REGULACIJA HARMONSKIH KOMPONENT V SISTEMIH MOČNOSTNE ELEKTRONIKE ; HARMONICS CONTROL IN POWER ELECTRONICS SYSTEMS

Pričujoče delo obravnava regulacijo harmonskih komponent v sistemih močnostne elektronike, kjer imamo opravka s pretvorniki električne energije v širokem razponu moči. Ti pretvorniki delujejo s stikalno frekvenco, ki je za nekaj velikostnih razredov večja od frekvence osnovne harmonske komponente napetosti oziroma toka, ki jo želimo generirati. Zato lahko vplive stikalne frekvence dušimo le s pasivnimi filtri. Za regulacijo osnovne harmonske komponente in višjeharmonskih komponent do teoretično Nyquistove frekvence (polovica vzorčne frekvence) uporabljamo namenske, integralno delujoče, digitalne regulatorje. Poudarek te doktorske disertacije je na namenskem generiranju oziroma odpravljanju teh harmonskih komponent v sistemih močnostne elektronike, kar je možno doseči z ustreznimi regulacijskimi algoritmi. Na podlagi pregleda literature je bilo ugotovljeno, da se tako v enofaznih kot v trifaznih sistemih za potrebe regulacije harmonskih komponent uporabljajo: resonančni regulator, repetitivni regulator, DCT regulator ter dvojni DCT regulator. Za trifazne sisteme je primeren še I regulator v rotirajočem dq koordinatnem sistemu. Regulatorji, kot so PI, prediktivni, RST (angl. Reference Signal Tracking), histerezni in časovno-diskretni regulator so manj primerni ali neustrezni za regulacijo harmonskih komponent, saj v stacionarnem stanju ne zmorejo (dovolj) dobro slediti želeni vrednosti. Tudi mehka logika (angl. fuzzy), nevronske mreže in genetski algoritmi se zaenkrat za regulacijo harmonskih komponent ne uporabljajo. Resonančni regulator in I regulator v rotirajočem dq koordinatnem sistemu regulirata le eno harmonsko komponento, zato moramo uporabiti en tak regulator za vsako posamezno harmonsko komponento, ki jo želimo regulirati. Repetitivni, DCT in dvojni DCT regulator so zmožni nadzorovati več harmonskih komponent hkrati. Dvojni DCT regulator sem zasnoval sam. Je novost, ki je do sedaj v literaturi še ni bilo možno zaslediti. Dvojni DCT regulator je nadgradnja DCT regulatorja, hkrati pa predstavlja alternativo več resonančnim regulatorjem. Za razliko od repetitivnega in DCT regulatorja, je možno z dvojnim DCT regulatorjem nastavljati amplitudo in kompenzacijo faznega premika za vsako harmonsko komponento posebej. Tudi harmonske komponente, ki jih želimo regulirati, lahko poljubno izbiramo, pri čemer je časovna zahtevnost vedno enaka, ne glede na skupno število izbranih harmonskih komponent. Zaradi medsebojne primerjave so resonančni, repetitivni, DCT in dvojni DCT regulator implementirani v sistem vodenja treh simulacijskih in eksperimentalnih modelov. V aktivnem usmerniku z dvosmernim pretokom moči so višjeharmonske komponente z regulacijskim algoritmom močno dušene, kar ima za posledico precejšnje izboljšanje faktorja moči. Omenjeni regulatorji harmonskih komponent enako dobro dušijo periodične motnje, a se med seboj razlikujejo po lastnostih delovanja, s katerimi ovrednotimo prednosti in slabosti posameznega regulatorja ter glede na zahteve izberemo najprimernejšega. Kriteriji za izbiro so naslednji: hitrost odziva regulatorja ob prehodnem pojavu (dinamika), časovna zahtevnost izračuna v realnem času (število matematičnih operacij znotraj vzorčnega intervala), velikost potrebnega pomnilniškega prostora, zahtevnost realizacije v mikrokrmilniku, občutljivost na odstopanje frekvence osnovne harmonske komponente ter omejitve regulatorjev (npr. zmožnost natančne kompenzacije zakasnitve za posamezno harmonsko komponento, zmožnost spreminjanja parametrov v realnem času). Zelo podoben regulacijski algoritem za odpravljanje periodičnih motenj je bil implementiran tudi pri regulaciji izhodne napetosti RLC vezja, kjer je frekvenčna odvisnost faznega premika izrazito nelinearna. Na tem sistemu se tako pokaže pomanjkljivost repetitivnega in DCT regulatorja, kjer ni možno nastaviti kompenzacije zakasnitve za vsako harmonsko komponento posebej. Posledično je težko zagotavljati stabilno obratovanje teh dveh regulatorjev. Kompromis moramo narediti med dinamiko ter pasovno širino regulatorjev, kar pa se med seboj izključuje. To pomeni, da če želimo imeti ustrezno dinamiko, moramo precej omejiti število harmonskih komponent, ki jih reguliramo. Lahko pa na račun počasnega odziva regulatorja ustrezno povečamo pasovno širino. Pasovna širina mora biti seveda še vedno omejena, saj pretirano povečanje le-te lahko privede do nestabilnosti. Pri vodenju trifaznega sinhronskega stroja s trajnimi magneti so izbrane višjeharmonske komponente toka v dq koordinatnem sistemu generirane z namenom odpravljanja valovitosti navora in hitrosti. Ta aplikacija je težavna zato, ker se frekvenca osnovne harmonske komponente ves čas spreminja, kar lahko posledično povzroči nestabilno delovanje regulacijskega sistema. S spreminjanjem frekvence se spreminja tudi fazni premik regulirane veličine, kar še dodatno ogrozi stabilnost. Rešitev tega problema je v adaptivnem delovanju regulatorjev, kar je implementirano v algoritem vodenja. Rezultati dokazujejo stabilno delovanje v območju vrtilnih hitrosti od praktično 0 min-1 dalje do 1200 min-1. Preučen je tudi vpliv fizikalnih omejitev na regulacijo harmonskih komponent. Analizirani so vplivi parametrov pretvornika in bremena. Izpeljan je splošen analitičen izraz, s katerim je možno enostavno in zanesljivo ugotoviti, ali je pretvornik sposoben regulirati izbrane harmonske komponente toka skozi ohmsko-induktivno breme. Najvplivnejši parametri, ki omejujejo delovanje pretvornika, so: napetost na enosmernem tokokrogu, upornost bremena, mrtvi čas stikalnega pretvornika ter frekvenca reguliranih harmonskih komponent. V sklepu je poudarjen vpliv mrtvega časa na popačenje napetosti pretvornika, narejena strnjena primerjava resonančnega, repetitivnega, DCT in novo zasnovanega dvojnega DCT regulatorja, podane so aplikacije, v katerih je regulacija harmonskih komponent najpogosteje uporabljena ter nakazana smer nadaljnjega dela. ; The main topic of this dissertation is harmonics control in power electronics systems, represented by switching converters in a wide range of power. The switching frequency of the converters is larger than fundamental harmonics frequency of signal being controlled and can be suppressed with passive analog filters only. To generate or to suppress the fundamental harmonic and harmonics theoretically up to the Nyquist frequency, the dedicated controllers and appropriate control algorithms must be implemented within the microcontroller. In single-phase and three-phase systems the resonant, repetitive, DCT and dual DCT controllers are used. Additionally, rotating frame I controller is used in three-phase systems only. Based on the literature review, PI, predictive, RST (Reference Signal Tracking), hysteresis, time-discrete controller are not appropriate for harmonics control. These controllers cannot adequately follow the steady-state reference. The same applies for fuzzy logic, neural networks and genetic algorithms, therefore those algorithms have not yet been used for the harmonic control. The rotating frame I controller and the resonant controller controls only individual harmonic. To control more harmonics, multiple controllers, working in parallel, need to be used. Repetitive, DCT and dual DCT are capable of controlling several harmonics simultaneously. Dual DCT controller is designed by myself and is a novelty that has not yet been mentioned in the relevant literature. Dual DCT controller is an upgrade of the DCT controller and it poses an alternative to the multiple resonant controllers. Unlike the repetitive and the DCT controller, it is possible to adjust the amplitude and phase lag compensation for each harmonic separately. The harmonics can be arbitrarily selected regardless of the numbers of harmonics selected. To compare resonant, repetitive, DCT and the dual DCT controller, those algorithms are implemented into several simulations and experiments. In a bidirectional active rectifier the harmonics are mitigated, which ensures improvement of the power factor. They all attenuate harmonics well enough, however each of them has unique properties, by which the advantages and disadvantages of each controller are evaluated. The most appropriate one is selected according to the following requirements: the transient response time (dynamics), real-time computing power complexity (number of mathematical calculations within a sampling interval), memory usage requirement, complexity of implementing the controller algorithm in microcontroller, sensitivity to frequency change and limitations of the controller (i.e. exact phase lag compensation ability for each harmonic, possibility of controller parameters change during operation). A very similar harmonics control algorithm was also tested in the output voltage control of an RLC circuit, where the frequency dependence of the phase lag is distinctly nonlinear. This system exposes the main disadvantages of the repetitive and the DCT controller. Only linear phase lag compensation is possible, which causes stability issues. The compromise between dynamics and bandwidth of those controllers must be made to ensure stable operation. Either bandwidth is satisfactory and the dynamics is worsened or the dynamics is good and bandwidth is narrowed. When operating a three-phase permanent magnet synchronous machine, several selected current higher harmonics in the dq coordinate system are generated to eliminate torque and speed fluctuations. Electrical frequency is changing all the time according to mechanical frequency change, therefore the current phase lag is affected and stability of control loop is threatened. To solve this issue, adaptive change of controller’s parameters is implemented in control algorithm. The results prove successful and stable operation in range from practically 0 to 1200 rpm. The physical limitations of harmonics control are also examined. The influence of converter’s parameters and RL load is analyzed. To determine whether the converter is capable of controlling the selected harmonics of the current through RL load or not, a general analytic expression has been derived, which offers fast and reliable estimation. The most important parameters limiting the operation of the inverter are: DC link voltage, load resistance, switching converter’s dead time and frequency of controlled harmonics. In conclusion, the influence of dead time is emphasized, a concise comparison of the resonant, repetitive, DCT and self-designed dual DCT controller is made, applications in which the control of harmonics is most commonly used are given and the direction of further work is also indicated.