Έλεγχος AC/DC/AC μετατροπέα για λειτουργία ενισχυτή σε προσομοίωση πραγματικού χρόνου

Abstract

Στην παρουσα διπλωματικη εργασία εξεταζεται η δομή ενός πειράματος προσομοίωσης σε πραγματικό χρόνο με το εργαστηριακό μικροδίκτυο διεσπαρμένης παραγωγής σε ρόλο δοκιμίου.Η προσομοίωση αυτή ονομάζεται Power Hardware in Loop (PHIL) ή συσκευή ισχύος σε βρόχο στα ελληνικά.Αρχικά περιγράφονται συνοπτικά τα στοιχεία του πειράματος όπως είναι το εργαστηριακό μικροδίκτυο, ο εξομοιωτής πραγματικού χρόνου (RTDS) που θα προσομοιώσει το ηλεκτρικό δίκτυο στο οποίο θα συνδέσουμε το δοκίμιο και τον ενδιάμεσο (Interface) που θα επιτελέσει τη σύνδεση των δύο προηγούμενων στοιχείων.Παρουσιάζονται οι τρεις διαφορετικοί μέθοδοι υλοποίησης του Interface που γενικά μπορεί να χαρακτηριστεί ως ενισχυτής ισχύος. Έπειτα παρουσιάζεται εκτενέστερα η χρήση του AC/DC/AC μετατροπέα 3 κλάδων.Αφού αναλυθεί η διάταξη αυτή σημειώνονται τα πλεονεκτήματα της τοπολογίας σε σχέση με την συμβατική τοπολογία με τους 4 κλάδους.Εξαιτίας της ιδιαίτερης τοπολογίας του μετατροπέα 3 κλάδων παρουσιάζονται λεπτομερώς, το σχήμα ελέγχου του, που σχεδιάστηκε με τη βοήθεια του Simulink/Matlab, καθώς και τεχνικές βελτίωσης των επιδόσεων του.Για την βελτωση αυτή επιλέγεται μια μέθοδος συγχρονισμού με χρήση PLL με γενικευμένο ολοκληρωτή δεύτερης τάξηςκαι παρουσιάζονται τα αποτελέσματα του.Έπειτα αναλύεται ο ενισχυτής της εταιρείας Triphase που θα χρησιμοποιηθεί στο πείραμα PHIL του εργαστηρίου Συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας (ΣΗΕ).Ο ενισχυτής αυτός στηρίζεται στον μονοφασικό μετατροπέα 3 κλάδων που αναλύθηκε νωρίτερα.Επίσης περιγράφεται λεπτομερώς το κύκλωμα ισχύος του και τα περιφερειακά συστήματα που χρησιμοποιεί για την επικοινωνία με τον χρήστη και την εκτέλεση του αλγορίθμου σε πραγματικό χρόνο.Ο αλγόριθμος ελέγχου που είναι σχεδιασμένος μέσω του Simulink, παρουσιάζεται λεπτομερώς στη συνέχεια και επισημαίνονται τα ιδιαίτερα στοιχεία του καθώς και οι απαιτούμενες τροποποιήσεις που έπρεπε να γίνου για να είναι εφικτή η σύνδεση του με το RTDS.Τέλος πραγματοποιούνται πειραματικές μετρήσεις για την επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας του για διαφορετικά είδη φορτίων κι παρατίθενται οι αντίστοιχες γραφικές παραστάσεις.

This Diploma Thesis presents the structure of a real-time simulation project where a laboratory microgrid is tested. This kind of simulation is called PHIL (Power Hardware In Loop). Initially the key parts of this simulation such as the microgrid, the RTDS (Real Time Digital Simulator which simulates the electrical network that will be connected with the Hardware Under Test (HUT)) and the Interface which will make feasible the connection between the two previous parts, are mentioned. Three different methods of the implementation of the Interface which acts as a power amplifier are described. Furthermore the use of the AC/DC/AC converter in PHIL applications is described extensively and the operation of the single phase three leg AC/DC/AC converter is discussed. After analyzing this converter topology, the advantages compared to the conventional converter topology with four legs are mentioned .Because of the particular topology of the three leg converter, its control algorithm (which was designed in Simulink/Matlab) as well as specific techniques that can improve its performance are presented. In order to achieve this improvement, a synchronization method implemented by a PLL scheme with a second order generalized integrator is chosen and the results were shown. Afterwards the power amplifier of the Triphase company which will be used as an amplifier in the PHIL simulation of the NTUA power systems laboratory, is analyzed. This amplifier is based on the single phase three leg converter mentioned before. The power circuit and the peripheral devices which are used for the interaction with the user and the real time execution of the control algorithm are also described. The control algorithm which is designed using Simulink is shown. Also its specific elements and the necessary amendments should be made in order to allow the connection with the RTDS, are described. Finally experimental measurements were made in order to verify the proper functioning of the amplifier for different types of loads and the corresponding graphs are shown.