Digital Control in Grid Converters: Methods and Comparative Analyses

Abstract

Due to the ongoing transition towards fossil-free energy production by means of renewable energy resources, grid converters that act as power-electronic interfaces between the renewable energy sources and the electric grid are deployed in unprecedented numbers. This paradigm change has introduced a host of challenges related to the control of grid converters. The control system is a quintessential part of the grid converter, and in modern converters it is invariably implemented by using a digital processor. This thesis presents a collection of methods and comparative analyses applicable to digital control of grid converters. Throughout the thesis, state-feedback control framework is focused on due to its several desirable properties. The topics of this thesis can be divided into three categories: converter modeling, identification, and control design. Related to converter modeling, an intersample admittance modeling method is presented which takes into account the discrete-time nature of the converter control system. The presented method improves the modeling accuracy over conventional methods and eliminates the need for approximations used in the existing state-of-the-art methods. Regarding identification, focus is on developing computationally efficient methods that can be executed in real time. Two such methods are developed: one for identifying the parameters of an LCL filter and the other for identifying unbalanced grid impedance. These two methods can be embedded to a control system of a pulse-width-modulation-based converter in a plug-in manner. On the topic of control design, comparative analyses of different state-feedback current controllers are carried out to examine their properties as well as reveal connections between the different controllers. In particular, mathematical equivalence of the integrator-based and disturbance-observer-based state-feedback current controllers is shown. Moreover, an enhanced direct pole-placement design for weak-grid tolerant state-feedback positive- and negative-sequence current control is proposed which remains stable in grids ranging from strong to very weak. Related to current limiting in converters operating as voltage sources, a multifunctional cascade control structure is proposed which renders the current reference limiting methods previously restricted to cascade controllers equally available to direct AC-voltage controllers. All the results presented in this thesis are experimentally evaluated using a 12.5-kVA 50-Hz three-phase grid converter system. The results find applications in industry, for example, in wind turbine and solar photovoltaic systems as well as in active front-ends of motor drives.

Ihmiskunta pyrkii siirtymään fossiilisista polttoaineista riippumattomaan energiantuotantoon uusiutuvien energialähteiden avulla. Tästä johtuen verkkosuuntaajia, jotka toimivat tehoelektronisina rajapintoina uusiutuvien energialähteiden ja sähköverkon välissä, on viime aikoina otettu käyttöön valtavia määriä. Tämä muutos energiantuotannon paradigmassa on tuonut esiin useita haasteita liittyen verkkosuuntaajien säätöön. Säätöjärjestelmä on olennainen osa verkkosuuntajaa, ja nykyaikana se on lähes poikkeuksetta toteutettu digitaalisessa prosessorissa. Tässä työssä esitetään kokoelma menetelmiä ja vertailevia analyysejä, joita voidaan soveltaa verkkosuuntaajan digitaalisessa säädössä. Työhön sisältyvät menetelmät ja vertailut esitetään tilasäädön puitteissa sen useista suotavista ominaisuuksista johtuen. Työn aiheet voidaan jaotella kolmeen osaan: suuntaajan mallinnus, identifiointi ja säätösuunnittelu. Suuntaajan mallinnukseen liittyen työssä esitellään digitaalisesti säädetyn suuntaajan lähtöadmittanssin mallinnusmenetelmä, joka huomioi järjestelmän hybridiluonteen siinä esiintyvien signaalien aikatasojen suhteen. Esitetty menetelmä parantaa mallinnustarkkuutta perinteisiin menetelmiin verrattuna. Tämän lisäksi se poistaa tarpeen approksimaatioille, joita käytetään tämänhetkistä huipputasoa edustavissa menetelmissä. Identifioinnin saralla työssä keskitytään laskennallisesti tehokkaiden menetelmien kehittämiseen, jotta identifointi voitaisiin suorittaa reaaliajassa. Kaksi tälläista menetelmää esitetään: yksi LCL suodattimen parametrien ja toinen epäsymmetrisen verkkoimpedanssin identifiointiin. Nämä menetelmät voidaan sisällyttää pulssinleveysmoduloidun suuntaajan säätöjärjestelmään suoraviivaisesti. Säätösuunnittelun aihepiiriin liittyen työssä tehdään useita vertailevia analyysejä erilaisten tilasäädinten välillä, joissa tarkoituksena on vertailla säädinten ominaisuuksia sekä paljastaa niiden välisiä yhteyksiä. Erityisesti integraattorilla ja häiriöhavaitsijalla toteutettujen tilasäätöön pohjautuvien virtasäädinten matemaattinen ekvivalenssi näytetään. Tämän lisäksi työssä esitetään parannettu suora napojensijoittelu myötä- ja vastakomponentin tilasäätöön pohjautuvalle virtasäätimelle. Ehdotettu napojensijoittelu takaa säätimen stabiilin toiminnan sekä vahvoissa että heikoissa verkoissa. Työssä esitellään myös jännitelähteinä toimivien suuntaajien virranrajoitukseen liittyvä monitoiminnallinen kaskadisäätörakenne. Ehdotettu rakenne mahdollistaa virtareferenssiin perustuvien virranrajoitusmenetelmien, joiden käyttö on aikaisemmin rajoitettu kaskadirakenteisiin säätimiin, käyttämisen AC-jännitettä suoraan säätävissä rakenteissa. Kaikki työn tulokset on arvioitu kokeellisesti käyttäen 12.5-kVA 50-Hz kolmivaiheista verkkosuuntajalaitteistoa. Tuloksia voidaan soveltaa teollisuudessa esimerkiksi tuuliturbiini- ja aurinkosähköjärjestelmissä ja sähkömoottorikäyttöjen aktiivisissa tasasuuntaajissa.