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

Stromregelung der Elbe einst und jetzt – das 200jährige Ringen um Schifffahrtstiefen

Der Aufsatz ist Teil der Gesamtpublikation: 150 Jahre Elbstrombauverwaltung. Schriften der Deutschen Wasserhistorischen Gesellschaft e.V., Band 2

High Bandwidth Phase Voltage and Current Control Loop of a Permanent Magnet Synchronous Motor based on Delta Sigma Bitstreams

Delta-Sigma-Umsetzer sind aus der Audio-Technik für ihren hohen Signal-zu-Rausch Abstand bei Abtastraten im 10 bis 100 kHz Bereich bekannt und werden zunehmend auch in der Stromregelung von elektrischen Antrieben als Analog-Digital-Umsetzer eingesetzt. Delta-Sigma-Umsetzer bestehen aus einem Modulator und einem digitalen Tiefpassfilter. Die Auswirkungen des digitalen Filters auf die Stromregelung eines elektrischen Antriebs werden hinsichtlich der erreichbaren Bandbreite des Stromregelkreises und der Unterdrückung von Störungen in der Strommessung untersucht. In dieser Arbeit werden zwei Ansätze zur Steigerung der Bandbreite des Stromregelkreises verfolgt. Der Stromregler wird direkt in dem hochfrequenten Zeitraster (10 MHz) der Delta-Sigma-Modulatoren gerechnet, so dass auf einen digitalen Tiefpassfilter verzichtet werden kann. Dieses Vorgehen erfordert eine neuartige Signalverarbeitung, da der Ausgang des Delta-Sigma-Modulators aus einem gering quantisierten Delta-Sigma-Bitstrom mit einer Auflösung von einem Bit besteht. Die vorhandenen Ansätze zur direkten Signalverarbeitung des Delta-Sigma-Bitstroms werden verglichen und erweitert. Der zweite Ansatz zur Steigerung der Bandbreite besteht darin, die hochfrequenten Delta-Sigma-Bitströme breitbandig in PWM Signale für eine Leistungselektronik im 4 - 40 kHz Bereich umzusetzen. Das grundsätzliche Prinzip wird an einer einphasigen Last untersucht. Die im Stand der Forschung bekannte Lösung für eine dreiphasige Last weist erhebliche Nachteile auf. In dieser Arbeit wird ein Verfahren für einen hochdynamischen dreiphasigen Leistungselektronik-Modulator zur direkten Verarbeitung von Delta-Sigma-Bitströmen vorgestellt, welcher die Nachteile der bekannten Lösung aufhebt. Zusätzlich wird eine direkte Rückführung der Strom- und Spannungsmesswerte über Delta-Sigma-Bitströme realisiert. Dies ermöglicht eine hochdynamische Strom- und Spannungsregelung einer permanenterregten Synchronmaschine.Delta sigma converters are established in communication and audio high fidelity applications due to their high signal to noise ratio and sampling frequency range of 10 to 100 kHz. In the phase current control of electrical drives, delta sigma converters are more commonly used. They comprise a modulator and a digital low pass filter. The effects of the digital low pass filter on the achievable bandwidth and the suppression of disturbances of the electrical drive are analyzed in this thesis. Two measures are proposed to increase the bandwidth of the phase current control loop. The phase current controller is executed at the high frequent (10 MHz) sampling rate of the delta sigma modulator so that the digital filter can be omitted. This method requires a new signal processing, since the output of the delta sigma modulator, a delta sigma bitstream, features only a one bit resolution. Existing solutions for this direct processing of delta sigma bitstreams are compared and extended. A highly dynamic conversion of the high frequent delta sigma bitstream into pulse width modulated signals for power electronics is the second method to increase the bandwidth. The high frequent sampling rate of the delta sigma modulator is reduced to an average switching frequency range of 4 to 40 kHz. A single-phase load is used for a first analysis. The solution for a three-phase load in literature reveals some disadvantages. A power electronics modulator with high bandwidth, which directly processes the delta sigma bitstreams without these disadvantages, is presented. In addition, a direct feedback of phase currents and voltages is achieved by delta sigma bitstreams. This enables a highly dynamic phase current- and voltage control of a permanent magnet synchronous machine

Regelverfahren für Stromrichter zur Stromeinspeisung der Grundschwingung und Harmonischen im Mit- und Gegensystem am nicht-idealen Niederspannungsnetz

Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag für Stromregelverfahren von Netzstromrichtern. Für den dreiphasigen Fall wird die Aufgabe gestellt, beliebige Stromsollwertvorgaben im Mit- und Gegensystem für die Grundschwingung und Harmonischen umzusetzen. Die Stromeinprägung von Harmonischen durch den Stromrichter verfolgt dabei das Ziel, Störungen in den Spannungsverläufen des Netzes zu eliminieren. Innerhalb des geschlossenen Stromregelkreises werden die Bestandteile der Netzspannungen und Ströme mit der Methode des Kalman Filters bestimmt. Aufgrund der Verwendung von Streckenmodellen unter gleichzeitiger Einbeziehung stochastischer Prozesse verfügt das Kalman Filter über Vorteile, die für eine schnelle einphasige Stromregelung mit einer zusätzlichen Einprägung von harmonischen Komponenten im Netzstrom am nicht-idealen Niederspannungsnetz genutzt werden sollen. Durch die einphasige Behandlung des dreiphasigen Systems ist das Verfahren gleichzeitig auch auf einphasige Anwendungen übertragbar

Effiziente und dynamische Drehmomenteinprägung in hoch ausgenutzten Synchronmaschinen mit eingebetteten Magneten

In modernen Hybrid- und Elektrofahrzeugen kommen häufig hoch ausgenutzte permanentmagneterregte Synchronmaschinen mit stark nichtlinearen Eigenschaften zum Einsatz. In dieser Arbeit werden Regelstrukturen für einen effizienten und dynamischen Betrieb solcher Antriebe vorgestellt und experimentell validiert. Damit kann die Drehmomenteinprägung mit der höchstmöglichen Dynamik erfolgen, bei gleichzeitig bestmöglicher Ausnutzung und Effizienz des Antriebssystems im stationären Betrieb

Optimale Regelung der permanentmagneterregten Synchronmaschine unter Nutzung des Reluktanzmoments

Die permanentmagneterregte Synchronmaschine mit Reluktanz, d.h. mit unterschiedlichen magnetischen Leitwerten in Längs- und Querachse, bietet viele Vorteile wie ein hohes Drehmoment im Feldschwächbereich. Diese Arbeit stellt eine normierte Darstellung der permanentmagneterregten Synchronmaschine mit Reluktanz und die optimale Regelung mit Nutzung des Reluktanzmomentes vor