An investigation of harmonic correction techniques using active filtering

This thesis presents an investigation of techniques used to mitigate the undesirable effects of harmonics in power systems. The first part of this research develops an effective and useful comparison of alternative AC-DC converter topologies. In particular, a full evaluation of the circuit first proposed by Enjeti (known here as the Texas circuit) with a capacitively smoothed output voltage is made, specifically for operation as a 'clean power' supply interface for a variable speed drive (VSD). This mode of operation has not previously been reported in research literature. Simulation and experimental results verify the performance of the circuit and demonstrate that it draws a current with low harmonic content, but the circuit has a number of problems. This part of the research concludes that the six-switch rectifier is the most viable circuit for operation as a supply interface for a VSD due to its bidirectional power flow capability and its excellent versatility of performance. The second part of this research exploits the versatility of the six-switch rectifier and develops the current control strategy for operation of the circuit as a sinusoidal frontend and as a shunt active filter. It is found that the 'traditional' current control method suffers a significant drop in performance when the switching frequency is constrained to 2kHz due to high power levels. The major development in this thesis was an advanced current control strategy, where additional rotating frames of reference are introduced, thereby converting previously oscillatory current values to d.c. values. This is demonstrated to result in vastly improved immunity to disturbances such as supply distortion and a greatly improved steady state performance. In addition, the new controller requires no additional circuitry (apart from current transducers on the load current) and can be applied to an existing sinusoidal front end. Simulation results confirm the operation of the controller with the circuit operating as both a shunt active filter and as a sinusoidal front end. The new controller has been implemented on an experimental rig exhibiting the features of a high power inverter, i.e. low switching frequency and significant device turn-on and turn-off times, and the results confirm the superior performance of the new current controller

Aplicación de técnicas de identificación y control multivariable en convertidores en fuente de tensión conectados a la red eléctrica

La Tesis se centra en el diseño del control de convertidores en fuente de tensión (VSC) conectados a la red eléctrica mediante filtros LCL y L. Particularmente está centrada en la mejora, mediante el uso de técnicas multivariables, del diseño y funcionamiento del lazo interno de control del convertidor conectado a red: el control de corriente. Con este fin, la Tesis se centra en tres líneas de trabajo básicas. La primera línea de trabajo es la identificación del modelo del convertidor VSC y el filtro de red. La Tesis propone la aplicación de técnicas de identificación multivariables en el VSC conectado a red mediante filtro LCL. El objetivo es obtener un modelo discreto en ejes dq que permita sintetizar de forma directa un controlador multivariable de corriente. Se han aplicado tres métodos de identificación multivariable: MOESP, N4SID y PEM. La Tesis trata de determinar cual es el método adecuado y el tipo de entradas a aplicar para la correcta identificación del modelo discreto del convertidor con filtro LCL. Asimismo, se propone un método de identificación paramétrico basado en regresiones lineales y modelos SISO con objeto de estimar el valor de los parámetros del filtro LCL. La segunda línea principal de trabajo es la aplicación de técnicas de control multivariable al problema del control de corriente del VSC conectado a red mediante filtro LCL. Los controladores MIMO propuestos se basan en la combinación de la estructura servocontrol y la técnica de control óptimo Linear Quadratic (LQ). Los controladores diseñados pueden ser combinados con el uso de estimadores del vector de estado para reducir el número de sensores necesarios para llevar a cabo el control de corriente del convertidor con filtro LCL. La Tesis aplica la combinación del servocontrol LQ con el filtro de Kalman al problema del control de corriente en entornos ruidosos, resultando en la propuesta del servocontrol LQG. La Tesis estudia la aplicación de una implementación concreta del filtro de Kalman, el SSKF, que está pensado para reducir la complejidad computacional de algoritmo y facilitar su implementación en la plataforma de control. La Tesis contribuye aportando criterios de diseño para el servo control LQ así como un Algoritmo Genético para la automatización de la elección de los parámetros del control LQ, ayudando de esta manera al diseñador. Los algoritmos de control han probado su versatilidad, siendo adecuados para ser empleados en diferentes problemas de control de corriente. Adicionalmente, se ha propuesto una estructura de control basada en el servocontrol LQ y el uso de resonadores para mitigar los efectos en el control de corriente de los armónicos de la tensión de red. La formulación de la nueva estructura permite emplear las herramientas de diseño propuestas en el caso básico. La tercera línea de investigación está relacionada con el control adaptativo. La propuesta realizada en la Tesis trata de mejorar una propuesta previa de control de un VSC conectado a la red mediante filtro L. Esta propuesta era sencilla de implementar y no requería de la medida de la corriente de red. Sin embargo era especialmente sensible a las variaciones en la inductancia de línea. Las modificaciones propuestas en la Tesis superan esta desventaja empleando un control basado en Lógica Borrosa y la reconstrucción de las corrientes de red, con objeto de ajustar los parámetros de control y hacer más robusto el control básico frente a variaciones en los parámetros del filtro

An investigation of harmonic correction techniques using active filtering

This thesis presents an investigation of techniques used to mitigate the undesirable effects of harmonics in power systems. The first part of this research develops an effective and useful comparison of alternative AC-DC converter topologies. In particular, a full evaluation of the circuit first proposed by Enjeti (known here as the Texas circuit) with a capacitively smoothed output voltage is made, specifically for operation as a 'clean power' supply interface for a variable speed drive (VSD). This mode of operation has not previously been reported in research literature. Simulation and experimental results verify the performance of the circuit and demonstrate that it draws a current with low harmonic content, but the circuit has a number of problems. This part of the research concludes that the six-switch rectifier is the most viable circuit for operation as a supply interface for a VSD due to its bidirectional power flow capability and its excellent versatility of performance. The second part of this research exploits the versatility of the six-switch rectifier and develops the current control strategy for operation of the circuit as a sinusoidal frontend and as a shunt active filter. It is found that the 'traditional' current control method suffers a significant drop in performance when the switching frequency is constrained to 2kHz due to high power levels. The major development in this thesis was an advanced current control strategy, where additional rotating frames of reference are introduced, thereby converting previously oscillatory current values to d.c. values. This is demonstrated to result in vastly improved immunity to disturbances such as supply distortion and a greatly improved steady state performance. In addition, the new controller requires no additional circuitry (apart from current transducers on the load current) and can be applied to an existing sinusoidal front end. Simulation results confirm the operation of the controller with the circuit operating as both a shunt active filter and as a sinusoidal front end. The new controller has been implemented on an experimental rig exhibiting the features of a high power inverter, i.e. low switching frequency and significant device turn-on and turn-off times, and the results confirm the superior performance of the new current controller

Optimización del comportamiento de un convertidor de tres niveles NPC conectado a la red eléctrica

La Tesis se centra en el campo de la distribución de la energía eléctrica, el objetivo es optimizar el comportamiento de los VSCs ('Voltage Source Converters') cuando se emplean como interfaz entre la red eléctrica y sistemas de generación de electricidad, para entregar o demandar energía a la red con la mejor calidad posible. Por un lado, se propone el diseño de convertidores más robustos, especialmente, frente a perturbaciones de la red eléctrica; y por otro lado se proponen nuevos algoritmos de control para mejorar el comportamiento del VSC ante posibles perturbaciones del sistema.A nivel de diseño, en esta Tesis se desarrolla un convertidor 'back-to-back' de tres niveles NPC y se propone el empleo de un filtro LCL para la conexión del convertidor a la red eléctrica. Desde el punto de vista del control, la Tesis se centra en el sistema de control del VSC conectado a la red eléctrica. En este contexto se propone un controlador de corriente del VSC con filtro LCL, también se propone un método de sincronización con la red eléctrica basado en un SPLL ('Software Phase Locked Loop'), y por último se presenta el controlador de tensión del DC-bus.Los VSCs se pueden conectar a redes donde se desconoce a priori la impedancia de la red, los componentes que forman el filtro de red pueden sufrir derivas temporales, la red eléctrica puede tener perturbaciones como tensiones desbalanceadas, armónicos, 'dips', etc. En esta Tesis se presentan diferentes algoritmos para identificar y compensar estas anomalías que ocasionan errores e incluso inestabilidades en la respuesta del sistem