Προβλεπτικός Έλεγχος Αντιστροφέων Τριών Επιπέδων για Σύνδεση στο Δίκτυο με LCL φίλτρο

Abstract

Στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη του συστήματος ελέγχου ενος τριφασικού μετατροπέα ισχύος τριών επιπέδων με διόδους περιορισμού(NPC) για σύνδεση στο δίκτυο μεσω LCL φίλτρων με χρήση τεχνικών ενεργής αποσβεσης του συντονισμού του φίλτρου και ελαχιστοποίηση των διακοπτικών απωλειών του συστήματος. Προκειμένου να επιτευχθεί η βέλτιστη απόδοση, υιοθετείται η στρατηγική του προβλεπτικού ελέγχου βασισμένου σε μοντέλο(MPC), συγκεκριμένα η τεχνική MPDPC, και με τις κατάλληλες προσθήκες επεκτείνεται ενσωματόνοντας στον έλεγχο το καινούριο φίλτρο και τη τεχνική της ενεργής απόσβεσης των χαρακτηριστικών συντονισμού του(Active Damping). Ως αποτέλεσμα της διαδικασίας βελτιστοποίησης, η διακοπτική συχνότητα των ημιαγωγών διακοπτών ειναι μεταβλητή, γιαυτό και συγκρίνεται σε περιβάλλον προσομείωσης με την τεχνική του άμεσου ελέγχου ισχύος(DPC). Η τεχνική DPC, με χρηση απλού φίλτρου αλλα και LCL, εξετάζεται σε βάθος και προτείνεται ενας αναλυτικός τρόπος σχεδίασης του πίνακα αναζήτησης του ελέγχου(LookUp table), καθώς και μια ολοκληρωμένη παραλλαγή της συμβατικής DPC τεχνικής οπου επιτυχημένα περιορίζει τις αιχμές στην ελεγχόμενη άεργο ισχύ με τη χρήση ενος πολυεπίπεδου ελεγκτη υστέρησης στην άεργο ισχυ και τον σχεδιασμό του καινούριου πίνακα αναζήτησης όπως περιγράφεται. Κατα την αναλυτική παρουσίαση του αλγορίθμου βελτιστοποίησης της τεχνικής MPDPC, δυο νέες παραλαγές προτείνονται και εξετάζονται, με σκοπό την γρηγορότερη εκτέλεση. Τέλος η προτεινόμενη τεχνική MPDPC-LCL εξετάζεται σε ενα ευρύ πεδίο δοκιμών, και πραγματοποιούνται πειραματικές διατάξεις με σκοπό την εκτίμηση των προτεινόμενων τεχνικών σε πραγματικές συνθήκες. Το βασικό συμπέρασμα που προκύπτει απο τη μελέτη αυτή, είναι πως μετατροπείς ισχύος με εξαιρετική επίδοση και απόδοση μπορούν να υλοποιηθούν με χρήση τεχνικών MPC ελέγχου, υποδεικνύωντας παράλληλα ενα τρόπο ενσωμάτωσης εξωτερικών βρόγχων, π.χ η ενεργη απόσβεση του φίλτρου, στον αλγόριθμο επίλυσης του προβλήματος βελτιστοποίησης.

The objective of this thesis is the development of a grid connected control system of a three level Neutral Point Clamped converter interfacing the grid through LCL filters with switching losses minimization and active damping of the filter resonance. In order to achieve optimum efficiency, an online Model Predictive optimization strategy is considered minimizing switching losses, namely Model Predictive Direct Power Control(MPDPC), and is properly extended to meet active damping of LCL filter requirements. As an outcome of the online optimization process, switching frequency of the converter is variable, thus it is compared in simulation environment with the traditional Direct Power Control(DPC) technique. DPC with and without LCL output filter are thoroughly presented and an analytical way of DPC lookup table design is proposed based on virtual flux quantities. Moreover an effective three-level hysteresis controller design is proposed in order to smooth spikes present in reactive power with conventional DPC. While presenting the MPDPC solution algorithm utilized in this thesis, two new techniques are introduced, aiming at lowering the computational effort required for conventional MPDPC reach a solution. Finally, MPDPC with LCL filters and active damping is evaluated in a broad range of operating points, and proof of concept hardware is implemented. The main conclusions drawn from this study is that high performance converters can be designed utilizing MPC concepts making use of today computational power, while providing a framework for traditional techniques, i.e active damping, to be integrated with Online Optimization Controllers.