Design and analysis of a hysteresis based controller for a flying capacitor active output filter with specific application to medium voltage drives.

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Date
2016-08-24
Department
Major/Subject
Sähkökäytöt
Mcode
S3016
Degree programme
EST - Elektroniikka ja sähkötekniikka (TS2005)
Language
en
Pages
8+115
Series
Abstract
Multilevel inverter are widely used topologies in medium and high voltage power conversion due to their various advantages over other inverter topologies. These advantages include for example the ability to obtain higher output voltages while using semiconductor switching devices with limited maximum ratings, producing output waveforms with better harmonic spectrum and ability to operate at lower switching frequencies. However, multilevel inverters have some drawbacks such as control circuit complexity and voltage instability. In order to overcome these challenges, a hybrid multilevel inverter can be used that combines a three-level NPC inverter and H-bridge inverters with flying capacitor connected in series with each NPC phase. In this hybrid multilevel inverter NPC transfers active power using IGCT switching devices with high voltage blocking capability and low switching frequency. Instead, the H-bridge inverter which utilizes IGBT switching devices with low voltage blocking capability and high switching frequency is used for active filtering of harmonics. This thesis aims to design a controller for the H-bridge flying capacitor inverter that is used for active filtering. The thesis has three objectives. First to design the controller in such a way that output voltage error can be minimized. Second, active filter control should be able to control capacitor voltages. Third, such control configuration should be designed that enables optimizing objectives one and two. Hysteresis control was used to determine limits for capacitor voltage, output voltage error and output current. The output of the controllers was stored into lookup tables that determine how the active filter is controlled in each operating point. The operation of the hybrid multilevel inverter was modeled in Simulink. Active filter performance was evaluated in terms of output current and voltage THD, capacitor voltage, capacitor voltage ripple and switching frequency. Four conclusions can be drawn based on the simulation results. First, using this active filter control method, the harmonic content can be reduced and more sinusoidal output voltage can be obtained. Thus, output voltage error can be effectively decreased. Second, capacitor voltages can be stabilized in different operating points simultaneously with controlling output voltage. Hence, third, the controller meets all the three objectives specified for the control design. Fourth, however, realizing this control in such way that optimal active filter performance can be reached, requires choosing the control parameter limits carefully.

Monitasoiset vaihtosuuntaajat ovat laajalti käytettyjä sovelluksia keski- -ja suurjännitekäytöissä niiden lukuisista eduista johtuen. Näitä suuntaajia käyttämällä voidaan esimerkiksi saavuttaa korkeampia lähtöjännitteitä verrattuna muihin topologioihin käyttäen puolijohdekytkimiä, joiden jännitekestoisuus on rajallinen. Niiden avulla voidaan myös saavuttaa lähtöpuolen aaltomuoto, jonka yliaaltosisältö on pienempi. Lukuisista eduista huolimatta minitasovaihtosuuntaajiin liittyy myös haasteita kuten säätöpiirin monimutkaisuus ja jännitteen epävakaus. Näiden haasteiden ratkaisemiseksi voidaan käyttää hybridimonitasovaihtosuuntaajaa, joka koostuu NPC-suuntaajasta ja H-siltasuuntaajasta. NPC välittää hybridisuuntaajassa pätötehon käyttämällä korkeajännitteisiä ja matalan kytkentätaajuuden mahdollistavia IGCT-puolijohdekytkimiä. Sen sijaan, H-siltasuuntaajaa, joka hyödyntää matalajännitteisiä ja korkean kytkentätaajuuden mahdollistavia IGBT-puolijohdekytkimiä, käytetään NPC-suuntaajan ulostulon harmonisen yliaaltosisällön aktiiviseen suodattamiseen. Tämän diplomityön tavoitteena on suunnitella hystereesiohjattu aktiivisuodatin keskijännitekäytön ylivirtahäiriöiden suodattamiseen. Tähän tarkoitukseen käytetään kelluvalla kondensaattorilla varustettua H-siltasuuntaajaa. Säädön suunnittelulla on kolme tavoitetta; aktiivisuodattimen ulostulojännitteen virheen pienentäminen, kondensaattorijännitteiden säätö ja sellaisen ohjauksen luominen, joka mahdollistaa näiden tavoitteiden optimoinnin. Hystereesisäätöä käytetään säädettävien parametrien rajojen määrittämiseen ja hystereesisäädinten ulostulo tallennettaan hakutaulukoihin, jotka määrittävät, miten aktiivisuodatinta ohjataan jokaisessa toimintapisteessä. Aktiivisuodattimen toimintaa mallinnettiin Simulink-ohjelman avulla. Aktiivisuodattimen suorituskykyä arvioitiin lähtövirran ja -jännitteen THD:n, kondensaattorijännitteen, sen yliaaltosisällön ja kytkentätaajuuden suhteen. Simulointitulosten perusteella voidaan vetää neljä johtopäätöstä. Ensinnäkin, tätä aktiivisuodatusmenetelmää hyödyntämällä harmonista yliaaltosisältöä voidaan pienentää eli lähtöjännitteen virhettä voidaan tehokkaasti alentaa. Toiseksi, kondensaattorijännitteitä voidaan tasapainottaa eri toimintapisteissä ohjaamalla samanaikaisesti lähtöjännitettä. Näin ollen voidaan päätellä, että säätö saavuttaa kaikki kolme sille asetettua tavoitetta. Neljänneksi, säädettävien parametrien rajat on valikoitava huolellisesti säädön parhaan mahdollisen suorituskyvyn saavuttamiseksi.
Description
Supervisor
Kyyrä, Jorma
Thesis advisor
Van der Merwe, Wim
Geyer, Tobias
Keywords
active filtering, Hysteresis control, flying capacitor H-bridge inverter, NPC inverter
Other note
Citation