduce system costs at low power ratings. Alternatively, a voltage estimation in parallel with the measurement increases system reliability. This thesis proposes estimation methods for grid-voltage sensorless control of converters equipped with an LCL filter. Only the converter AC currents and the DC-link voltage are measured for the control system. An adaptive observer is proposed for a combined state and grid-voltage estimation based on the full-order LCL-filter model. For unbalanced grid conditions, the observer is augmented with a disturbance model for the negative-sequence grid-voltage component. The nonlinear estimation-error dynamics of the observer are linearized and theoretically analyzed. The proposed observer is experimentally tested as a part of a grid-voltage sensorless control system, where the estimated states are applied in state-space current control. Based on the linearized dynamics, an analytic design procedure is presented for the observer in the continuous and discrete-time domains. The design procedure retains a link between the observer gains and dynamic performance, thus resulting in symbolic expressions for the gains as a function of the performance specifications and LCL-filter model parameters. The proposed observer can estimate the grid-voltage magnitude, frequency, and angle. In unbalanced grid conditions, the augmented observer can also estimate the negative-sequence component of the grid voltage. Estimated quantities can be used in the converter control system. The analytic design procedure enables the proposed estimation methods to be applied with different converters and LCL filters and further enables automatic tuning of the methods, for example, at the converter startup. The proposed methods can be applied, for example, in active-front-end rectifiers of motor drives or solar inverters.

LCL-suodattimella varustettuja, tehoelektroniikkaan perustuvia, kolmivaiheisia verkkosuuntaajia käytetään laajalti energiantuotannossa ja -kulutuksessa. LCL-suodatin vaimentaa tehokkaasti suuntaajan kytkentäyliaaltoja, mutta suodattimen haittapuolena on sen resonoiva käyttäytyminen. Resonanssi voidaan vaimentaa suuntaajan säädön avulla. Vaimennus säädön avulla helpottuu ja tehostuu, jos LCL-suodattimelle muodostetun täyden kertaluvun dynaamisen mallin tilat ovat tunnettuja (mitattuja tai estimoituja). Yleensä verkkojännite mitataan suuntaajan säätöä varten, mutta korvaamalla jännitemittausanturit estimoinnilla voidaan järjestelmän kustannuksia pienentää pienissä teholuokissa. Toisaalta jännitteen estimointi mittausten ohella parantaa järjestelmän käyttövarmuutta. Tässä työssä esitellään estimointimenetelmiä LCL-suodattimella varustettujen suuntaajien verkkojänniteanturittomaan säätöön. Ainostaan suuntaajan vaihtovirrat ja tasajännitevälipiirin jännite mitataan säätöjärjestelmää varten. Työssä ehdotetaan täyden kertaluvun LCL-suodatinmalliin perustuvaa adaptiivista havaitsijaa tilojen ja verkkojännitteen yhtäaikaiseen estimointiin. Verkon epäsymmetrisiä tilanteita varten havaitsijaa laajennetaan häiriömallilla verkkojännitteen vastakomponentille. Havaitsijan estimointivirheen epälineaarinen dynaaminen malli linearisoidaan ja sitä analysoidaan teoreettisesti. Ehdotettu havaitsija testataan kokeellisesti osana verkkojänniteanturitonta säätöjärjestelmää, jossa estimoituja tiloja käytetään tilasäätöön pohjautuvassa virtasäädössä. Työssä esitetään linearisoituun malliin perustuva analyyttinen suunnittelumenetelmä havaitsijalle jatkuva- ja diskreettiaikaisena. Suunnittelumenetelmä säilyttää yhteyden havaitsijan vahvistusten ja dynaamisen suorituskyvyn välillä ja tuottaa tuloksena symboliset lausekkeet vahvistuksille suorituskykyvaatimusten ja LCL-suodattimen malliparametrien funktioina. Ehdotettu havaitsija pystyy estimoimaan verkkojännitteen suuruuden, taajuuden ja kulman. Verkon epäsymmetrisissä tilanteissa laajennettu havaitsija pystyy lisäksi estimoimaan verkkojännitteen vastakomponentin. Estimoituja suureita voidaan käyttää suuntaajan säätöjärjestelmässä. Analyyttinen suunnittelumenetelmä mahdollistaa ehdotettujen estimointimenetelmien käyttämisen erilaisten suuntaajien ja LCL-suodattimien kanssa ja mahdollistaa menetelmien automaattisen virityksen esimerkiksi suuntaajan käynnistyksen yhteydessä. Ehdotettuja menetelmiä voidaan soveltaa esimerkiksi sähkömoottorikäyttöjen aktiivisissa tasasuuntaajissa tai aurinkosähköjärjestelmien vaihtosuuntaajissa.

Description

Supervising professor

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

Thesis advisor

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

Keywords

adaptive observer, grid-connected converter, identification, LCL-filter, linearized models, sensorless, state-space control, voltage estimation, adaptiivinen havaitsija, anturiton, identifiointi, jännitteen estimointi, LCL-suodatin, linearisoidut mallit, tilasäätö, verkkosuuntaaja

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Jarno Kukkola and Marko Hinkkanen. Observer-based state-space current control for a three-phase grid-connected converter equipped with an LCL filter. IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 50, issue 4, pp. 2700-2709, July/August 2014. Post-print / Author accepted version: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201511275425.
    DOI: 10.1109/TIA.2013.2295461 View at publisher
  • [Publication 2]: Jarno Kukkola and Marko Hinkkanen. State observer for grid-voltage sensorless control of a grid-connected converter equipped with an LCL filter. In Proc. 16th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’14-ECCE Europe), Lappeenranta, Finland, 10 p., August 2014. Post-print / Author accepted version: http://urn.fi/URN:ISBN:978-1-4799-3014-2.
    DOI: 10.1109/EPE.2014.6910740 View at publisher
  • [Publication 3]: Jarno Kukkola, Marko Hinkkanen and Kai Zenger. Observer-based state-space current controller for a grid converter equipped with an LCL filter: Analytical method for direct discrete-time design. IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 51, issue 5, pp. 4079-4090, September/October 2015. Post-print / Author accepted version: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201511275366.
    DOI: 10.1109/TIA.2015.2437839 View at publisher
  • [Publication 4]: Jussi Koppinen, Jarno Kukkola and Marko Hinkkanen. Parameter estimation of an LCL filter for control of grid converters. In Proc. 9th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia (ICPE 2015-ECCE Asia), Seoul, South Korea, pp. 1260-1267, June 2015. Post-print / Author accepted version: http://urn.fi/URN:ISBN:978-89-5708-254-6.
    DOI: 10.1109/ICPE.2015.7167942 View at publisher
  • [Publication 5]: Jarno Kukkola and Marko Hinkkanen. State observer for grid-voltage sensorless control of a converter equipped with an LCL filter: Direct discrete-time design. IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 52, issue 4, pp. 3133-3145, July/August 2016. Post-print / Author accepted version: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201603151467.
    DOI: 10.1109/TIA.2016.2542060 View at publisher
  • [Publication 6]: Jarno Kukkola and Marko Hinkkanen. Method for DC-link capacitance identification in voltage-source converters. In Proc. 2016 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM), Capri, Italy, pp. 34-40, June 2016. Post-print / Author accepted version: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201610124812.
    DOI: 10.1109/SPEEDAM.2016.7525833 View at publisher
  • [Publication 7]: Jarno Kukkola and Marko Hinkkanen. Grid-voltage sensorless control of a converter under unbalanced conditions: On the design of a state observer. In Proc. 2016 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Milwaukee, WI, USA, 8 p., September 2016. Post-print / Author accepted version: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201610124973.

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-7179-4

Collections

[diss] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC