Estimation Methods for Grid-Voltage Sensorless Control of Converters Equipped with an LCL Filter

Jarno Kukkola

Estimation Methods for Grid-Voltage Sensorless Control of Converters Equipped with an LCL Filter

Julkaisun otsikon käännös: Estimointimenetelmiä LCL-suodattimella varustettujen suuntaajien verkkojänniteanturittomaan säätöön

Jarno Kukkola

Sähkötekniikan ja automaation laitos

Tutkimustuotos: Doctoral Thesis › Collection of Articles

Abstrakti

LCL-suodattimella varustettuja, tehoelektroniikkaan perustuvia, kolmivaiheisia verkkosuuntaajia käytetään laajalti energiantuotannossa ja -kulutuksessa. LCL-suodatin vaimentaa tehokkaasti suuntaajan kytkentäyliaaltoja, mutta suodattimen haittapuolena on sen resonoiva käyttäytyminen. Resonanssi voidaan vaimentaa suuntaajan säädön avulla. Vaimennus säädön avulla helpottuu ja tehostuu, jos LCL-suodattimelle muodostetun täyden kertaluvun dynaamisen mallin tilat ovat tunnettuja (mitattuja tai estimoituja). Yleensä verkkojännite mitataan suuntaajan säätöä varten, mutta korvaamalla jännitemittausanturit estimoinnilla voidaan järjestelmän kustannuksia pienentää pienissä teholuokissa. Toisaalta jännitteen estimointi mittausten ohella parantaa järjestelmän käyttövarmuutta. Tässä työssä esitellään estimointimenetelmiä LCL-suodattimella varustettujen suuntaajien verkkojänniteanturittomaan säätöön. Ainostaan suuntaajan vaihtovirrat ja tasajännitevälipiirin jännite mitataan säätöjärjestelmää varten. Työssä ehdotetaan täyden kertaluvun LCL-suodatinmalliin perustuvaa adaptiivista havaitsijaa tilojen ja verkkojännitteen yhtäaikaiseen estimointiin. Verkon epäsymmetrisiä tilanteita varten havaitsijaa laajennetaan häiriömallilla verkkojännitteen vastakomponentille. Havaitsijan estimointivirheen epälineaarinen dynaaminen malli linearisoidaan ja sitä analysoidaan teoreettisesti. Ehdotettu havaitsija testataan kokeellisesti osana verkkojänniteanturitonta säätöjärjestelmää, jossa estimoituja tiloja käytetään tilasäätöön pohjautuvassa virtasäädössä. Työssä esitetään linearisoituun malliin perustuva analyyttinen suunnittelumenetelmä havaitsijalle jatkuva- ja diskreettiaikaisena. Suunnittelumenetelmä säilyttää yhteyden havaitsijan vahvistusten ja dynaamisen suorituskyvyn välillä ja tuottaa tuloksena symboliset lausekkeet vahvistuksille suorituskykyvaatimusten ja LCL-suodattimen malliparametrien funktioina. Ehdotettu havaitsija pystyy estimoimaan verkkojännitteen suuruuden, taajuuden ja kulman. Verkon epäsymmetrisissä tilanteissa laajennettu havaitsija pystyy lisäksi estimoimaan verkkojännitteen vastakomponentin. Estimoituja suureita voidaan käyttää suuntaajan säätöjärjestelmässä. Analyyttinen suunnittelumenetelmä mahdollistaa ehdotettujen estimointimenetelmien käyttämisen erilaisten suuntaajien ja LCL-suodattimien kanssa ja mahdollistaa menetelmien automaattisen virityksen esimerkiksi suuntaajan käynnistyksen yhteydessä. Ehdotettuja menetelmiä voidaan soveltaa esimerkiksi sähkömoottorikäyttöjen aktiivisissa tasasuuntaajissa tai aurinkosähköjärjestelmien vaihtosuuntaajissa.

Julkaisun otsikon käännös	Estimointimenetelmiä LCL-suodattimella varustettujen suuntaajien verkkojänniteanturittomaan säätöön
Alkuperäiskieli	Englanti
Pätevyys	Tohtorintutkinto
Myöntävä instituutio	Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja	Hinkkanen, Marko, Vastuuprofessori Hinkkanen, Marko, Ohjaaja
Kustantaja	Aalto University
Painoksen ISBN	978-952-60-7180-0
Sähköinen ISBN	978-952-60-7179-4
Tila	Julkaistu - 2016
OKM-julkaisutyyppi	G5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

adaptiivinen havaitsija
anturiton
identifiointi
jännitteen estimointi
LCL-suodatin
linearisoidut mallit
tilasäätö
verkkosuuntaaja

Pääsy asiakirjaan

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-7179-4Lisenssi: Määrittelemätön

Aalto University Doctoral Thesis Award 2018
Kukkola, J. (Recipient) & Hinkkanen, M. (Vastuuprofessori), 2018
Palkinto: Palkinto tai huomionosoitus tuotoksesta

Siteeraa tätä

@phdthesis{e57aba2e2dc54fbb8fd2e2ececc8b390,

title = "Estimation Methods for Grid-Voltage Sensorless Control of Converters Equipped with an LCL Filter",

abstract = "Grid-connected three-phase power electronic converters, equipped with an inductor-capacitor-inductor (LCL) filter, are widely used in energy production and consumption. The LCL filter effectively attenuates the switching harmonics of the converter; however, a drawback of the filter is its resonating behavior. The resonance can be damped by means of converter control, and the damping becomes easier and more effective, if the states of a dynamic full-order LCL-filter model are known (measured or estimated). The grid voltage is typically measured for converter control, but replacing voltage sensors with estimation may reduce system costs at low power ratings. Alternatively, a voltage estimation in parallel with the measurement increases system reliability. This thesis proposes estimation methods for grid-voltage sensorless control of converters equipped with an LCL filter. Only the converter AC currents and the DC-link voltage are measured for the control system. An adaptive observer is proposed for a combined state and grid-voltage estimation based on the full-order LCL-filter model. For unbalanced grid conditions, the observer is augmented with a disturbance model for the negative-sequence grid-voltage component. The nonlinear estimation-error dynamics of the observer are linearized and theoretically analyzed. The proposed observer is experimentally tested as a part of a grid-voltage sensorless control system, where the estimated states are applied in state-space current control. Based on the linearized dynamics, an analytic design procedure is presented for the observer in the continuous and discrete-time domains. The design procedure retains a link between the observer gains and dynamic performance, thus resulting in symbolic expressions for the gains as a function of the performance specifications and LCL-filter model parameters. The proposed observer can estimate the grid-voltage magnitude, frequency, and angle. In unbalanced grid conditions, the augmented observer can also estimate the negative-sequence component of the grid voltage. Estimated quantities can be used in the converter control system. The analytic design procedure enables the proposed estimation methods to be applied with different converters and LCL filters and further enables automatic tuning of the methods, for example, at the converter startup. The proposed methods can be applied, for example, in active-front-end rectifiers of motor drives or solar inverters.",

keywords = "adaptive observer, grid-connected converter, identification, LCL-filter, linearized models, sensorless, state-space control, voltage estimation, adaptiivinen havaitsija, anturiton, identifiointi, j{\"a}nnitteen estimointi, LCL-suodatin, linearisoidut mallit, tilas{\"a}{\"a}t{\"o}, verkkosuuntaaja, adaptive observer, grid-connected converter, identification, LCL-filter, linearized models, sensorless, state-space control, voltage estimation",

author = "Jarno Kukkola",

year = "2016",

language = "English",

isbn = "978-952-60-7180-0",

series = "Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS",

publisher = "Aalto University",

number = "258",

address = "Finland",

school = "Aalto University",

}

TY - BOOK

T1 - Estimation Methods for Grid-Voltage Sensorless Control of Converters Equipped with an LCL Filter

AU - Kukkola, Jarno

PY - 2016

Y1 - 2016

N2 - Grid-connected three-phase power electronic converters, equipped with an inductor-capacitor-inductor (LCL) filter, are widely used in energy production and consumption. The LCL filter effectively attenuates the switching harmonics of the converter; however, a drawback of the filter is its resonating behavior. The resonance can be damped by means of converter control, and the damping becomes easier and more effective, if the states of a dynamic full-order LCL-filter model are known (measured or estimated). The grid voltage is typically measured for converter control, but replacing voltage sensors with estimation may reduce system costs at low power ratings. Alternatively, a voltage estimation in parallel with the measurement increases system reliability. This thesis proposes estimation methods for grid-voltage sensorless control of converters equipped with an LCL filter. Only the converter AC currents and the DC-link voltage are measured for the control system. An adaptive observer is proposed for a combined state and grid-voltage estimation based on the full-order LCL-filter model. For unbalanced grid conditions, the observer is augmented with a disturbance model for the negative-sequence grid-voltage component. The nonlinear estimation-error dynamics of the observer are linearized and theoretically analyzed. The proposed observer is experimentally tested as a part of a grid-voltage sensorless control system, where the estimated states are applied in state-space current control. Based on the linearized dynamics, an analytic design procedure is presented for the observer in the continuous and discrete-time domains. The design procedure retains a link between the observer gains and dynamic performance, thus resulting in symbolic expressions for the gains as a function of the performance specifications and LCL-filter model parameters. The proposed observer can estimate the grid-voltage magnitude, frequency, and angle. In unbalanced grid conditions, the augmented observer can also estimate the negative-sequence component of the grid voltage. Estimated quantities can be used in the converter control system. The analytic design procedure enables the proposed estimation methods to be applied with different converters and LCL filters and further enables automatic tuning of the methods, for example, at the converter startup. The proposed methods can be applied, for example, in active-front-end rectifiers of motor drives or solar inverters.

AB - Grid-connected three-phase power electronic converters, equipped with an inductor-capacitor-inductor (LCL) filter, are widely used in energy production and consumption. The LCL filter effectively attenuates the switching harmonics of the converter; however, a drawback of the filter is its resonating behavior. The resonance can be damped by means of converter control, and the damping becomes easier and more effective, if the states of a dynamic full-order LCL-filter model are known (measured or estimated). The grid voltage is typically measured for converter control, but replacing voltage sensors with estimation may reduce system costs at low power ratings. Alternatively, a voltage estimation in parallel with the measurement increases system reliability. This thesis proposes estimation methods for grid-voltage sensorless control of converters equipped with an LCL filter. Only the converter AC currents and the DC-link voltage are measured for the control system. An adaptive observer is proposed for a combined state and grid-voltage estimation based on the full-order LCL-filter model. For unbalanced grid conditions, the observer is augmented with a disturbance model for the negative-sequence grid-voltage component. The nonlinear estimation-error dynamics of the observer are linearized and theoretically analyzed. The proposed observer is experimentally tested as a part of a grid-voltage sensorless control system, where the estimated states are applied in state-space current control. Based on the linearized dynamics, an analytic design procedure is presented for the observer in the continuous and discrete-time domains. The design procedure retains a link between the observer gains and dynamic performance, thus resulting in symbolic expressions for the gains as a function of the performance specifications and LCL-filter model parameters. The proposed observer can estimate the grid-voltage magnitude, frequency, and angle. In unbalanced grid conditions, the augmented observer can also estimate the negative-sequence component of the grid voltage. Estimated quantities can be used in the converter control system. The analytic design procedure enables the proposed estimation methods to be applied with different converters and LCL filters and further enables automatic tuning of the methods, for example, at the converter startup. The proposed methods can be applied, for example, in active-front-end rectifiers of motor drives or solar inverters.

KW - adaptive observer

KW - grid-connected converter

KW - identification

KW - LCL-filter

KW - linearized models

KW - sensorless

KW - state-space control

KW - voltage estimation

KW - adaptiivinen havaitsija

KW - anturiton

KW - identifiointi

KW - jännitteen estimointi

KW - LCL-suodatin

KW - linearisoidut mallit

KW - tilasäätö

KW - verkkosuuntaaja

KW - adaptive observer

KW - grid-connected converter

KW - identification

KW - LCL-filter

KW - linearized models

KW - sensorless

KW - state-space control

KW - voltage estimation

M3 - Doctoral Thesis

SN - 978-952-60-7180-0

T3 - Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS

PB - Aalto University

ER -

Estimation Methods for Grid-Voltage Sensorless Control of Converters Equipped with an LCL Filter

Abstrakti

Tutkimusalat

Pääsy asiakirjaan

Sormenjälki

Palkinnot

Aalto University Doctoral Thesis Award 2018

Siteeraa tätä