Synchronizacja przekształtników energoelektronicznych w obecności zakłóceń sieci

Synchronizacja przekształtników energoelektronicznych w obecności zakłóceń sieci Synchronisation of power inverters during grid faults Dariusz Zieliński Department of Electrical Drives and Electrical Machines Lublin University of Technology Opiekun naukowy: dr hab. inż. Wojciech JARZYNA, prof. PL 1/40

Plan of presentation Presentation of the area of research interest Definition of the research problem Presentation of the research workshop: Hardware part Software part Methods to solve the research problem Conclusions Statment the research problems and PhD hypothesis 2/40

Plan of presentation Presentation of the area of research interest Definition of the research problem Presentation of the research workshop: Hardware part Software part Methods to solve the research problem Conclusions 3/40

The grid converter the key element in grid integration of WT and PV systems 4/40

Grid Power Converter Topology Selection 5

Grid requirements for WT systems Current requirements: Active Power Control in Normal Operation Reactive Power Control in Normal Operation Frequency and Voltage Deviation under Normal Operation Behaviour under Grid Disturbance: VRT, LVRT, HVRT, RCI, WPP U(p.u.) 1.0 Future Trends: 0.9 ENTSO-e 0.8 Local Voltage Control 0.7 Inertia Emulation 0.6 0.5 Power Oscillation Dumping 0.4 0.3 0.2 0.15 0.1 0.05 0. 0 0.4 1 1.5 2 3 4 time (s) 6/40 PL

Plan of presentation Presentation of the area of research interest Definition of the research problem Presentation of the research workshop: Hardware part Software part Methods to solve the research problem Conclusions 7/40

Definition of the research problems Methods of synchronisation Problems of synchronisation The genesis of interference in the inverter control systems Example of voltage notching contamination Synchronization PLL signal 8/40

The Arctg theta angle symulator U a + U b + U c = 0 U α = U a U β = U a + 2U b 3 U = U α 2 + U β 2 Method using filtering on αβ stationary frame RF- Resonant filters θ = tan 1 U α U U β U U d = U α cos θ + U β sin θ U q = U α sin θ + U β cos θ U α = U d cos θ + U q sin θ U β = U d sin θ + U q cos θ Method using filtering on the dq synchronous rotating frame DSC-Digital low pass filters 9/40

The Decoupled Double Synchronous Reference Frame (DDSRF-PLL) LPF(s) = ω f s+ω s 10/40

Basic transformations operation in steady state conditions 11/40

Basic transformations 3rd harmonic signal contamination 12/40

Basic transformations Basic transformations 3rd harmonic signal contamination and PLL error 13/40

Basic transformations operation without PLL signal 14/40

Direct power control based on the active and reactive power calculations with modulator 15/40

PQ closed-loop voltage oriented control based on the synchronous dq frame 16/40

Decoupling control system 17/40

Power and currents on inverter output Current measured at the terminals of the inverter The error of active and reactive power during disturbance Comparison of THD current factors during normal operation and disturbance Synchronisation PLL signal 18/40

Plan of presentation Presentation of the area of research interest Definition of the research problem Presentation of the research workshop: Hardware part Software part Methods to solve the research problem Conclusions 19/40

Research Workshop Power Grid Emulator Three-level auxiliary rectifier IGBTs drivers Three-level main inverter Models of control inverter and rectifier PLL synchronisation models 20/40

Hardware and software emulator of power grid 21/40

Photograph of the laboratory emulator 1) Emulator of power grid 2) Tested power inverter 22/40

Auxiliary half bridge power modules Fiber optic control Water cooling system Parallel operations capability Short circuit protection Handled power 15kW per phase 23/40

Isolated IGBT drivers with short circuit protection system Fully isolated Fibre optic coupling method Over-voltage protection Short-circuit protection Capability to handle high power IGBT modules 24

Main Half bridge power modules Fiber optic control Short circuit capabilty 3 x In - 100ms Short circuit protection Handled power 25kW per phase 25

Aauxiliary devices DC bus with current filter and soft-start capacitors charging system Hall effect - voltage transducers Three phase switchable RL load Wind power plant emulator Power breakers and fuses 26/40

Direct Power Control Simulink Models 27/40

DDSRF-PLL Block Simulink Models 28/40

Three Level SVM Six regions 27 sectors The nearest triangle method 29/40

xamples of the work results of the inverter The amplitude of the voltage during the inverter test The error of active and reactive power during disturbance Power output factor of the power converter during Current measured at the terminals of the inverter the disturbance 30/40

Plan of presentation Presentation of the area of research interest Definition of the research problem Presentation of the research workshop: Hardware part Software part Methods to solve the research problem Conclusions 31/40

Solving the research problem: Prefiltration of current and voltage signals in a stationary αβ frame Double synchronisation system Application of nonlinear controllers 32/40

STEP 1: Alpha-Beta HSF Prefiltering H s = x αβ(s) x αβ = k s + k + jω c (s + k) 2 +ω c 2 x α s = K s x α s x α s ω c s x β(s) Bode plot of HSF filter x β s = K s x β s x β s ω c s x α(s) 33/40

STEP 2: Double PLL systems Basic Phase-Locked Loop Three-phase SRF PLL One-phase SRF PLL 34/40

STEP 3: Nonlinear regulators PI algorithm with Anti-Windup Anti-Windup step response PI algorithm with conditional integrator (PIcI) PIcI step response 35/40

Output current of the inverter when voltage dips to 0.2 pu. Integral absolute error of the inverter current during disturbance PI algorithm with Anti-Windup PI algorithm with conditional integrator PIcI 36/40

Conclusions 1) Prefiltracja skutecznie niweluje zakłócenia symetryczne takie jak karby, przepięcia i wyższe harmoniczne. 2) Wprowadzenie nieliniowych algorytmów PI do torów sterowania prądem przekształtnika znacząco poprawia dynamikę podczas zakłóceń takich jak zrzut mocy czy zapady napięć. 3) Podwojenie synchronizacji wygładza kąt synchronizacji co znacząco wpływa na jakość energii oddawanej do sieci przez przekształtnik. 4) Emulacja sprzętowa sieci zwiększa niezawodność projektowanych przekształtników i pozwala wykryć problemy niestabilności. 37/40

Research objectives 1) Celem badawczym jest analiza zjawiska przenoszenia się zakłóceń pochodzących z sieci sztywnej na sterowanie przekształtników VOC i DPC. 2) Eliminacja niepożądanych zakłóceń poprzez zastosowanie prefiltracji sygnałów wejściowych i modyfikację sterowania. 3) Określenie wpływu poprawnej synchronizacji na jakość mocy wydawanej przez przekształtnik do sieci 38/40

Research objectives not yet achieved 1) Badanie wpływu zaburzeń niesymetrycznych na pracę przekształtników o sterowaniu wektorowym 2) Poprawa stabilności pracy przekształtników o sterowaniu VOC i DPC przy wystąpieniu zakłóceń symetrycznych. 39/40

40

Proponowany tytuł rozprawy doktorskiej: Synchronizacja przekształtników energoelektronicznych w obecności zakłóceń sieci Synchronisation of power inverters during grid faults Proponowana teza rozprawy doktorskiej: Zastosowanie algorytmów synchronizacji, które są odporne na zakłócenia w sieci oraz charakteryzują się wysoką dynamiką pracy, poprawia jakość generowanego napięcia w trakcie trwania stanów nieustalonych oraz ogranicza niepożądane przepływy mocy. 41