LCL filter parameter estimation for a grid-connected PWM switched voltage source inverter

Abstract

The motivation for this study was induced by a practical electrical industry problem of coupling a square-wave switched power converter to the electrical grid. This arrangement requires a conditioning element to meet industry and regulatory standards for grid-connected devices. To this end, the main research question of this study was to investigate whether or not differential evolution global optimisation method could be utilised to identify the design parameters of the conditioning element. The three stages of the conditioning element are: inductance L, capacitance C, and inductance L. Combining these the LCL filter topology is formed. The objectives of this work were to construct respective models and simulation environment to simulate the behaviour of the system. Differential evolution was utilised to derive new LCL design parameter candidates for computing and comparing the performance characteristics of the solution with respect to the set performance targets. Three increasing number of generations of differential evolution process were studied, where the top three LCL design parameter candidates of each generation size were investigated more closely. The differential evolution optimisation process exhibited convergence as the generation sizes increased. The produced LCL design parameter candidates tended to the set performance characteristics targets. Consequently, the proposed method of the study produced meaningful results that are worth exploring either in industrial or academic setting further.

Tutkimusaihe syntyi valmistavanteollisuuden käytännönongelmasta kytkeä kanttiaalto-ohjattuja tehonmuokkaimia sähköverkoon. Sähköverkkoon kytkettäviin laitteisiin liittyy vahvasti teollisuusstandardit ja viranomaissäädökset, kuten laitteiden häiriönsieto tai niiden tuottamat sähkö-magneettiset häiriöit. Näihin laadullisiin kriteereihin pääsemiseksi tarvitaan tehonmuokkaimen pariksi suotimia, kuten LCL suodin. Kyseinen suodin koostuu kolmesta erillisestä vaiheesta, jossa L viittaa induktanssiin, C kapasitanssiin, ja L induktanssi suotimen viimeisenä vaiheena sen rakenteessa. Tämän työn päätutkimuskysymys olikin, että voidaanko differentiaalievoluutio optimointimenetelmää soveltaa etsimään LCL suotimen arvot niin, että ne täyttäisivät sen ja tehonmuokkaimen yhdessä muodostamalle järjestelmälle ennalta-asetetut laadulliset kriteerit. Tätä varten tutkimuksessa oli luotava matemaattiset mallit ja simulointiympäristö, jonka puitteissa LCL suodinkandidaatteja voitiin arvioida niiden tuottamaan laadulliseen vasteeseen. Tätä arvioitiin kolmella eri differentiaalievoluutio generaatiokoolla, joista kunkin geneeraatiomäärän kolme parhainta ratkaisua poimittiin lähempään tarkasteluun. Osoittautui, että differentiaalievoluution tuottamat ratkaisut suppenivat kohti haluttuja laadullisia kriteereitä kun generaatioden koko kasvoi. Tulosten perusteella työssä kehitetty menetelmä tuotti tuloksia, joita on mahdollista hyödyntää ja jatkokehittää, joko teollisen tai akateemisen jatkotutkimuksen puitteissa.