Verkkosuodattimella varustetun verkkosuuntaajan virtasäätö

Abstract

Tässä työssä tutkitaan LCL-verkkosuodattimella varustetun verkkosuuntaajan virtasäätöä sekä luodaan katsaus verkkosuuntaajan ohjaukseen yleisemmällä tasolla. Verkkosuuntaajista tarkastellaan kolmivaiheista, jännitevälipiirillistä ja kaksitasoista topologiaa. Virtasäätömenetelmistä työssä keskitytään PI- ja tilasäätöön sekä otetaan virtasäädön lähtökohdaksi jatkuva-aikainen kytkentäjakson yli keskiarvoistettu LCL-suodattimella varustetun verkkosuuntaajan malli. Kirjallisuustutkimusta työssä tehdään PI-säädön ja LCL-suodattimen aktiivisen vaimennuksen osalta. Työssä esitetään ratkaisu virtasäädön toteuttamiseksi tilasäätönä. Tilasäätimen ja tilahavaitsijan virittämiseksi työssä johdetaan analyyttiset lausekkeet mallin ja suuntaajalle määritellyn dynaamisen käyttäytymisen perusteella. Esitettyä tilasäätöratkaisua ja PI-säätöä verrataan simuloimalla sekä tilasäätöratkaisun parametriherkkyyttä arvioidaan Nyquistin stabiilisuuskriteerin avulla. LCL-suodattimen resonoiva luonne yhdessä järjestelmän luontaisen viiveen kanssa hankaloittaa virtasäätöä. Työssä tarkastellaan sarjaresonanssitaajuuden suhdetta viivettä kuvaavaan viivekulmataajuuteen taajuustasossa sekä tuodaan esille viiveen vaikutus järjestelmän stabiiliuteen. Viiveen epästabiiliutta aiheuttavan vaikutuksen kompensoimiseksi työssä käytetään vaiheenjohtopiiriä. Työn analyysi ja simulointitulokset osoittavat tilasäädön olevan PI-säätöä monipuolisempi vaihtoehto LCL-suodattimen resonoivan käyttäytymisen hallitsemisessa. Tilasäädön vapausasteiden merkitys korostuu viiveellisen järjestelmän tapauksessa, sillä resonoivan napaparin taajuutta voidaan tilasäädöllä pienentää, mikä tuo lisää vaihevaraa viiveelliseen järjestelmään. Virtasäätö tilasäätönä mahdollistaa PI-säätöä pienemmän vaiheenjohdon viiveen kompensoimiseksi, mikä näkyy tilasäätöratkaisun parempana verkkohäiriönsietokykynä.

This thesis studies current control of a grid-connected converter with an LCL power line filter. Three-phase, two-stage voltage-source topology is considered. From the current control methods, PI control and state-space control are examined. The current controller design is based on a continuous-time switching-cycle-averaged model of the grid-connected converter with an LCL filter. PI control and active damping methods that are used with this type of filter are reviewed. A state-space current control is developed in this thesis. The gains of the state-space controller and a state observer are derived analytically in terms of the model and specified dynamic performance. The dynamic behaviour of the presented state-space control is compared with PI control based on simulations. In addition, state-space control stability and robustness against variations in the filter parameters is evaluated using the Nyquist stability criterion. The resonant behaviour of an LCL filter together with a natural system delay complicate current control. The ratio of the delay frequency and the resonance frequency is examined, and the destabilizing effect of the delay is presented. In order to compensate destabilizing effect of the system delay, a lead filter is used. Theoretical analysis and simulation results demonstrate the versatility of state-space control compared to PI control, especially when managing the resonant behaviour of the filter. With more degrees of freedom, the frequency of resonant pole pair can be decreased using state-space control, which gives more phase margin in the system with delay. This enables state-space control to operate with less phase lead compared to PI control, which gives preferable operation during grid faults.