Spannungseinprägende aktive Filter zur Kompensation der Stromverzerrungen von Netzstromrichtern

In dieser Arbeit wird der Einsatz von spannungseinprägenden aktiven Filtern zur Oberschwingungskompensation von Netzstromrichtern vorgeschlagen. Basierend auf einer Modellbildung dieser neuartigen Stromrichterkonfiguration wird ein Betriebskonzept abgeleitet, das eine Erfüllung dieser Aufgabenstellung mit geringer Regelbandbreite, geringem passiven Filteraufwand und hohem Wirkungsgrad bei nur geringfügiger Erhöhung der installierten Schalterleistung ermöglicht

Grid-adaptive control and active-filter functionality of grid-connected PWM converters in renewable energy generation

Die hohe Durchdringung öffentlicher Energienetze mit zumeist leistungselektronisch angebundenen regenerativen Energieerzeugungsanlagen (kurz: EZAs) führt zu einem Wandel der Energieerzeugung. Die Netzimpedanz stellt dabei einen Schlüsselparameter bei der Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie dar. In dieser Arbeit wird ein Gesamtkonzept für die Erweiterung der Regelung eines Netzpulsstromrichters einer dezentralen EZA um die Adaption variierender ohmsch-induktiver Netzimpedanzen (kurz: netzadaptive Regelung) und einer zusätzlichen Aktiv-Filter Funktionalität (kurz: AFF) entwickelt, untersucht und unter Laborbedingungen validiert. Für die Detektion der äquivalenten Netzparameter werden zwei Verfahren berücksichtigt: (1) Die Messung der Netzimpedanz durch die Einspeisung eines interharmonischen Oberschwingungsstromes und (2) die Schätzung der Netzimpedanz mittels eines Erweiterten Kalman-Filters. Die Analysen dieser Detektionsverfahren zeigen, dass sich die Messung der Netzimpedanz durch eine hohe Detektionsgenauigkeit und die Schätzung der Netzimpedanz durch eine hohe Detektionsgeschwindigkeit auszeichnet. Diese Erkenntnis führt zu der Entwicklung eines kombinierten Identifikationskonzeptes, welches die Detektion der Netzparameter in Echtzeit und mit minimaler Systemanregung ermöglicht. Das kombinierte Identifikationskonzept dient als Grundlage für die Entwicklung eines netzadaptiven Regelungskonzeptes eines Netzpulsstromrichters mit netzseitigem LCL-Filter. Auf der Grundlage einer detaillierten Modellierung der Regelstrecke in einem rotierenden (dq) Koordinatensystem wird ein zeitdiskreter Stromregler mit idealerweise vollständiger Entkopplung der nieder- und hochfrequenten Verkopplungsdynamiken von LCL-Filtern entworfen. Es wird ein auf einer Sollwertfilterung basierendes aktives Dämpfungsnetzwerk entwickelt und um eine Adaption variierender Netzparameter erweitert. Die experimentellen Untersuchungen zeigen, dass die entwickelte netzadaptive Regelung insbesondere bei sprunghaften Änderungen der Netzimpedanz zu einer Erhöhung des Stabilitätsbereiches führt ohne die Dynamik der gesamten Stromregelung reduzieren zu müssen. Zudem wird die netzadaptive Regelung um eine AFF erweitert. Die zusätzliche AFF führt zu einer Reduzierung bzw. vollständigen Kompensation von Spannungsunsymmetrien und -oberschwingungen am Anschlusspunkt des Netzpulsstromrichters einer dezentralen EZA. Die theorischen und praktischen Analysen zu der AFF offenbaren, dass eine lastadaptive Betriebsführung für die Ausnutzung der maximalen Betriebsgrenzen eines Netzpulsstromrichters zielführend ist. Hierfür wird ein lastadaptiver Begrenzungsregler entwickelt. Das neu entwickelte lastadaptive Regelungskonzept zur Umsetzung der AFF führt zu einer deutlichen Verbesserung der Spannungsqualität am Anschlusspunkt einer regenerativen und denzentralen EZA.The high penetration of public energy distribution networks with distributed energy production units mainly connected through power electronic converters leads to a high utilization of the existing grid structures. This trend is mainly driven by the efforts to push electrical power generation toward green and sustainable energy production. In this context the grid impedance is a key parameter for the generation and distribution of electrical energy. In this work an overall control concept for the grid impedance adaptive control and an additional active-filter functionality of grid-connected PWM converters is proposed, developed and validated with experimental results. The detection of equivalent grid parameters is examined using two different methods: (1) the measurement of the grid impedance by means of inter-harmonic current injection and (2) the estimation of the grid impedance using an Extended Kalman-Filter. The analysis of these two methods reveals that measurement of the grid impedance leads to a high detection precision whereas the estimation of the grid impedance leads to high detection dynamics. This insight motivates the development of a combined identification method that is able to detect the grid impedance conditions in a real-time manner with minimal system excitation. The combined identification method is the basis for the development of a grid impedance adaptive control concept for grid connected PWM converters with LCL-filters. The control is based on a detailed model of the control plant in the rotating (dq) reference frame whereas a discrete current controller with improved decoupling dynamics of both low and high frequency coupling dynamics of a LCL-filter is proposed. An active damping of the LCL-filter resonance is achieved using a grid impedance adaptive reference value filter. The measurement analysis shows that the proposed grid impedance adaptive control is able to guarantee stable converter operation with high control performance in the presence of step-wise grid impedance changes without the need of decreasing the current control dynamics. In addition to high performance current control and grid impedance detection capability, the grid impedance adaptive control is superimposed with an active-filter functionality. The active-filter functionality leads to a mitigation or compensation of voltage-unbalances and lower-order voltage-harmonics at the grid-connection point of the renewable energy system. The analysis of the active-filter functionality motivated the development of the load adaptive operation point controller to utilize the maximum capability limits of the grid-connected converter. A measurement analysis validates the proposed control concept and demonstrates that a considerable voltage quality improvement is achieved by the additional active-filter functionality

Control Oriented Analysis of Multiple Evaporator Refrigeration Systems

Komplexe Kälteanlagen stellen aufgrund ihres nichtlinearen Verhaltens hohe Anforderungen an die Regelung, insbesondere beim Betrieb mehrerer paralleler Verdampfer und unter wechselnden Umgebungsbedingungen. Die Regelung der Überhitzung hinter den Verdampfern stellt aufgrund ihrer Abhängigkeit von diversen Stell-, Regel- und Störgrößen eine besondere Herausforderung dar. In dieser Arbeit werden zwei Kälteanlagen mit parallelen Verdampfern mithilfe von regelungstechnischen Verfahren analysiert, um die nichtlinearen Zusammenhänge von Parallelverdampfersystemen zu erfassen, zu charakterisieren und sinnvolle Regelkonzepte auszuwählen. Zunächst wird eine Laboranlage mit Plattenwärmeübertragern und dem Kältemittel R134a betrachtet. Als Grundlage für die Analyse wird ein physikalisches, gleichungsbasiertes Modell der Laboranlage entwickelt und anschließend umfassend statisch und dynamisch validiert. Außerdem wird ein Thermomanagementsystem eines Elektro-Fahrzeugs modelliert, das den Innenraum des Fahrzeugs klimatisieren und heizen sowie gleichzeitig die Traktionsbatterie kühlen kann. Mithilfe der regelungstechnischen Analyse werden die Nichtlinearitäten, die Kopplungen zwischen den Stell- und Regelgrößen sowie die Einflüsse von Störgrößen und der Dynamik beider Systeme quantifiziert. Ausgehend von den Analyseergebnissen werden sinnvolle Regelschemata und -konzepte ausgewählt. Es zeigt sich, dass bei Verwendung von Eingrößenreglern je nach Betriebspunkt unterschiedliche Regelschemata verwendet werden müssen. Zur Überhitzungsregelung wird ein nichtlineares dynamisches inverses Modell eines Verdampferpfads entwickelt, das als nichtlineare Streckenkompensation mit integrierter Störgrößenaufschaltung fungiert. Der sich ergebende modellbasierte Überhitzungsregler kann deutlich besser auf Störungen reagieren als ein linearer Regler und zu einer hohen Betriebsstabilität einer Anlage beitragen. Ebenso kann ein geringerer Sollwert für die Überhitzung gewählt werden. Beim Thermomanagementsystem wird so eine Effizienzsteigerung von mehr als 12% erreicht.Control of complex refrigeration plants is a demanding task due to high nonlinear system behavior and changing ambient conditions. This is especially the case for systems with multiple parallel evaporators. Particularly the control of superheat is challenging because it is dependent from several actuating, control and disturbance variables. In this thesis two refrigeration plants with parallel evaporators are analyzed with the help of typical methods for control synthesis. The aims of the analysis are to identify and characterize nonlinearities as well as to select appropriate control concepts. In the first instance a laboratory R134a plant with plate heat exchangers is considered. The analysis is based on a physical equation-based model of the plant that is extensively validated regarding statics and dynamics. Additionally a thermal management system of an electric vehicle is modeled, that may air-condition or heat the cabin and is able to cool the traction battery simultaneously. Nonlinearities, couplings between manipulating and control variables as well as the effect of disturbance variables and dynamics are quantified with the help of the control oriented analysis. Reasonable control schemes and concepts for various parallel evaporator systems are resulting. It becomes apparent that different control schemes need to be chosen, depending on the operating point. For superheat control a nonlinear dynamic inverse model consisting of an electronic expansion valve and an evaporator is developed. This inverse model compensates nonlinearities of the controlled systems as well as disturbances. The resulting model-based superheat controller shows a clearly better reaction to disturbances than a linear controller, thus leading to a higher system stability. In addition a lower setpoint for the degree of superheating can be chosen. This leads to an improvement in efficiency of more than 12% for the thermal management system

Control of grid-connected PWM converters with LCL filter for electrical drives with small DC-link capacitance

Im Fokus dieser Arbeit steht die Optimierung von Antriebssystemen durch verbesserte netzseitige Filtertopologien und den Einsatz von Zwischenkreiskondensatoren mit minimierter Kapazität. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf den regelungstechnischen Lösungen der Problematiken, die sich durch die Filter und die reduzierten Zwischenkreiskapazitäten ergeben. Die regelungstechnischen Herausforderungen beziehen sich insbesondere auf die aktive Dämpfung der Filterresonanz, die Unterdrückung von niederfrequenten Oberschwingungen, die hochdynamische Regelung der Zwischenkreisspannung und die Robustheit gegenüber Parameterungenauigkeiten. Es werden zwei unterschiedliche Regelungsverfahren angesetzt und untersucht. Zunächst wird die konventionelle kaskadierte PI-Regelung herangezogen, die seit langer Zeit im industriellen Einsatz ist und den Stand der Technik darstellt. Bei konventionellen Antrieben mit großen Zwischenkreiskapazitäten und einfachen Netzfiltern liefert dieses Verfahren gute Ergebnisse. Bei Antrieben mit LCL-Filtern und kleinen Zwischenkreiskapazitäten ist diese Regelung hingegen auch mit diversen Zusatzkonzepten in vielen Fällen nicht geeignet, wie in dieser Arbeit gezeigt wird. Es wird zudem herausgestellt, dass die Auslegung der Antriebskomponenten enormen Einfluss auf die erreichbare Regelgüte hat. Es wird daher in dieser Arbeit ein verbessertes Regelungskonzept entwickelt und untersucht. Die zustandsbasierten Regelungsverfahren versprechen aufgrund ihrer großen Vielfalt in der Gestaltung der Dynamik des geschlossenen Regelkreises deutliche Vorteile gegenüber der konventionellen Regelung. Die grundlegende Idee des entwickelten Konzeptes ist es, den netzseitigen Teil des Antriebs durch die Zustandsrückführung zu stabilisieren und gleichzeitig, unabhängig von der Auslegung des Netzfilters, die gleiche Dynamik zu erreichen wie auf der Maschinenseite. Durch eine geeignete Vorsteuerung der maschinenseitigen Leistung in der netzseitigen Regelung kann dadurch eine enorme Entlastung des Zwischenkreiskondensators erreicht werden, was bei einer kleinen Kapazität wichtig ist. Die Regelungseigenschaften werden in dieser Arbeit theoretisch, simulativ und experimentell an einem 22 kW-Antriebstand untersucht. Die entwickelte Regelung zeichnet sich durch eine sehr gute Dynamik mit gleichzeitig sehr guten Stabilitäts- und Robustheitseigenschaften aus. Es ist für einen sehr weiten Bereich von Systemauslegungen und somit für ein breites Spektrum an Anwendungen einsetzbar. So kann sie etwa im Bereich regenerativer Energien und dezentraler Energieversorgung wie auch in industriellen Motorantrieben oder speziellen Anwendungen wie z.B. aktiven Netzfiltern verwendet werden. Hinzu kommt ein möglicher Einsatz auch in schwachen Netzen mit stark verzerrten Netzspannungen und hohen Netzimpedanzen. Die Reglerauslegung kann zudem automatisch mittels der relevanten Systemparameter erfolgen.This thesis addresses the optimization of electrical drives by means of improved filter topologies and film capacitors in the DC link. Emphasis is put on control solutions of issues due the filters and reduced DC link capacitance. The most relevant control-related challenges are active resonance damping, suppression of low frequency harmonics, high dynamic DC link voltage control as well as robustness against parameter uncertainties. Two different control approaches are studied. First, the conventional PI control is employed. This type of control is state of the art and has been used in industrial applications for many years. Used in conventional drives with high DC link capacitances and simple inductive filters this method gives good results. However, in this thesis it is demonstrated that in many cases it is not suitable for applications with LCL filters and low DC link capacitances. Moreover, the specific design of the drive components is proven to have enormous impact on the achievable control performance. Secondly, an advanced control concept is developed and analyzed. In general, state space control methods offer advantages over the conventional ones due to wide freedom in the design of the closed loop control dynamic. The basic idea of the developed concept is to stabilize the grid side control by means of state feedback and at the same time achieve the same dynamic responses as on the motor side, independent of the specific grid filter design. In this case a proper feed forward of a motor power signal as part of the grid side control can reduce considerably the load on the DC link capacitors. That is very important for low DC capacitances. In this thesis the control performance is studied with theoretical analyses, simulations as well as experimental tests on a self-built 22 kW drive lab set up. The new state space control concept is characterized by high dynamic response with very good stability as well as robustness properties. It can be used for a wide range of system designs. Hence is can be used in many different applications, e.g. regenerative and decentralized energy systems as well as industrial motor drives or active power filters. Moreover, the use in weak grid connections characterized by high grid impedance and high grid voltage distortions is possible. Furthermore, the controller design can be done automatically by means of symbolic controller design expressions

Stufenlose Strangspannungsregelung in der Niederspannung

Durch den zunehmenden Ausbau erneuerbarer Energien und die Elektrifizierung des Verkehrs- und Wärmesektors kommt es in ländlichen Niederspannungsnetzen vermehrt zu Problemen bei der Einhaltung des Spannungsbandes. Für den dadurch erforderlichen Netzausbau bietet gerade bei langen Netzausläufern in der Niederspannung der Einsatz von Strangspannungsreglern eine kosteneffiziente Alternative zu konventionellen Maßnahmen. Die aktuell bekannten Umsetzungen bewirken jedoch eine Einprägung von Netzrückwirkungen oder einen erhöhten Aufwand für den Netzbetreiber hinsichtlich der Instandhaltung. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit ein Konzept entwickelt und erforscht, das eine netzrückwirkungsarme und robuste Strangspannungsregelung ermöglicht. Das Konzept beruht auf einem stufenlosen Strangspannungsregler, der auf Basis von variablen Induktivitäten arbeitet. Neben der allgemeinen Wirkungsweise und Aufbaumöglichkeiten eines solchen Strangspannungsreglers werden Ansteuerungs- und Regelungsverfahren untersucht, welche das statische und dynamische Verhalten der stufenlosen Spannungsregelung netzverträglich gestalten. Dabei wird die Netzverträglichkeit des entwickelten Konzeptes über eine Analyse der Netzauswirkungen sowie eine Erprobung im Labor und im Feld bewertet