Skip to Main Content

Projekty badawcze w sieci VIA CARPATIA

Filtry

Szczegóły projektu badawczego

Numer umowy
2018/02/X/ST7/02086
Wykonawcy badań/ podległość
Wydział Elektryczny (WE)
Tytuł
Predykcyjna regulacja przekształtnika AC/DC z filtrem LCL oraz dodatkowym sprzężeniem zwrotnym
Streszczenie
Dzięki swoim zaletom tj. dwukierunkowemu przepływowi mocy, regulowanemu współczynnikowi mocy, możliwości regulacji napięcia DC w obwodzie pośredniczącym oraz niskiemu współczynnikowi THD prądu, trójfazowe przekształtniki napięcia AC/DC są coraz częściej wykorzystywane w układach kojarzących sieć elektroenergetyczną z obwodami DC. W większości przypadków przekształtniki AC/DC sprzęgane są z siecią za pomocą filtrów L, LC bądź LCL. Z pośród trzech wymienionych filtrów obwód LCL, który jest układem trzeciego rzędu zapewnia najlepsze tłumienie wyższych harmonicznych związanych z częstotliwością łączeń pozwalając przy tym na zmniejszenie całkowitej indukcyjności w porównaniu do filtrów L i LC. Główną wadą filtrów LCL jest występowanie rezonansu. Nieuwzględnienie odpowiedniego sposobu tłumienia częstotliwości rezonansowych może prowadzić do zwiększenia THD prądu sieci zamiast do zmniejszenia. Kolejnym problemem, na który narażony jest algorytm sterujący przekształtnikiem AC/DC są zakłócenia występujące w napięciu sieci elektroenergetycznej takie jak: wyższe harmoniczne napięcia, niesymetria napięcia oraz zapady napięcia. Ze względu na to, że przekształtnik AC/DC z filtrem LCL jest bardziej wymagającym obiektem sterowania, niż przekształtnik z filtrem L, wyższe harmoniczne w napięciu sieci są przyczyną odkształcania się prądu i gorszej jakości energii elektrycznej. Również niesymetria napięcia sieciowego może wpływać na zwiększenie THD prądu sieci. Generalnie problem występowania częstotliwości rezonansowych filtra LCL może być rozwiązany poprzez metody pasywnego bądź aktywnego tłumienia rezonansu filtra (active damping). Metody aktywnego tłumienia rezonansu filtra są bardziej preferowane ze względu na niższe straty pomimo wzrostu skomplikowania algorytmu sterowania. Jednym z rodzajów aktywnego tłumienia jest zastosowanie zamiast różniczkowania prądu kondensatora - użycie sieci „lead-lag”. W literaturze można znaleźć opis aktywnej metody tłumienia w wersji bez dodatkowych czujników. Wymienione algorytmy zostały opracowane do zastosowania w liniowych metodach sterowania używających modulatora PWM i nie są przeznaczone dla algorytmów nieliniowych takich jak sterowanie predykcyjne oparte o model obiektu ze skończoną liczba możliwości sterowań (FCS-MPC). W metodach FCS-MPC, które są jednymi z najbardziej rozwijanych układów sterowania, częstotliwości rezonansowe zostały stłumione przy wykorzystaniu wirtualnej rezystancji, korzystając z możliwości regulacji wielu zmiennych w funkcji kosztu (multivariable cost function) lub we współpracy z rezonansowymi regulatorami prądu. Ze względu na fakt, że większość znanych metod sterowania została opracowana do pracy z sinusoidalnym napięciem sieci elektroenergetycznej, działanie w przypadku sieci z zaburzonym napięciem jest w ostatnim czasie szeroko badane. Najbardziej znanym algorytmem sterowania przekształtnikiem AC/DC jest sterowanie zorientowane względem wektora przestrzennego napięcia sieci (VOC). Sterowanie to wykorzystuje liniowe regulatory PI, działające w wirującym z pulsacją synchroniczną układzie współrzędnych, do kontroli składowych wektora prądu sieci proporcjonalnych do mocy czynnej i biernej. Regulatory PI mają jednak ograniczoną odporność na odkształcone napięcie sieci. Jednym ze sposobów na poprawę regulacji jest wykorzystanie układu regulacji złożonego z regulatorów PI pracujących na zmiennych transformowanych do układów wirujących z pulsacjami związanymi z harmonicznymi występującymi w napięciu sieci. Selektywna kompensacja jest również możliwa w przypadku użycia regulatorów proporcjonalno-rezonansowych PR. W jednej z najnowszych publikacji przedstawiono metodę bazującą na idei wirtualnego momentu. Metoda ta pozwala na pracę przy niesymetrycznym napięciu sieci, kontrolując przy tym symetrię prądu sieci. We wszystkich wymienionych metodach sterowania w celu poprawy jakości prądu sieci algorytm sterowania został rozbudowany w porównaniu do metody VOC. W związku z tym wykorzystanie metody FCS-MPC, która uważna jest za prostą w implementacji jest dobrą alternatywa dla metod liniowych. We wcześniejszych pracach Piotr Falkowski zaproponował i porównał metody z rodziny FCS-MPC równolegle regulujące trzy zmienne związane z filtrem LCL tj. prąd sieci, napięcie na kondensatorze oraz prąd przekształtnika. Dzięki temu metody mogły pracować podczas zakłóceń występujących w napięciu sieci, jednakże z pośród przedstawionych algorytmów najniższą wartość THD (najlepsze wyniki) osiągnęła metoda nazwana dwukrokową. Jednak główną wadą zwiększenia horyzontu predykcji o dwa kroki na przód jest znaczne zwiększenie ilości niezbędnych obliczeń co czyni tę metodę niemożliwą do implementacji na popularnych mikrokontrolerach stosowanych w rozwiązaniach przemysłowych. Badania realizowane przez Piotra Falkowskiego w ramach działania naukowego „Predykcyjna regulacja przekształtnika AC/DC z filtrem LCL oraz dodatkowym sprzężeniem zwrotnym” pozwoliły na rozwój metody z pojedynczym krokiem predykcji wykorzystującej dodatkowe sprzężenie zwrotne od błędu odtwarzania prądu sieci. Rozwiązanie to pozwoliło na znaczną poprawę odporności algorytmu na wyższe harmoniczne i niesymetryczne napięcie sieci zwiększając przy tym tylko nieznacznie złożoność obliczeniową. Dzięki temu algorytm mógł zostać zaimplementowany na tanim, przemysłowym mikrokontrolerze z jednostką zmiennoprzecinkową - STM32F7. Wyniki badań symulacyjnych i eksperymentalnych potwierdzają wysoka jakość opracowanego sterowania. Stanowi to istotny wkład w dziedzinie sterowania predykcyjnego przekształtników energoelektronicznych. Rezultaty osiągnięte podczas badań zostały przedstawione i poddane dyskusji na międzynarodowej konferencji naukowej PRECEDE 2019. Przedstawiony referat został udostępniony szerokiemu gronu naukowców w bazie IEEE Xplore i Web of Science.
Program
MINIATURA
Uczelnia
Politechnika Białostocka
Slowa Kluczowe
filtr LCL; jakość energii; przekształtnik AC/DC; sterowanie predykcyjne

Informacje o projekcie

Stopka
Minister Nauki

Zadanie finansowane w ramach zlecenia
Ministra Nauki pod nazwą "Politechniczna Sieć VIA CARPATIA im. Prezydenta RP Lecha Kaczyńskiego" w latach 2022-2025

MNiSW
Wersja: 0.1b Właścicielem i administratorem danych zawartych w bazie danych są uczelnie: Politechnika Rzeszowska, Politechnika Lubelska oraz Politechnika Białostocka. Zaprojektowanie witryny: Paweł Kuraś, Krzysztof Demidowski, Veronika Vanivska
Built with using Oracle APEX