Vodenje trifaznega usmernika s korekcijo faktorja moči v veternih

turbinah

AALBORG UNIVERSITYAALBORG UNIVERSITYINSTITUTE OF ENERGY TECHNOLOGYINSTITUTE OF ENERGY TECHNOLOGY

UNIVERSITY OF MARIBORUNIVERSITY OF MARIBORINSTITUTE OF ROBOTICSINSTITUTE OF ROBOTICS

Evgen UrlepEvgen Urlep April, 2003

Diplomsko deloDiplomsko delo

Vsebina

Uvod Modeliranje in analiza Načrtovanje LCL filtra Načrtovanje regulatorja Simulacija in implementacija Zaključek

Uvod

Tipi veternih turbin S horizontalno osjo Z vertikalno osjo

Delovanje WTG Konstantna hitrost – konstantna

frekvenca Spremenljiva hitrost – konstantna

frekvenca

Definicija naloge

 

Nazivna moč 11kW

Nazivni mrežni tok 16A

Mrežna fazna napetost (rms)

230V

Mrežna frekvenca 50Hz

Nazivna napetost UDC 700V

Nazivni tok DC 17A

Nazivne vrednostiNazivne vrednosti

• povezavi na mrežopovezavi na mrežo

• samostojnosamostojno

Načrtovanje in implementacija vodenja Načrtovanje in implementacija vodenja trifaznegatrifaznega DC/AC DC/AC pretvornikapretvornika WTG WTG v v

Električna konfiguracija sistema

CDC

IV

IU

IG v

UVW

UUV

LCL filter

UDC

DSPACE 1103

IW

r

IACG

G IACG

IDC

su,sv,sw

Ur

IACG u

w

LG

CF

LI

RD

VC VLT

Blokovna shema sistema

IM 15kW 1500rp

m

TM*

sa,sb,sc

VLT 5022

SCALAR CONTROL

3x400V/50Hz GRID

IG 11kW 1000rp

m

VLT 5022

VECTOR CONTROL

VLT 5022

POWER STAGE

LCL filter

CDC

C

iA,B,C

uA,B,C

UD

C

D A D

A

D A

D A

D A

D A

SVM

Data acquisition

& transformati

D

A

COMBINED CONVERTER CONTROL

uq*

P*

Generator control

Te

Grid connected

AR control

Standalone

control

Main control

UDC*

UDC

Udq

Idq

UAC*

UDC*

Udq

Idq

ud*

?*

Trifazni usmernik s korekcijo PF

LCL filter

LG

CF

LI

ua

ub

uc

CDC

iDC

IACG

UDC

Bridge converter DC-side AC-side Grid

uIa

uIb

uIc

IG

RD

IGG

G uiRdt

idLu

RL-filterRL-filter

)3

4cos(

)3

2cos(

)cos(

tEu

tEu

tEu

mc

mb

ma

DCDCGDC ii

dt

duC

ccbbaaDC SiSiSii

RL filter v d-q koordinatah

uId

GL

id

Ls+R 1

GL

iq

Ls+R 1

uIq

uGd

uGq

Iq

Id

Gq

Gd

Gq

Gd

Gq

Gd

u

u

i

i

L

L

i

i

dt

dL

u

u

0

0

IG

G udt

idLu

Struktura usmernika s korekcijo PF

uId

GL

id

Ls+R 1

GL

iq

Ls+R 1

uIq

uGd

uGq

id*

GL

uId*

PI reg.

GL

iq*

id

iq

uGd

uGq

uIq*

PI reg.

Controller Plant

Struktura usmernika s korekcijo PF

CD

C

UY

u

sa,sb,sc VLT 5022

POWER STAGE

LCL

filter

iA,B,C

IACG uA,B,C

IACG

UDC

D

A

D

A

D

A

SVM

2

3

PLL UX

u IACG

dq

ab

cc

-L

L

ud

u IACG

id

u IACG

iq

u IACG

iq*=0

u IACG

UDC*

*

u IACG

id*

u IACG

VDC controller

vq

u IACG

vd

u IACG

ud*

u IACG

uq*

u IACG

id controller

iq controller uq

GRID

filter

Mrežna Mrežna priključitevpriključitev

Načrtovanje tokovnega regulatorja

sLLsLLCRsCLL

sCR

su

sisG

GIGIFDFGI

FD

I

G

)()(

1

)(

)()(

23

s

sGzzG

)()1()( 1

KLK tokovnega reg.

Root Locus

Real Axis

Imag

Axi

s

-1 -0.5 0 0.5 1-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0.90.80.70.60.50.40.30.20.1

1.57e4

1.41e4

1.26e4

1.1e4

9.42e37.85e3

6.28e3

4.71e3

3.14e3

1.57e3

1.57e4

1.41e4

1.26e4

1.1e4

9.42e37.85e3

6.28e3

4.71e3

3.14e3

1.57e3

System: fo Gain: 4.8

Pole: 0.511 + 0.301i Damping: 0.7

Overshoot (%): 4.6 Frequency (rad/sec): 3.73e+003

Bode Diagram

Frequency (Hz)

Pha

se (

deg)

Mag

nitu

de (

dB)

-20

-15

-10

-5

0

5

System: fz Frequency (Hz): 674

Magnitude (dB): -3.06

101

102

103

-360

-270

-180

-90

0

System: fz Frequency (Hz): 208 Phase (deg): -45.5

-2 0 2 4 6 8

x 10-3

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

time (s)

i (A

)

Kp=4.8

Ti=8 ms

Načrtovanje napetostnega regulatorja UDC

)1()()()(

0

sTsC

eKsHsHsH

eiDC

sDC

IDCO

kDC=0.7, Tet=4.8ms Sf

10

02.04 0 etI TT

47.0)(2 0

etDC

DCP TK

CK

CDC>>(Tei+0), simetrični optimum

KLK in bodejev diagram

Root Locus

Real Axis

Imag

Axi

s

-200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

400

300

200

100

400

300

200

100

0.8

0.54

0.38 0.26 0.19 0.13 0.085 0.04

0.8

0.54

0.38 0.26 0.19 0.13 0.085 0.04

System: fo Gain: 0.35 Pole: -55.1 + 90.6i Damping: 0.52 Overshoot (%): 14.8 Frequency (rad/sec): 106 System: fo

Gain: 0.469 Pole: -66 - 123i Damping: 0.473

Overshoot (%): 18.6 Frequency (rad/sec): 140

Bode Diagram

Frequency (rad/sec)

Pha

se (

deg)

Mag

nitu

de (

dB)

-40

-30

-20

-10

0

10

System: fz Frequency (rad/sec): 178 Magnitude (dB): -3.01

101

102

103

-180

-135

-90

-45

0

System: fz Frequency (rad/sec): 82.3 Phase (deg): -45

Kp=0.35

Ti=20 ms

Struktura samostojnega razsmernika

RazsmerniRazsmernikk

Načrtovanje napetostnega regulatorja

GGDFGIDFGGDFIGFI

GGDF

I

G

ZZRCLLsRCLZRCLsLCL

ZsZRC

u

u

)())(( 2

KLK

Root Locus

Real Axis

Imag

Axi

s

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0.90.80.70.60.50.40.30.20.1

1.57e4

1.41e4

1.26e4

1.1e4

9.42e37.85e3

6.28e3

4.71e3

3.14e3

1.57e3

1.57e4

1.41e4

1.26e4

1.1e4

9.42e37.85e3

6.28e3

4.71e3

3.14e3

1.57e3

System: fo Gain: 0.323

Pole: 0.393 + 9.61e-009i Damping: 1

Overshoot (%): 0 Frequency (rad/sec): 4.67e+003

Bode Diagram

Frequency (Hz)

Pha

se (

deg)

Mag

nitu

de (

dB)

-25

-20

-15

-10

-5

0

System: fz Frequency (Hz): 246 Magnitude (dB): -3.02

102

103

-360

-270

-180

-90

0

System: fz Frequency (Hz): 131 Phase (deg): -44.8

Kp=0.1 Ti=0.29 ms

Bode Diagram

Frequency (Hz)

Pha

se (

deg)

Mag

nitu

de (

dB)

-25

-20

-15

-10

-5

0 System: fz

Frequency (Hz): 1.64e+003 Magnitude (dB): -9.33

102

103

-360

-270

-180

-90

0

System: fz Frequency (Hz): 76.5 Phase (deg): -45.2

1% breme

nazivno breme

Hzfbw 76

Omejevalnik napetosti enosmerne zbiralke

)1()()()(

0

sTsC

eKsHsHsH

etDC

sO

IDCO

483.07.05.14

11 DC

GO K

ZK

Tet=2.1ms, 0=0.2ms

msTT etI 092.04 0

CDC>>(Tei+0), simetrični optimum

KLK

Root Locus

Real Axis

Imag

Axi

s

-450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

1e+003

800

600

400

200

1e+003

800

600

400

200

0.8

0.56

0.4 0.28 0.2 0.14 0.09 0.04

0.8

0.56

0.4 0.28 0.2 0.14 0.09 0.04

System: fo Gain: 0.787 Pole: -130 + 201i Damping: 0.543 Overshoot (%): 13.1 Frequency (rad/sec): 239

Bode Diagram

Frequency (Hz)

Pha

se (

deg)

Mag

nitu

de (

dB)

-20

-15

-10

-5

0

5

System: fz Peak gain (dB): 4.1 At frequency (Hz): 30.5

101

102

-180

-135

-90

-45

0 System: fz Frequency (Hz): 29.3 Phase (deg): -45.1

Kp=0.79 Ti=0.092 ms

Omejevalnik napetosti UDC

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8700

710

720

730

740

750

760

duty__cycle

Udc [

V]

UCHOPP MIN

UCHOPP MAX

UDC MAX

max__

__ dUU

UUcycleduty

MINCHOPPMAXCHOPP

MINCHOPPDC

DC

BRnom

U

Ucycleduty _

RDC

Model LCL filtra

LG LI

uI uG

iI iG

CF

RD

b)

iC

uC

GIG

GII

izizu

izizu

2221

1211

DF

DF

G

DF

DF

I

RsC

zRsC

sLz

RsC

zRsC

sLz

1),

1(

)1

(,1

2122

1211

uI

LIs 1

LGs 1

CFs 1

+RD

uG

iG iI

uC

Načrtovanje LCL filtraBode Diagram

Frequency (Hz)

Pha

se (

deg)

Mag

nitu

de (

dB)

-40

-30

-20

-10

0

10

20

102

103

-90

-60

-30

0

undamped LCL

damped LCL

L

LI [mH] 1.25

LG [mH]

1.5

CF [F] 6

RD [] 4

QQcc<5%<5%

ZZTT<10%Z<10%Zbb

resres<0.5<0.5swsw

)(

)()(

su

sisH

I

I

%10)(

)(

swI

swI

u

i

%20)(

)(

swI

swG

i

i

Znižanje valovitosti izhodnega toka

0.1 0.105 0.11 0.115 0.12 0.125 0.13 0.135 0.14

-20

-10

0

10

20

ii [A

]

0.1 0.105 0.11 0.115 0.12 0.125 0.13 0.135 0.14

-20

-10

0

10

20

ig [

A]

t [s]

Detekcija kota napetosti

x

y

u

u1tan

)sin(22

)sin(yx

y

uu

u

22)cos(

yx

x

uu

u

Kp=80 Ti=1 s

Simulacija usmernika s korekcijo PF

Simulacija v stacionarnem stanju

0.1 0.105 0.11 0.115 0.12 0.125 0.13 0.135 0.14

-30

-20

-10

0

10

20

30

t [s]

ia [

A]

ua/1

0 [V

]

0.1 0.105 0.11 0.115 0.12 0.125 0.13 0.135 0.14

-30

-20

-10

0

10

20

30

t [s]

ia [

A]

ua/1

0 [V

]

Mrežna Mrežna priključitevpriključitev

Generatorski načinGeneratorski način

Idealna fazna napetostIdealna fazna napetost 2% 52% 5thth + 1% 7 + 1% 7thth harmonske vsebineharmonske vsebine

Simulacija samostojnega razsmernika

Simulacija v stacionarnih razmerah

0.1 0.105 0.11 0.115 0.12 0.125 0.13 0.135 0.14

-30

-20

-10

0

10

20

30

t [s]

ia [

A]

ua/1

0 [V

]

0.1 0.105 0.11 0.115 0.12 0.125 0.13 0.135 0.14

-300

-200

-100

0

100

200

300

t [s]

ua,u

b,uc

[V

]

Fazne napetosti in tok na bremenu ob nazivni obremenitvi

Samostojni razsmernikSamostojni razsmernik

Simulacija prehodnega pojava

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04

-300

-200

-100

0

100

200

300

t [s]

ua,u

b,uc

[V

]

0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14

-30

-20

-10

0

10

20

30

t [s]

ia [

A]

ua/1

0 [V

]

Samostojni razsmernikSamostojni razsmernik

StartStart Stopnica iz polovične obremenitve na nazivnoStopnica iz polovične obremenitve na nazivno

Implementacija

IM 15kW 1500rp

m

TM*

sa,sb,sc

VLT 5022

SCALAR CONTROL

3x400V/50Hz GRID

IG 11kW 1000rp

m

VLT 5022

VECTOR CONTROL

VLT 5022

POWER STAGE

LCL filter

CDC

C

iA,B,C

uA,B,C

UD

C

D A D

A

D A

D A

D A

D A

SVM

Data acquisition

& transformati

D

A

DSPACE 1103

uq*

P*

Generator control

Te

Grid connected

AR control

Standalone

control

Main control

UDC*

UDC

Udq

Idq

UAC*

UDC*

Udq

Idq

ud*

?*

dSPACE 1103dSPACE 1103 MPPC 604e at 633MhzMPPC 604e at 633Mhz TMS320F240TMS320F240 16xADC-16 416xADC-16 4s ±10Vs ±10V 44xxADC-12 800 ns ADC-12 800 ns 10V 10V 88xxDAC-14 bit -6 µs DAC-14 bit -6 µs 1010 7x IE interface7x IE interface 32xI/032xI/0 TDE softwareTDE software

Implementacija

Kombinirano vodenje

ControlDesk

Stacionarno delovanjeMrežno delovanjeMrežno delovanje

Measured conditions

UDC=650V UAC=220V

P=11.28kW

PF=0.998

ITHD=6.7% UTHD=2%

Usmerniško delovanjeUsmerniško delovanje Generatorsko delovanjeGeneratorsko delovanje

Prehodni pojavMrežno delovanjeMrežno delovanje

Start sistema ob nazivni obremenitviStart sistema ob nazivni obremenitviOdziv na motnjoOdziv na motnjo

Stacionarno delovanjeSamostojno delovanjeSamostojno delovanje

Ohmsko bremeOhmsko breme

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

Ua,

Ub,

Uc

[V]

t [s]

UaUbUc

Ua Ub Uc

Measured conditions

UDC=700 V UAC=230 V

P=11 kW IAC=16.4 A

ITHD=3.4 % UTHD=3.4 %

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-30

-20

-10

0

10

20

30

ia,ib

,ic [

A]

t [s]

iaibic

ic ib ia

Stacionarne razmereSamostojno delovanjeSamostojno delovanje

3-3-faznifazni diodnidiodni usmernikusmernik

Measured conditions

UDC=700 V UAC=230 V

P=11 kW IAC=16.6 A

ITHD=25 % UTHD=10 %

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

Ua

[V]

t [s]0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

ia [

A]

t [s]

Prehodni pojav

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5580

600

620

640

660

680

700

720

740

Udc*,

Udc [

V]

t [s]

Udc

Udc*

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

50

100

150

200

250

300

350

Ud*,

Ud [

V]

t [s]

Samostojno delovanjeSamostojno delovanje

Polna obremenitev Polna obremenitev ob polovični dovodni ob polovični dovodni močimoči

Prehodni pojavSamostojno delovanjeSamostojno delovanje

Start v kratkem Start v kratkem stikustiku

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 10-3

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ia,ib

,ic [

A]

t [s]

iaibic

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 10-3

-50

0

50

100

150

200

250

300

Ud*

,Ud

[V]

t [s]

Ud*Ud

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 10-3

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

id [

A]

t [s]

uG 500F 32

Avtomatska sprememba načina delovanja

mirovanjemirovanje

Mrežno delovanjeMrežno delovanjeSamostojno delovanjeSamostojno delovanje

I-SAI-SAI-GMI-GM

GM-IGM-I SA-ISA-I

GM-SAGM-SAI-GM:UI-GM:UGG inin /PLLe /PLLe inin /TRIP /TRIP inin START STARTI-SA:/UI-SA:/UGG inin /TRIP /TRIP inin START STARTGM-I: TRIP GM-I: TRIP aliali STOP STOPSA-I: TRIP SA-I: TRIP aliali STOP STOP aliali PLLe PLLeGM-SA: PLLeGM-SA: PLLe

-0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

Ua,

Ub,

Uc

[V]

t [s]

UaUbUc

Preklop iz mrežnega delovanja v samostojno delovanje

-0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

ia,ib

,ic [

A]

t [s]

iaibic

-0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

ethe

ta,

PLL

e

t [s]

ethetaPLLe

Nazivno bremeNazivno breme

Preklop iz samostojnega delovanja v mrežno delovanje

-0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

Ua,

Ub,

Uc

[V]

t [s]

UaUbUc

-0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ia,ib

,ic [

A]

t [s]

iaibic

-0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

ethe

ta,

PLL

e

t [s]

ethetaPLLe

dt

tdiLtu

L

L

)()(

Zaključek Vektorsko krmiljenje DC/AC pretvornika z

enotnim faktorjem moči je bilo uspešno načrtovano, simulirano,vgrajeno in preizkušeno.

Načrtan je bil LCL filter, vgrajen in preizkušen Vgrajeni sta dve različni strategiji vodenja Uporabljen je splošni pristop k načrtovanju

regulatorjev in njihovih parametrov Detekcija kota mrežne napetosti je izvedena s

PLL zanko Dve različni strategiji vodenja sta vgrajeni in

preizkušeni s pomočjo dSPACE razvojnega sistema

Možna je avtomatska detekcija ustrezne strategije vodenja in preklop med njima.