Controllo del feedback connesso alla rete

Un filtro LCL aiuta la conversione dell'energia di feedback dell'ascensore in CA per essere reinviata in sicurezza alla rete.

di Wang Yanqing, Jiang Qing, Cao Jie e Wan Jianru

L'energia generata nello stato rigenerativo dei sistemi di controllo della frequenza degli ascensori è molto impressionante. Questa energia viene trasmessa al condensatore sul lato CC dell'inverter e potrebbe generare una sovratensione se non trattata. È una seria minaccia per il sistema. Se l'energia rinnovabile viene utilizzata razionalmente per evitare il pompaggio della tensione del condensatore lato DC dell'inverter, la sicurezza del sistema è garantita. L'energia di feedback dell'ascensore può essere convertita in CA da un inverter trifase con un filtro LCL a tre ordini (composto da induttanza, capacità e induttanza) e reinviata alla rete.

Rispetto a un inverter di tipo L convenzionale, un inverter di tipo LCL richiede solo una piccola induttanza e può prendere in considerazione sia il guadagno a bassa frequenza che l'attenuazione ad alta frequenza. Tuttavia, è un sistema del terzo ordine senza smorzamento e il suo picco di ampiezza elevata è alla frequenza di risonanza dei suoi punti di svolta. I modelli matematici di un inverter connesso alla rete trifase con filtro LCL sono descritti nel sistema di coordinate rotanti bifase. La strategia di controllo utilizza la potenza come un anello esterno; l'anello interno include la corrente di induttanza lato inverter e il feedback di corrente del condensatore, che è la strategia di controllo dello smorzamento attivo. Può migliorare la stabilità del sistema, filtrare efficacemente le armoniche superiori, ridurre i costi e ridurre le dimensioni del sistema. Può anche migliorare il fattore di potenza e ridurre l'inquinamento della rete causato dagli azionamenti a frequenza variabile. Sulla piattaforma MATLAB/Simulink vengono simulati sistemi da 7.5 e 10 kW per verificare l'affidabilità di questo metodo.

Sistema connesso alla rete

Lo schema del sistema di feedback dell'energia dell'ascensore connesso alla rete è mostrato nella Figura 1. È costituito da un inverter a ponte trifase a controllo completo, filtro LCL, condensatore del bus CC e diodi. Quando l'ascensore sta viaggiando verso l'alto con un carico leggero, scende in collegamento con un carico pesante o decelera con i suoi freni, l'energia rinnovabile viene rettificata in CC attraverso i diodi a ruota libera dell'inverter. La tensione del condensatore del bus CC aumenta. La corrente convertita soddisfa i requisiti dello standard cinese (GB) per le armoniche di rete (tabella 1).

Modelli matematici

Il circuito connesso alla rete di retroazione dell'energia con filtro LCL è mostrato in Figura 2. La tensione trifase di rete è definita come:

U_m è l'ampiezza della tensione di fase e le resistenze parassite di capacità e induttanza vengono ignorate. Secondo le leggi di Kirchhoff, i modelli matematici (Equazione 2) dell'inverter connesso alla rete trifase sono stabiliti in un sistema di coordinate stazionario trifase.

S_k è una funzione di commutazione per il braccio del ponte. “1” rappresenta il tubo sopra è aperto e il tubo sotto è spento, mentre “0” rappresenta il tubo sopra è spento e il tubo sotto è aperto. i1k è la corrente dell'induttore lato inverter; i2k è la corrente dell'induttore lato rete; uik è la tensione di uscita dell'inverter; uck è la tensione del condensatore del filtro LCL; udc è la tensione del bus CC; idc è la corrente di uscita del bus DC; O è il punto medio della griglia; e N è il punto medio del condensatore CA. Per un sistema simmetrico trifase a tre fili, la tensione di uscita dell'inverter può essere descritta come .

Sebbene il significato fisico del modello matematico in un sistema di coordinate stazionario trifase sia chiaro, è difficile ottenere una regolazione dell'errore statico. Per facilitare l'analisi, le variabili nelle coordinate dell'asse a/b/c vengono convertite attraverso la conversione di potenza uguale alla stessa griglia fondamentale del sistema di coordinate dell'asse sincrono a frequenza rotante e quadratura (d/q), come Equation 3:

Il metodo di progettazione dei parametri LCL è conforme alla "Ricerca sul controller proporzionale-risonante per il convertitore connesso alla rete con filtro LCL"[1] di Shi Liguang e per garantire parametri ottimali, sono stati verificati sulla frequenza di risonanza. I valori di potenza attiva lato DC dell'inverter sono, rispettivamente, P = 7.5 kW e P = 10 kW. I parametri sono progettati secondo L₁/L₂ = 4 (Tabella 2). Le condizioni note sono il quadrato medio della radice della tensione di rete: U_n = 220V; Tensione bus CC: U_dc = 650V; e frequenza di commutazione: f_sw = 5kHz.

Controllate

L'analisi della strategia di controllo

La teoria del potere istantaneo è stata proposta da H. Akagi e A. Kanazawa nel 1983.[2] È costruito sulla base della trasformazione delle coordinate. La potenza attiva e reattiva istantanea sono calcolate in base al valore istantaneo della trasformazione di coordinate bifase. Per superare la tradizionale teoria della potenza attiva e reattiva, il calcolo si basa sulla media della definizione del ciclo. I ritardi computazionali causati dal periodo di accumulo, che aiuteranno la strategia di controllo a prendere decisioni utilizzando la potenza istantanea, sono ridotti. Per facilitare il controllo del disaccoppiamento PQ, la direzione del vettore risultante della tensione di rete deve essere scelta come direzione dell'asse d.

Sulla base dell'equazione 3, il modello matematico del diagramma a blocchi del dominio continuo dell'inverter connesso alla rete può essere ottenuto nel sistema di coordinate stazionario a due fasi (Figura 3). La trasformazione delle coordinate introduce forti accoppiamenti tra i componenti dell'asse d/q del sistema. Senza disaccoppiamento, il design del controller diventerà complicato, dimostrando che l'attuale effetto di controllo non è molto soddisfacente.

Il controllo del disaccoppiamento dell'asse d/q dell'inverter connesso alla rete LCL nel sistema di coordinate rotanti bifase è mostrato nella Figura 4.

Design del controller

Il filtro LCL ha un buon effetto di filtraggio sulle armoniche più elevate, ma le sue caratteristiche di ordine elevato fanno sì che la corrente di rete abbia una risonanza non smorzata, il che pone requisiti più elevati per il design a circuito chiuso. Il suo picco di risonanza deve essere soppresso per superare le caratteristiche non smorzate. La strategia di smorzamento attivo consiste nel prendere la corrente del condensatore del filtro e il feedback di tensione per sopprimere l'armonica della frequenza di risonanza.[3 e 4]

Le caratteristiche di frequenza dalla tensione lato inverter alla corrente dell'induttore lato inverter per il sistema da 7.5 kW sono mostrate nella Figura 5. Ci sono due picchi di risonanza, il secondo dei quali è causato da una risonanza in serie di L1, L2 e C .[5] Lo stesso problema esiste nei sistemi da 10 kW.

Con lo smorzamento attivo, nella frequenza di risonanza serie, il controller può inibire meglio lo shock (Figura 6). Considerando la simmetria interna disaccoppiata della corrente dell'asse d/q, questo articolo copre solo la progettazione del controller proporzionale-integrale dell'anello di corrente id ( PI) parametri.

La funzione di trasferimento ad anello aperto della Figura 7 è:

Non è ammessa l'esistenza di un ampio superamento del processo di regolamentazione attuale. Questo per ottenere prestazioni rapide di tracciamento della corrente per i requisiti dinamici dell'anello di corrente. I parametri PI dell'anello di corrente sono progettati secondo il tipico sistema di tipo II e la larghezza di banda a frequenza intermedia appropriata è definita come hi = τs/([1.5T]s). hi = 5 è spesso preso in ingegneria. La relazione dei parametri è secondo il tipico sistema di tipo II, in cui si ha:

Quindi, la soluzione è:

Analisi dei risultati della simulazione

Il modello di sistema è costruito in MATLAB/Simulink secondo i parametri di progettazione nella Tabella 2 e il metodo di progettazione del controller sopra menzionato (Figura 8).

 Le Figure 9 e 10 sono le correnti, rispettivamente, dell'inverter da 7.5 kW e l'analisi della distorsione armonica totale (THD) lato rete. Filtrate per LCL, le armoniche della frequenza di commutazione scendono al di sotto dello 0.5% e le armoniche totali scendono al 3.11% (dal 7.01%). Le armoniche soddisfano i requisiti della Tabella 1. Il tasso di distorsione della corrente di rete è basso. La figura 11 mostra che il fattore di potenza è prossimo a 1; In questo modo viene realizzato l'inseguimento dell'unità di potenza, che soddisfa la condizione di connessione alla rete.

Le Figure 12 e 13 sono, rispettivamente, l'analisi dell'inverter da 10 kW e l'analisi THD lato rete. Filtrate da LCL, le armoniche alte sono ovviamente soppresse; le armoniche totali scendono al 2.68%, che soddisfa i requisiti delle armoniche della corrente di rete.

Conclusioni

Attraverso esperimenti di simulazione su sistemi da 7.5 e 10 kW, i risultati mostrano che il filtro LCL può sopprimere efficacemente le armoniche. L'effetto inibitore sulla frequenza di commutazione è più evidente e le armoniche di corrente sono notevolmente ridotte. Utilizzando il controllo dell'anello esterno dell'alimentazione, il fattore di potenza è vicino a 1. La corrente del condensatore del filtro e il controllo della retroazione di tensione migliorano significativamente la stabilità del sistema. I risultati della simulazione hanno dimostrato la fattibilità di questo metodo nelle applicazioni degli ascensori.

Referenze
[1] Shi Liguang. "Ricerca sul controller proporzionale-risonante per il convertitore connesso alla rete con filtro LCL", Università di Tianjin, 2013.
[2] Akagi, H., Y. e Kanazawa, A. Nabae. "Teoria generalizzata della potenza reattiva istantanea nei circuiti trifase", IPEC 1983, 1375-1386.
[3] Xu Jinming, Xie Shaojun e Xiao Huafeng. "Ricerca sui meccanismi di controllo dello smorzamento attivo del filtro LCL", Atti del CSEE, 2012.09: 27-33 +6.
[4] Zhang Xing e Zhang Chongwei, "PWM Rectifier and Control", Pechino: Mechanical Industry Press, 2012.02/XNUMX/XNUMX.
[5] Qiu Zhiling, "Lo studio sulle tecniche chiave del convertitore connesso alla rete trifase a tre linee basato sul filtro LCL", Zhejiang University, 2009.