Ανάλυση, Υλοποίηση Και Πειραματική Αξιολόγηση Συστημάτων Ελέγχου Για Έναν Πολυεπίπεδο Μετατροπέα Βαθμίδων (modular Multilevel Converter)

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με συστήματα ελέγχου και τεχνικές διαμόρφωσης για έναν Πολυεπίπεδο Μετατροπέα Βαθμίδων (Modular Multilevel Converter). Κάποιες απλές και πιο σύνθετες δομές αναλύονται, υλοποιούνται και επαληθεύονται πειραματικά σε ένα πρωτότυπο ισχύος 10 kVA. Ο στόχος είναι η βελτίωση της συνολικής συμπεριφοράς του συστήματος, από την άποψη της ποιότητας ισχύος και ευστάθειας σε μόνιμη κατάσταση λειτουργίας και σε μεταβατικές συνθήκες. Αρχικά, ένα ευθύ σχήμα διαμόρφωσης παρουσιάζεται και τα προβλήματά του αναγνωρίζονται. Έπειτα, πιο σύνθετα καινοτόμα συστήματα ελέγχου περιγράφονται θεωρητικά, με χρήση ενός μαθηματικού μοντέλου συνεχούς χρόνου, στο οποίο τα modules του κάθε arm αναπαριστώνται ως μεταβλητές πηγές τάσης. Η βασική ιδέα είναι να χρησιμοποιηθεί η μετρώμενη ή εκτιμώμενη ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στους πυκνωτές των modules, έτσι ώστε το σύστημα να γίνει ευσταθές. Αυτό επιτυγχάνεται κυρίως μέσω του ελέγχου του ανακυκλούμενου ρεύματος. Τα αποτελέσματα χρησιμοποιούνται έπειτα για σύγκριση με ένα λεπτομερές μοντέλο διακριτού χρόνου, σύμφωνα με τις παραμέτρους του πρωτοτύπου, στο οποίο λαμβάνονται υπόψιν και όλα τα φαινόμενα διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM). Πραγματοποιούνται προσομοιώσεις και εξάγονται χρήσιμα συμπεράσματα, σχετικά με την ακρίβεια του συνεχούς μοντέλου και την αποτελεσματικότητα των ελεγκτών. Τα πιο σημαντικά σχήματα ελέγχου που παρουσιάζονται είναι: (α) μία δομή ανάδρασης, κατά την οποία εικάζεται ότι οι τάσεις των πυκνωτών είναι διαθέσιμες κάθε χρονική στιγμή και (β) μία προσέγγιση χρησιμοποιώντας εκτίμηση της αποθηκευμένης ενέργειας σε ανοιχτό βρόχο. Ως επόμενο βήμα, το λογισμικό για το κομμάτι του επεξεργαστή σχεδιάζεται και προγραμματίζεται, έτσι ώστε να τεθεί σε λειτουργία το πρωτότυπο του μετατροπέα. Οι ελεγκτές υλοποιούνται σε μία μονάδα επεξεργασίας, η οποία διαχειρίζεται τις αναλογικές μετρήσεις, τους υπολογισμούς και τη διεπαφή με το χρήστη. Ο επεξεργαστής επικοινωνεί με ένα FPGA, το οποίο επεξεργάζεται τα δεδομένα της διαμόρφωσης, εκτελεί τους αλγόριθμους ταξινόμησης και παράγει σήματα οδήγησης για τους διακόπτες του μετατροπέα. Τέλος, παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα για την εγκυρότητα και την αξιολόγηση των εννοιών των ελέγχων.