A Fixed Switching Frequency technique for finite-set model predictive control of power electronic converters
Date
2016-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: A fixed switching frequency scheme for finite-control-set model predictive control is resented.
The purpose of the control scheme is to achieve an output waveform quality that compares well to that of a pulse-width-modulator-based linear controller, while retaining the benefits of model predictive control such as the ability to easily control multiple variables
without complex control loops. By enforcing a fixed switching frequency it becomes easier to ensure that resonant poles are not excited and assists with EMI compliance. The controller is divided into two parts: The off-line calculation and storage of the coefficients
of the prediction equations and the on-line evaluation of the controller. For every valid actuation choice at each sampling step in the switching period, an equation for the average value over one or more switching periods is calculated and stored in a lookup table. The
on-line controller uses the lookup table to load the appropriate equations, based on the current position within the switching period. This reduces the on-line calculation effort and allows higher sampling rates to be achieved while predicting over a long prediction
horizon.
The controller is implemented and experimentally verified for the voltage control and
input-bus stabilisation of a 12.75 kV medium voltage electronic voltage regulator for
the regulation of medium voltage distribution feeders. The voltage regulator design is
discussed in detail and consists of a multi-level AC-to-AC converter topology that is
connected in a shunt-series configuration to an appropriate transformer. The leakage
inductance of the transformer together with the large input-bus capacitor forms an input
LC-filter that may become resonant. It is shown through simulation and experimental results that the controller is able to maintain a fixed switching frequency with good
reference tracking and waveform quality while suppressing the input-bus resonance.
It is further shown that the control scheme can be generalised. This is experimentally
demonstrated for the voltage control and capacitor balancing of a five-level flying capacitor converter with an output LC filter. The results show that the controller is able to maintain a fixed switching frequency with a fast transient response, a good waveform quality with
a low THD while also actively keeping the flying capacitor voltages balanced.
Lastly, the controller is compared to a pulse-width-modulator-based linear resonant regulator for the current control of a single-leg inverter. The two controllers are extensively evaluated through simulation and the results show that the model predictive controller
compares well to the linear controller in terms of waveform quality and transient response.
AFRIKAANSE OPSOMMING: ’n Vasteskakelfrekwensieskema vir eindige beheerversameling modelgebaseerde voorspellende beheer word aangebied ten einde ’n vaste skakelfrekwensie te bewerkstellig wat goed vergelyk met pulsewydtemodulasie-gebaseerde lineêre beheer, terwyl die voordele van modelgebaseerde voorspellende beheer terselfdertyd behou word. Die beheerder word in twee dele opgedeel, nl. die vooraf berekening en stoor van die voorspellingsvergelykings se koëffisiënte en die aanlynevaluering van die beheerder. ’n Vergelyking vir die gemiddelde waarde oor een of meer skakelperiodes word vooraf bereken vir elke geldige skakelkeuse en elke monster-stap in die skakelperiode en dit word dan in ’n opkyktabel gestoor. Die aanlynbeheerder gebruik hierdie opkyktabel om die korrekte voorspellingsvergelykings te laai, gebaseer op die huidige posisie in die skakelperiode. Hierdie strategie verminder die aanlyn-berekeningskoste sodat ’n hoër monsterfrekwensie met ’n langer voorspellingshorison bereik kan word. Die beheerder word eksperimenteel geverifieër vir die uittreespanningsbeheer en intreebusstabilisering van ’n 12.75 kV mediumspanning elektroniese spanningsreguleerder sodat mediumspanningsdistribusievoerders gereguleer kan word. Die gedetaileerde ontwerp van die spanningsreguleerder word volledig behandel en bestaan uit ’n multivlak WS-na-WSomsetter wat in ’n newe-serie konfigurasie aan ’n transformator gekoppel is. Die lekinduktansie van die transformator en die intreebuskapasitor skep ’n LC-intreefilter wat kan resoneer. Simulasie en eksperimentele resultate wys dat die beheerder ’n vaste skakelfrekwensie handhaaf met ’n goeie uittree-spanningsgolfvorm en oorgangsgedrag terwyl die resonante gedrag onderdruk word. Daar word verder gewys dat die beheerder veralgemeen kan word. Hiervoor word die beheerder gedemonstreer vir die uittree-spanningsbeheer en die aktiewe kapasitor balansering van ’n vlieëndekapasitor-omsetter met ’n LC-uittreefilter. Eksperimentele resultate wys dat die beheerder ’n vaste skakelfrekwensie handhaaf met vinnige oorgangsgedrag en ’n goeie uittreegolfvorm met ’n lae THD terwyl die vlieënde kapasitore aktief gebalanseer word. Laastens word die beheerder se prestasie met ’n pulswydtemodulasie-gebaseerder lineêre beheerder vergelyk. Die twee beheerders word omvattend deur simulasie geëvalueer en die resultate wys dat die voorspellende beheerder goed vergelyk met die lineêre beheerder in terme van golfvormkwaliteit en oorgangsgedrag.
AFRIKAANSE OPSOMMING: ’n Vasteskakelfrekwensieskema vir eindige beheerversameling modelgebaseerde voorspellende beheer word aangebied ten einde ’n vaste skakelfrekwensie te bewerkstellig wat goed vergelyk met pulsewydtemodulasie-gebaseerde lineêre beheer, terwyl die voordele van modelgebaseerde voorspellende beheer terselfdertyd behou word. Die beheerder word in twee dele opgedeel, nl. die vooraf berekening en stoor van die voorspellingsvergelykings se koëffisiënte en die aanlynevaluering van die beheerder. ’n Vergelyking vir die gemiddelde waarde oor een of meer skakelperiodes word vooraf bereken vir elke geldige skakelkeuse en elke monster-stap in die skakelperiode en dit word dan in ’n opkyktabel gestoor. Die aanlynbeheerder gebruik hierdie opkyktabel om die korrekte voorspellingsvergelykings te laai, gebaseer op die huidige posisie in die skakelperiode. Hierdie strategie verminder die aanlyn-berekeningskoste sodat ’n hoër monsterfrekwensie met ’n langer voorspellingshorison bereik kan word. Die beheerder word eksperimenteel geverifieër vir die uittreespanningsbeheer en intreebusstabilisering van ’n 12.75 kV mediumspanning elektroniese spanningsreguleerder sodat mediumspanningsdistribusievoerders gereguleer kan word. Die gedetaileerde ontwerp van die spanningsreguleerder word volledig behandel en bestaan uit ’n multivlak WS-na-WSomsetter wat in ’n newe-serie konfigurasie aan ’n transformator gekoppel is. Die lekinduktansie van die transformator en die intreebuskapasitor skep ’n LC-intreefilter wat kan resoneer. Simulasie en eksperimentele resultate wys dat die beheerder ’n vaste skakelfrekwensie handhaaf met ’n goeie uittree-spanningsgolfvorm en oorgangsgedrag terwyl die resonante gedrag onderdruk word. Daar word verder gewys dat die beheerder veralgemeen kan word. Hiervoor word die beheerder gedemonstreer vir die uittree-spanningsbeheer en die aktiewe kapasitor balansering van ’n vlieëndekapasitor-omsetter met ’n LC-uittreefilter. Eksperimentele resultate wys dat die beheerder ’n vaste skakelfrekwensie handhaaf met vinnige oorgangsgedrag en ’n goeie uittreegolfvorm met ’n lae THD terwyl die vlieënde kapasitore aktief gebalanseer word. Laastens word die beheerder se prestasie met ’n pulswydtemodulasie-gebaseerder lineêre beheerder vergelyk. Die twee beheerders word omvattend deur simulasie geëvalueer en die resultate wys dat die voorspellende beheerder goed vergelyk met die lineêre beheerder in terme van golfvormkwaliteit en oorgangsgedrag.
Description
Thesis (DEng)--Stellenbosch University, 2016.
Keywords
Single phase converters, UCTD, Electric current converters, Voltage-frequency converters, Capacitors, Electronic controllers, Eletric current converters, Swiching power supplies