Aktiivisuodattimen virtasäädön toteutus tilasäätönä hyödyntäen tilahavaitsijaa

Abstract

Tämän työn tavoitteena on tarkastella, voidaanko aktiivisuodattimissa yleisesti käytetty PI-säätö korvata uudella korkeamman kertaluvun säätömenetelmällä, joka vähentää laitteen valmistuskustannuksia ja vaimentaa tehokkaasti LCL-suodattimen aiheuttamia resonansseja. LCL-suodattimen resonanssit tuottavat ongelmia PI-säädössä, jos järjestelmän dynamiikka ei ole tiedossa. Tilasäädön käyttö virtasäädössä mahdollistaa LCL-suodattimen resonanssien vaimentamisen hallitusti ja tilasäädöllä voidaan poistaa tarve mitata suodatinkondensaattorin jännitettä tai virtaa, ja täten vähentää järjestelmän mittausten kokonaismäärää. Mittausten vähentäminen laskee kustannuksia ja vähentää mittauksista mahdollisesti koituvia häiriöitä. Tilasäädön haittapuolena on monimutkaisempi rakenne verrattuna PI-säätöön, koska tilasäädössä halutaan rakentaa järjestelmän, eli tässä tapauksessa vaihtosuuntaajan LCL-suodattimen matemaattinen malli mahdollisimman tarkasti. Tarkalla matemaattisella mallilla pyritään mahdollisimman pieneen estimointivirheeseen. Tilahavaitsijaa käyttämällä järjestelmän mittaamattomia arvoja voidaan arvioida muiden järjestelmän parametrien avulla. Työn tulokset osoittavat tilasäätimen soveltuvan hyvin aktiivisuodattimen virtasäätöön. Tilahavaitsijalla saadaan luotettavasti estimoitua LCL-suodattimen kondensaattorin jännite ja täten tehokkaasti vaimennettua resonanssi ilman erillistä aktiivisen vaimennuksen mittausta. Diskreetti tilasäädin on viritetty napojenasettelumenetelmällä välivaiheilla, jotka voidaan laskea käsin ilman matriisilaskentaa, mikä mahdollistaa parametrien muuttamisen myös ohjauksen aikana. Tulosten perusteella korkeamman asteen tilasäädin toimii robustisti LCL-suodattimen kanssa virtasäädössä ja vaikuttaa toteutuskelpoiselta myös heikoissa sähköverkoissa.

The aim of this thesis is to study if the commonly used PI-controller in active harmonic filters could be replaced with a new higher-order control method, which would reduce the manufacturing costs of the device and effectively dampen the LCL filter resonance. Resonance frequency caused by the LCL filter can cause problems in PI-control if the dynamics of the system are unknown. State space current control makes damping of LCL-filter resonances more controlled and with state space control we can eliminate the need to measure filter-capacitor voltage or current and thus reduce the overall number of needed measurements. Reducing the measurements reduces the manufacturing costs and decreases the problems caused by measuring noise. One downside of using state space current control is the more complicated structure of the controller. State space control requires a well-defined and realistic mathematical model of the system, in this case the LCL filter. With precise mathematical model the aim is to minimize the estimation error of the state estimator. Combining the state space controller with a state estimator, we can estimate the unmeasured state variables. The results of the thesis show that the state space controller is well suited for controlling the active harmonic filter inner current loop. State observer allows for a reliable estimation of the LCL-filter capacitor voltage for efficient damping of the filter resonance without any need for measurement-based active damping. Discrete state space controller is tuned with pole placement method and the calculation for the state feedback gain is done without matrix operations and thus can be implemented inside the control code and executed during the control to change the parameters during operation. The results show that higher order state space controllers are robust in LCL-filter current control and seem feasible for a weak grid application as well.