Şebekeye Bağlı Geri Besleme Kontrolü

Bir LCL filtresi, güvenli bir şekilde şebekeye geri gönderilmesi için asansör geri besleme enerjisinin AC'ye dönüştürülmesine yardımcı olur.

Wang Yanqing, Jiang Qing, Cao Jie ve Wan Jianru tarafından

Asansör frekans kontrol sistemlerinin rejeneratif durumunda üretilen enerji çok etkileyicidir. Bu enerji, inverterin DC tarafındaki kondansatöre iletilir ve ele alınmadığı takdirde bir voltaj dalgalanması oluşturabilir. Sistem için ciddi bir tehdittir. İnvertörün DC tarafı kapasitör voltajının yükselmesini önlemek için yenilenebilir güç rasyonel olarak kullanılırsa, sistem güvenliği sağlanır. Asansör geri besleme enerjisi, üç sıralı LCL filtreli (endüktans, kapasitans ve endüktanstan oluşan) üç fazlı bir invertör tarafından AC'ye dönüştürülebilir ve şebekeye geri gönderilebilir.

Geleneksel bir L tipi inverter ile karşılaştırıldığında, bir LCL tipi inverter sadece küçük endüktans gerektirir ve hem düşük frekans kazancını hem de yüksek frekans zayıflamasını hesaba katabilir. Ancak, sönümsüz üçüncü dereceden bir sistemdir ve yüksek genlikli tepe noktası, dönüş noktalarının rezonans frekansındadır. LCL filtreli üç fazlı, şebeke bağlantılı bir eviricinin matematiksel modelleri, iki fazlı döner koordinat sisteminde açıklanmıştır. Kontrol stratejisi, gücü bir dış halka olarak kullanmaktır; iç halka, aktif sönümleme kontrol stratejisi olan invertör tarafı endüktans akımını ve kapasitör akımı geri beslemesini içerir. Sistem kararlılığını artırabilir, yüksek harmonikleri etkin bir şekilde filtreleyebilir, maliyetleri azaltabilir ve sistem boyutunu küçültebilir. Ayrıca güç faktörünü iyileştirebilir ve değişken frekanslı sürücülerin neden olduğu şebeke kirliliğini azaltabilir. MATLAB/Simulink platformunda, bu yöntemin güvenilirliğini doğrulamak için 7.5- ve 10-kW sistemleri simüle edilir.

Şebekeye Bağlı Sistem

Şebekeye bağlı asansör-enerji geri besleme sistemi şeması Şekil 1'de gösterilmektedir. Üç fazlı, tam kontrollü köprü invertörü, LCL filtresi, DC bara kondansatörü ve diyotlardan oluşur. Asansör hafif yükle yukarı doğru hareket ederken, ağır yükle aşağı bağlantılarda veya frenleri ile yavaşlarken, yenilenebilir enerji inverter serbest dönen diyotlar aracılığıyla DC'ye doğrultulur. DC bara kapasitör voltajı artar. Dönüştürülen akım, şebeke harmoniklerinin Çin standardı (GB) gereksinimlerini karşılar (Tablo 1).

Matematiksel modeller

LCL filtreli enerji geri beslemeli şebekeye bağlı devre Şekil 2'de gösterilmektedir. Şebeke üç fazlı voltajı şu şekilde tanımlanır:

U_m faz voltajı genliğidir ve kapasitans ve endüktansın parazitik dirençleri göz ardı edilir. Kirchhoff yasalarına göre, üç fazlı şebeke bağlantılı eviricinin matematiksel modelleri (Denklem 2), üç fazlı sabit bir koordinat sisteminde kurulmuştur.

S_k köprü kolu için bir anahtarlama işlevidir. "1" yukarıdaki borunun açık ve aşağıdaki borunun kapalı olduğunu, "0" ise yukarıdaki borunun kapalı ve aşağıdaki borunun açık olduğunu gösterir. i1k, inverter tarafı endüktör akımıdır; i2k, şebeke tarafı indüktör akımıdır; uik, inverter çıkış voltajıdır; uck, LCL filtre kapasitör voltajıdır; udc DC bara voltajıdır; idc, DC barasının çıkış akımıdır; O, ızgara orta noktasıdır; ve N, AC kapasitör orta noktasıdır. Simetrik üç fazlı, üç telli bir sistem için invertör çıkış voltajı şu şekilde tanımlanabilir: .

Üç fazlı durağan bir koordinat sisteminde matematiksel modelin fiziksel anlamı açık olmasına rağmen, statik hata düzeltmesi elde etmek zordur. Analizi kolaylaştırmak için, a/b/c ekseni koordinatlarındaki değişkenler, Eşit güç dönüşümü yoluyla, Denklem gibi senkronize frekanslı dönen doğrudan ve karesel (d/q) eksen koordinat sistemiyle aynı ızgara temeline dönüştürülür. 3:

LCL parametrelerinin tasarım yöntemi, Shi Liguang'ın “LCL-Filtreli Şebekeye Bağlı Dönüştürücü için Oransal-Rezonans Kontrolör Araştırması”na[1] göredir ve optimal parametreleri sağlamak için, bunlar rezonans frekansında doğrulanmıştır. Eviricinin DC tarafı aktif güç değerleri sırasıyla P = 7.5 kW ve P = 10 kW'dır. Parametreler L'ye uygun olarak tasarlanmıştır₁/L₂ = 4 (Tablo 2). Bilinen koşullar, şebeke voltajının kök ortalama karesidir: U_n = 220 V; DC-bara gerilimi: U_dc = 650 V; ve anahtarlama frekansı: f_sw = 5kHz.

Control

Kontrol Stratejisinin Analizi

Anlık Güç Teorisi, 1983 yılında H. Akagi ve A. Kanazawa tarafından önerildi.[2] Koordinat dönüşümü temelinde inşa edilmiştir. Anlık aktif ve reaktif güç, iki fazlı koordinat dönüşümünün anlık değerine göre hesaplanır. Geleneksel aktif ve reaktif güç teorisinin üstesinden gelmek için hesaplama, çevrim tanımının ortalamasına dayanmaktadır. Kontrol stratejisinin anlık gücü kullanarak karar vermesine yardımcı olacak birikim süresinin neden olduğu hesaplama gecikmeleri azaltılır. PQ ayırma kontrolünü kolaylaştırmak için, şebeke geriliminin bileşke vektörünün yönünün d ekseni yönü olarak seçilmesi gerekir.

Denklem 3'e dayalı olarak, şebeke bağlantılı eviricinin sürekli etki alanı blok diyagramının matematiksel modeli, iki fazlı sabit koordinat sisteminde elde edilebilir (Şekil 3). Koordinat dönüşümü, sistemin d/q ekseni bileşenleri arasında güçlü bağlantılar sağlar. Dekuplaj olmadan, kontrolör tasarımı karmaşık hale gelecek ve mevcut kontrol etkisinin çok tatmin edici olmadığını gösterecektir.

İki fazlı döner koordinat sisteminde LCL şebekeye bağlı invertörün d/q ekseni ayırma kontrolü Şekil 4'te gösterilmektedir.

Denetleyici Tasarımı

LCL filtresi, daha yüksek harmonikler üzerinde iyi bir filtreleme etkisine sahiptir, ancak yüksek dereceli özellikleri, şebeke akımının sönümsüz rezonansa sahip olmasını sağlar, bu da kapalı döngü tasarımında daha yüksek gereksinimleri ortaya koyar. Sönümsüz özelliklerin üstesinden gelmek için rezonans zirvesi bastırılmalıdır. Aktif-sönümleme stratejisi, rezonans frekans harmoniğini bastırmak için filtre kapasitör akımını ve voltaj geri beslemesini almaktır.[3 & 4]

7.5 kW sistem için inverter tarafı voltajından inverter tarafı endüktör akımına kadar olan frekans özellikleri Şekil 5'te gösterilmektedir. .[1] Aynı problem 2-kW sistemlerde de mevcuttur.

Aktif sönümleme ile, seri rezonans frekansında, kontrolör şoku daha iyi engelleyebilir (Şekil 6). Ayrıştırılmış d/q ekseni akımı iç simetrisi göz önüne alındığında, bu makale sadece id akım döngüsü oransal-entegre-kontrolörünün tasarımını kapsar ( PI) parametreleri.

Şekil 7'deki açık döngü transfer fonksiyonu:

Mevcut düzenleme sürecinde büyük bir aşmanın varlığına izin verilmiyor. Bu, akım döngüsünün dinamik gereksinimleri için hızlı akım izleme performansı elde etmek içindir. Mevcut döngünün PI parametreleri tipik tip II sisteme göre tasarlanmıştır ve uygun ara frekans bant genişliği hi = τs/([1.5T]s) olarak tanımlanır. merhaba = 5 genellikle mühendislikte alınır. Parametre ilişkisi, sahip olduğumuz tipik II tipi sisteme göredir:

Böylece, çözüm:

Simülasyon Sonuçları Analizi

Sistem modeli, Tablo 2'deki tasarım parametrelerine ve yukarıda bahsedilen kontrolör tasarım yöntemine göre MATLAB/Simulink'te oluşturulmuştur (Şekil 8).

 Şekil 9 ve 10, sırasıyla 7.5 kW evirici ve şebeke tarafının toplam harmonik bozulma (THD) analizinin akımlarıdır. LCL tarafından filtrelendiğinde, anahtarlama frekansı harmonikleri %0.5'in altına düşer ve toplam harmonikler %3.11'e düşer (%7.01'den). Harmonikler Tablo 1'in gereksinimlerini karşılar. Şebeke akımı bozulma oranı düşüktür. Şekil 11, güç faktörünün 1'e yakın olduğunu göstermektedir; Böylece şebekeye bağlı koşulu karşılayan birlik güç takibi gerçekleştirilir.

Şekil 12 ve 13, sırasıyla, 10-kW invertör ve şebeke tarafının THD analizidir. LCL tarafından filtrelenen yüksek harmonikler açıkça bastırılır; toplam harmonikler, şebeke akımı harmoniklerinin gereksinimlerini karşılayan %2.68'e düşer.

Sonuç

7.5 ve 10-kW sistemlerde yapılan simülasyon deneyleri sayesinde, sonuçlar LCL filtresinin harmonikleri etkin bir şekilde bastırabildiğini göstermektedir. Anahtarlama frekansı üzerindeki engelleyici etki daha belirgindir ve akım harmonikleri önemli ölçüde azalır. Güç dış döngü kontrolü kullanıldığında, güç faktörü 1'e yakındır. Filtre kapasitör akımı ve voltaj geri besleme kontrolü, sistemin kararlılığını önemli ölçüde artırır. Simülasyon sonuçları bu yöntemin asansör uygulamalarında uygulanabilirliğini kanıtlamıştır.

Referanslar
[1] Shi Liguang. “LCL Filtreli Şebekeye Bağlı Dönüştürücü için Oransal-Rezonans Denetleyicisi Üzerine Araştırma,” Tianjin Üniversitesi, 2013.
[2] Akagı, H.,Y. ve Kanazawa, A. Nabae. “Üç Fazlı Devrelerde Anlık Reaktif Gücün Genelleştirilmiş Teorisi,” IPEC 1983, 1375-1386.
[3] Xu Jinming, Xie Shaojun ve Xiao Huafeng. “LCL Filtresinin Aktif Sönümleme Kontrol Mekanizmaları Üzerine Araştırma”, Proceedings of the CSEE, 2012.09: 27-33 +6.
[4] Zhang Xing ve Zhang Chongwei, “PWM Doğrultucu ve Kontrol,” Beijing: Mechanical Industry Press, 2012.02.
[5] Qiu Zhiling, “LCL Filtresine Dayalı Üç Fazlı Üç Hatlı Şebekeye Bağlı Dönüştürücünün Temel Teknikleri Üzerine Çalışma,” Zhejiang Üniversitesi, 2009.