Date of Award

11-2022

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Electrical Engineering (MSEE)

Department

Electrical and Communication Engineering

First Advisor

Rachid Errouissi

Abstract

A three-phase controlled rectifier is a power electronic converter that employs the grid voltages as an input to produce a constant dc voltage at its output through the use of a capacitor, known as dc-link capacitor. However, the switching devices of power converters can create harmonics in the grid current, which mandates the need for filters to ensure high-quality grid current. This explains why the power converter is normally connected to the grid using passive filters such as L filter or LCL filter. The L filter is normally preferred over LCL filter to reduce harmonic distortions in grid currents as it can offer better stability margin and it requires less-complex controllers. When operating under unbalanced grid voltages, the rectifier can face challenges in maintaining ripple-free dc-link voltage due the instantaneous power ripples. Indeed, unbalance in grid voltages can cause the instantaneous power delivered by the host grid to include double fundamental frequency oscillations. These oscillations can be viewed as a periodic exchange of the energy delivered by the host grid with the energy stored in the inductor's filter and/or the dc-link capacitor. Therefore, if a part of this periodic exchange of energy takes place between the host grid and the dc-link capacitor, then, the dc-link voltage will eventually include an ac signal that oscillates with twice the grid frequency. Driven by this observation, ripple-free dc-link voltage requires the entire periodic energy to be exchanged only between the host grid and the inductor's filter; there should be no periodic exchange of the energy delivered by the grid with the energy stored in the dc-link capacitor. When it does so, only the dc component of the grid-side power is delivered to the dc-link capacitor, which can guarantee ripple-free dc-link voltage. This can be achieved by setting the grid currents to follow appropriate sinusoidal and unbalanced current references. These current references can be used to compute the active and reactive power commands to be delivered by the grid with a view to achieve the task of ripple-free dc-link voltage under unbalanced grid voltages. It turns out that the active and reactive powers to be delivered by the host grid should include double fundamental frequency oscillations around a dc component to eliminate the dc voltage ripples. Thus, under unbalanced grid voltages, advanced control techniques are required to allow the currents and the active and reactive powers to accurately and robustly track their sinusoidal references. This thesis presents the design and experimental validation of a robust control strategy for both the current control scheme and the power control scheme. The proposed controller is based on combining a state-feedback controller with a disturbance observer. The feedback controller is used to stabilize the closed-loop system, while the disturbance observer is employed to compensate for the effect of model uncertainties considering the oscillatory behavior of disturbances under unbalanced grid voltages. Various simulation and experimental tests were conducted to validate the performances of the proposed control technique. The obtained results show that both power control scheme and current control scheme are able to achieve accurate tracking of sinusoidal references under both balanced and unbalanced grid conditions. The accurate tracking of the power/current references under the composite controller was effective in eliminating steady-state error and dc voltage ripples under both balanced and unbalanced grid voltages.

Arabic Abstract


التحكم القائم على مراقبة الاضطرابات لمقومات PWM بدون تذبذبات جهد التيار المستمر في ظل ظروف الشبكة الكهربائية غير المتوازنة

المقوم المتحكم به ثلاثي الطور هو محول إلكتروني للطاقة يستخدم الفولتية الشبكية كمدخل لإنتاج جهد ثابت للتيار المستمر عند خروجه من خلال استخدام مكثف، يُعرف باسم مكثف رابط التيار المستمر. ومع ذلك، يمكن لأجهزة محولات الطاقة إنشاء اضطرابات في التيار المدخل بواسطة مقومات تعديل عرض النبضة، والتي تتطلب الحاجة إلى المرشحات لضمان تيار شبكة كهربائية عالي الجودة. هذا ما يفسر سبب توصيل محول الطاقة عادة بالشبكة من خلال استخدام المرشحات مثل محث 𝐿 أو محث 𝐿𝐶𝐿. يُفضل عادةً استخدام محث 𝐿 على محث 𝐿𝐶𝐿 لتقليل التشوهات التوافقية في التيارات الشبكة الكهربائية حيث يمكن أن توفر هامش استقرار أفضل وتتطلب وحدات تحكم أقل تعقيداً. عند العمل في ظل الفولتية غير المتوازنة للشبكة، يمكن أن يواجه المقوم تحديات في تحقيق تيار مستمر خالٍ من التموج والاضطرابات بسبب تموجات الطاقة اللحظية. في الواقع، يمكن أن يؤدي عدم الاتزان في جهد الشبكة إلى أن تتضمن الطاقة الآنية التي توفرها الشبكة المضيفة تذبذبات بتردد مزدوج. يمكن النظر إلى هذه التذبذبات على أنها تبادل دوري للطاقة التي توفرها الشبكة المضيفة مع الطاقة المخزنة في مرشح الحث و/ أو المكثف. لذلك، إذا حدث جزء من هذا التبادل الدوري للطاقة بين الشبكة المضيفة والمكثف، فإن جهد التيار المستمر سيشمل في النهاية إشارة تيار متردد تتأرجح بضعف تردد الشبكة. بناءً على هذه الملاحظة، يتطلب جهد التيار المستمر الخالي من التموج تبادل الطاقة الدورية بأكملها بين الشبكة المضيفة ومرشح المحرِّض؛ يجب ألا يكون هناك تبادل دوري للطاقة التي توفرها الشبكة والطاقة المخزنة في المكثف. عندما يفعل ذلك، يتم تسليم الطاقة النشطة الثابتة (المكون الثابت) فقط إلى المكثف، والذي يمكن أن يضمن جهداً ثابتاً للتيار المستمر. يمكن تحقيق ذلك عن طريق ضبط التيارات الشبكية لتتبع مراجع التيار المناسبة. يمكن استخدام هذه المراجع الحالية لحساب القوى النشطة والتفاعلية التي سيتم تسليمها بواسطة الشبكة بهدف تحقيق مهمة جهد التيار المستمر الخالي من التموج تحت الفولتية غير المتوازنة للشبكة. اتضح أن القوى النشطة والمتفاعلة التي سيتم تسليمها بواسطة الشبكة المضيفة يجب أن تتضمن تذبذبات تردد أساسية مزدوجة حول المكون الثابت للتيار المستمر للقضاء على تموجات جهد التيار المستمر. وبالتالي، في ظل الفولتية غير المتوازنة للشبكة، يلزم وجود تقنيات تحكم متقدمة للسماح للتيارات والقوى النشطة والمتفاعلة بتتبع مراجعها الجيبية بدقة وبقوة. تقدم هذه الأطروحة التصميم الاختبارات التجريبية من إستراتيجية تحكم قوية لكل من مخطط التحكم بالتيار ونظام التحكم في الطاقة. تعتمد وحدة التحكم المقترحة على الجمع بين وحدة تحكم ردود الفعل بالحالة ومراقب الاضطراب. يتم استخدام وحدة التحكم في التغذية المرتدة لتثبيت نظام الحلقة المغلقة، بينما يتم استخدام مراقب الاضطراب للتعويض عن تأثير عدم اليقين في النموذج مع الأخذ في الاعتبار سلوك التذبذب للاضطرابات تحت جهد الشبكة غير المتوازن. تم إجراء اختبارات محاكاة واختبارات عملية مختلفة للتحقق من أداء تقنية التحكم المقترحة. تظهر النتائج التي تم الحصول عليها أن كلاً من مخطط التحكم في الطاقة ونظام التحكم فالتيار قادران على تحقيق تتبع دقيق للمراجع الجيبية في ظل ظروف الشبكة المتوازنة وغير المتوازنة. كان التتبع الدقيق لمراجع الطاقة/التيار تحت وحدة التحكم المركبة فعالاً في القضاء على خطأ الحالة المستقرة والتموجات في جهد وصلة التيار المستمر.

Download
COinS