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

Systematic design of the lead-lag network method for active damping in LCL-filter based three phase converters

Three-phase active rectifiers guarantee sinusoidal input currents and unity power factor at the price of a high switching frequency ripple. To adopt an LCL-filter, instead of an $L$-filter, allows using reduced values for the inductances and so preserving dynamics. However, stability problems can arise in the current control loop if the present resonance is not properly damped. Passive damping simply adds resistors in series with the LCL-filter capacitors. This simplicity is at the expense of increased losses and encumbrances. Active damping modifies the control algorithm to attain stability without using dissipative elements but, sometimes, needing additional sensors. This solution has been addressed in many publications. The lead-lag network method is one of the first reported procedures and continues being in use. However, neither there is a direct tuning procedure (without trial and error) nor its rationale has been explained. Thus, in this paper a straightforward procedure is developed to tune the lead-lag network with the help of software tools. The rationale of this procedure, based on the capacitor current feedback, is elucidated. Stability is studied by means of the root locus analysis in $z$-plane. Selecting the lead-lag network for the maximum damping in the closed-loop poles uses a simple optimization algorithm. The robustness against the grid inductance variation is also analyzed. Simulations and experiments confirm the validity of the proposed design flow