Προβλεπτικός έλεγχος για διακοπτικές ανορθωτικές

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή, που τιτλοφορείται «Προβλεπτικός Έλεγχος για Διακοπτικές Ανορθωτικές Διατάξεις», αποτελεί μια εναλλακτική πρόταση στο πολυσύνθετο πρόβλημα του ελέγχου των διακοπτικών ανορθωτικών διατάξεων. Κύρια επιδίωξη της εργασίας αποτελεί η ανάδειξη των πλεονεκτημάτων του προβλεπτικού ελέγχου έναντι των γνωστών – παραδοσιακών ελεγκτών σε αυτή την κατηγορία των μετατροπέων των ηλεκτρονικών ισχύος. Η μελέτη των συγκεκριμένων μετατροπέων παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τους ηλεκτρολόγους μηχανικούς, κυρίως γιατί τοποθετείται σε δυο επιστημονικά πεδία, της ενέργειας και των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου. Ο προτεινόμενος προβλεπτικός ελεγκτής στηρίζεται στο μαθηματικό μοντέλο διακριτού χρόνου του μετατροπέα, συμπεριλαμβανομένων της πηγής ηλεκτρικής ενέργειας και του φορτίου. Μέσω αυτού, προβλέπει τη μελλοντική τιμή των μεταβλητών ελέγχου σε ένα εύρος χρόνου, που καλείται ορίζοντας πρόβλεψης, επιβάλλοντας τους τη χρονική τους διακύμανση εντός προκαθορισμένων ορίων. Η βέλτιστη δράση ελέγχου, που αντιστοιχεί σε κάποια επιτρεπτή διακοπτική κατάσταση, προκύπτει έπειτα από την ελαχιστοποίηση του κριτηρίου βελτιστοποίησης, μέσω του οποίου επιτυγχάνονται οι απαιτούμενοι λειτουργικοί στόχοι. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται σε κάθε νέα δειγματοληψία. Η δομή της προκείμενης διδακτορικής διατριβής οργανώνεται ως εξής: Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται συνοπτικά η ιστορική αναδρομή των διακοπτικών ανορθωτικών διατάξεων και το απαραίτητο θεωρητικό υπόβαθρο που απαιτείται για την σχεδίαση των προβλεπτικών ελεγκτών μετατιθέμενου ορίζοντα καθώς και η προτεινόμενη εναλλακτική σχεδίαση του προβλεπτικού ελέγχου με περιορισμούς. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η σχεδίαση του προτεινόμενου προβλεπτικού ελεγκτή για τις διακοπτικές ανορθωτικές διατάξεις πλήρους γέφυρας. Αναφορικά με την μορφή της τάσης ακροδεκτών του μετατροπέα, επιτυγχάνεται η λειτουργία σε τρία επίπεδα χωρίς την προσθήκη σημάτων διαμόρφωσης (modulator), με σκοπό τον βέλτιστο λειτουργικό τρόπο. Για λόγους αξιολόγησης, τα ποτελέσματα του προτεινόμενου ελεγκτή αντιπαραβάλονται με τα αντίστοιχα ενός άλλου, που στηρίζεται στη τεχνική ελέγχου της ολίσθησης επί επιφάνεια. Είναι γνωστό ότι ο πολυεπίπεδος μετατροπέας των εν σειρά αλληλένδετων μονοφασικών πλήρως ελεγχόμενων ανορθωτικών διατάξεων, είναι μια από τις πιο δημοφιλής τοπολογίες μεταξύ των πολυεπίπεδων μεταροπέων, με σημαντικά πλεονεκτήματα και διακριτά μειονεκτήματα. Στην παρούσα διατριβή και συγκεκριμένα στο κεφάλαιο 3, η συγκεκριμένη τοπολογία αναλύεται σε εικονικές αποσυζευγμένες βαθμίδες και κατόπιν εφαρμόζεται ο προτεινόμενος προβλεπτικός ελεγκτής για τη λειτουργία της κάθε βαθμίδας σε ίδια ή διαφορετική τάση, ή/και διαφορετικό φορτίο. Διερευνάται επίσης η ευρωστία του προβλεπτικού ελεγκτή σε μη μοντελοποιημένες αβεβαιότητες του συστήματος και η επίδραση αυτών στους συντελεστές της ποιότητας της ηλεκτρικής ισχύος. Ο προτεινόμενος ελεγκτής επανασχεδιάζεται στο κεφάλαιο 3, για την περίπτωση των πολυεπίπεδων μονοφασικών διακοπτικών ανορθωτικών διατάξεων με αλληλένδετες βαθμίδες και επιβεβαιώνεται λειτουργικά μέσω προσομοιώσεων αλλά και πειραματικών μετρήσεων σε πρότυπη διάταξη. Τέλος, στο κεφάλαιο 4, μια ακόμη μονοφασική διακοπτική ανορθωτική διάταξη, ο ανορθωτής ημιγέφυρας διπλάσιας ανύψωσης της συνεχούς τάσης, διερευνάται πειραματικά μέσω του προτεινόμενου προβλεπτικού ελεγκτή.

This Ph.D thesis, entitled “Predictive Control for Switched Mode Rectifiers” illustrates an alternate proposal to the complex control design aspect of the switch mode rectifiers (SMRs). The main objective of this work is to highlight the potentials of the model predictive control on account of the well established – traditional controllers for this type of power electronics rectifiers. Their study is of particular interest of electrical engineers mainly, because their subjects are placed in two scientific fields of power electronics and control systems. The proposed model predictive controller is based on the discrete mathematical model of the converter, including the voltage source and the load. Through this, it predicts the future value of the control variables in a time range known as prediction horizon, and demands their variation within certain bounds. The optimal control decision, which corresponds in to a specific permissible switching state, is obtained from a minimization process of the cost function, whereby operational targets are imposed. This process is repeated in each sampling time. The thesis is organized as follows: The first chapter outlines briefly the history of the switch mode rectifiers the necessary theoretical basis for the design of a model predictive controller based on the receding horizon policy, and in consequence, the proposed alternate design of a constrained model predictive controller is presented. In the second chapter the introduced model predictive controller is designed for the case of full bridge switch mode rectifiers. In reference with the AC side reflected voltage, the adopted model predictive controller exhibits a three level operation without any modulators, optimizing more the performance of the system. For comparison reasons, the results obtained by the proposed controller are compared with these of a sliding mode controller by means of simulation. It is well known that the multilevel cascaded H-Bridge rectifier is one of the most attractive converters among the multilevel topologies, with several advantages and distinct disadvantages. In this Ph.D. thesis, and specifically in chapter 3, the specific multilevel converter is approached by fictitious decoupled cells with independent performance, in terms of different DC voltages or/and loads. In order to demonstrate the robustness of the introduced controller, the case of model mismatch due to the existence of several uncertainties and their effects in power quality factors is investigated. In chapter 4, the proposed constrained model predictive controller is redesigned for the half bridge dual boost rectifier, providing the suitability through experimental validation.