B2B Converter-Based Voltage Control for Isolated Induction Generator supplying Local Variable Loads

Abstract

Dagens samfunn er i stor grad avhengig av å anvende elektrisk kraft til å operere en stor mengde utstyr og teknologier. Selv om dagens nett generelt sett er stabile og sammenkoblede så kan et isolert nett være nyttig for spesielle anvendelser. Noen eksempler er avsidesliggende områder uten infrastruktur, anvendelser som krever høy kvalitet på levert spenning og utnyttelse av småskala fornybar kraft.

Formålet for denne masteroppgaven er å undersøke bruken av en filtrert «back-to-back»-topologi (B2B) til å styre et isolert kraftsystem bestående av en induksjonsgenerator (kortsluttet rotor, 3-10kW) og lokale variable AC-laster. Det er lagt vekt på å designe et system som kan operere generatoren innenfor grenseverdier og som samtidig sikrer en stabil lastspenning av høy kvalitet. Problemstillingen er løst ved å bygge en komplett modell av systemet i MATLAB-Simulink, evaluert ved hjelp av tilhørende simuleringstester. I tillegg utføres eksperimenter på et lab-oppsett av tiltenkt system, og en implementering av et kontrollsystem på kretskortet «Arduino Uno».

Et lengre litteratursøk er utført for å skaffe innsikt i virkemåten til de forskjellige komponentene i systemet, styringsmetoder for induksjonsmaskinen, samt metoder for å lage styresignaler til omformeren. Tilhørende implementering av modeller i MATLAB-Simulink vil bli vist i detalj. Detaljnivået er primært begrenset til elektriske egenskaper. Noen av hovedantagelsene er balansert operasjon, øyeblikkelige tilstandsendringer av brytere/lastere, ingen temperaturavhengighet og ingen prosesseringsforsinkelser.

Modellen av variable laster er bygget fra bunnen, basert på de fundamentale ligningene til resistans, induktans og kapasitans. For induksjonsmaskinen presenteres en stasjonær og dynamisk modell. 2L-3ph VSC (To-nivå trefase spenningskildeomformer) er valgt som omformer på grunn av dens utbredte bruk og operasjonsmulighet i fire kvadranter. En enkel strømbasert modell er presentert. Som filter er en passiv LCL-topologi valgt, med tilhørende designprosedyre funnet i litteraturen. Et batteri er inkludert i systemet for å muliggjøre magnetisering av induksjonsgeneratoren og tilhørende spenningsoppbygning av DC-linken. En enkel vannturbinmodell blir også presentert, basert på et linjert forhold mellom turtall og dreiemoment. Kontrollteorien omfatter metoder som V/f (Skalar kontroll), FOC (Feltorientert kontroll) og DTC (Direkte dreiemoment kontroll). Styresignalmetoder omfatter S-PWM (Sinus pulsbreddemodulasjon), SV-PWM (Romvektor pulsbreddemodulasjon) og hysterese-basert svitsjing.

Kunnskap fra litteratursøket brukes som basis for å designe to styringssystemer for generatoren, med formål om å ivareta DC-link-spenningen i omformeren. Styringssystemene er basert på prinsippene til V/f and FOC, og krever målinger av rotorhastighet og statorstrømmer. En spenningskontroller er også designet for lastene, som krever målinger av lastspenninger. Noen nye bidrag er designet av en hjemmelaget magnetstrømkontroller for FOC-metoden, samt en RMS/DC-funksjon for estimering av levert omformerspenning. En stegvis prosedyre for å dimensjonere komponenter i systemer og stille inn kontrollparametere er også utviklet, and brukes til å lage fire systemkonfigurasjoner basert på induksjonsmaskiner med nominell effekt i området 4-16kW. Lastnettet er definert som 230V (rms) 50Hz. Et mangfold av simuleringstester er så utført for å evaluere ytelse, herunder for å studere effekt av batterispenning, magnetiseringsforløp og spenningsoppbygning, operasjon ved forskjellige laster og forskjellige turtall.

Analyse av simuleringsresultatene viser at dimensjonerings- og designprosedyrene ser ut til å generelt sett fungere bra. Lastpenningen blir godt ivaretatt, med en amplitude innen +- 2% RMS og THD <3% (Total harmonisk forvrenging). Høyt nivå av etterslepende (lagging) reaktiv effekt påvirker filteret i negativ forstand, og en økning av referansespenning til DC-linken er foreslått for å heve marginene. Styringssystemet basert på FOC-metodikken presterer best, og det opererer hensiktsmessig under alle tester. Det holder generatorstrømmen innenfor grenseverdier, og viser til lave overskytninger av DC-link spenning (<3%). Det opererer derimot med høye rippler på dreiemomentet, en høy svitsjefrekvens (50kHz) og dets magnetstrømkontroller resulterer i høy tomgangsstrøm. V/f-metodikken viser en mer svingende respons og overskyter i statorstrøm opptil 160% og DC-link-spenning opptil 14%. Revidering av design/parameterinnstilling er anbefalt for å øke ytelsen. Til sammenligning med FOC-metodikken operer derimot V/f med lavere rippler av dreiemoment og en lavere svitsjefrekvens (10kHz). Batteriet leverer en arbeidsmengde som generelt sett er meget lav med tanke på de nominelle maskineffektene. Lavere turtall og høyere batterispenning gir høyere toppverdier av strøm.

Lab-eksperimentet er utført på en 55kW induksjonsmaskin koblet sammen med en 60kVA 2L-3ph VSC og en annen turtallstyrt motor. Det innebygde styringssystemet til lab-omformeren er brukt som gitt. En DC-kilde er koblet i serie med DC-linken. Eksperimenter er utført for forskjellige turtall og initiale DC-link spenninger. Resultatene bekrefter at en lavspent kilde er tilstrekkelig til å magnetisere induksjonsgeneratoren og bygge opp spenning i DC-linken. Systemet evnet dette for initiale spenninger så lavt som 10V ved merketurtall (1000rpm). Lavere turtall krever derimot høyere initialspenninger, opp til 40V. Ingen tydelige trender er observerbare med tanke på DC-kilde strøm, men den virker å generelt være lav og det er tenkelig at et batteri kunne vært en mulig DC-kilde.

En forenklet versjon av V/f-metodikken er implementert på Arduino Uno ved hjelp av MATLAB-Simulink. Sammenligning av måledata mot hva som teoretisk sett er forventet viser at ytelsen er best for referansesignaler med frekvenser under 100Hz. Selv om det er tenkelig at koden kunne blitt optimalisert, så er Arduino Uno sannsynligvis best egnet for enkle applikasjoner som ikke trenger presisjon ned i millisekundområdet.

The modern world has grown a custom of utilizing electric power to operate a vast range of technologies and utilities. Though todays grids are generally stable and interconnected, an isolated power system could be useful for certain applications. Some examples are remote locations without existing grid infrastructure, applications that requires a stable and high-quality supply and utilization of small-scale renewable energy sources.

The objective of this thesis is to study the use of a filtered back-to-back system topology to control an isolated power system composed of an induction generator (short-circuit rotor, 3-10kW) and local variable AC-loads. Emphasis is placed upon designing a system that can operate the generator within rated conditions, whilst ensuring a stable and high-quality load voltage. The system should additionally be easy to setup for different configurations of loads and generators. The task is approached by building a complete model of the system in MATLAB-Simulink, evaluated by corresponding simulation-tests. Following this is a lab-setup of the proposed system with corresponding experiments, and a controller-implementation test on the Arduino Uno electronics board.

An extensive literature study is conducted to gain insight into the characteristics of the different components, methods of controlling induction machines and methods to generate gate-signals to the converter. The corresponding implementations of the different models and control-systems into MATLAB-Simulink are presented in detail. The level of detail in the models are mainly limited to the electrical properties with ideal characteristics. Some of the core assumptions are balanced operation, instantaneous changes (ideal switching/load-changes), no thermal/temperature-dependence and no processing delays.

The variable load model is built from scratch, based on the fundamental equations describing resistors, capacitors and inductors. For the induction generator, a steady-state and dynamic model is presented. 2L-3ph VSCs are chosen as converters of the B2B topology due to their commonness and four-quadrant operation. A simplified current-input model for the VSC is presented. For the filter, the passive LCL-topology is chosen, including a design procedure found in the literature. A battery is included in the system to enable magnetisation of the isolated induction machine and corresponding voltage build-up of the DC-link in the B2B-topology. A simple hydro-prime mover model is also presented, based on a linear relation of speed and torque. The control-theory covers methods such as V/f (scalar control), FOC (Field oriented control) and DTC (Direct torque control). The signal generation includes methods such as S-PWM, SV-PWM and hysteresis-based switching.

The outcome of the research is used as a basis to design two generator control-systems with the purpose of maintain the DC-link voltage of the converter. They are based on the principles of V/f and FOC, requiring measurements of mechanical speed and stator-currents. One voltage controller is also designed for the loads, with inputs of load-voltage measurements. Some new contributions are the design of a custom increase/decrease flux-controller in the FOC control-system and an RMS/DC-voltage approach to predict the output RMS-voltage of the converter. A step-by-step procedure to dimension the components of the system and tune the controller-parameters is also made and used to create four different configurations based on machines in the range of 4-16kW. The load-grid is defined as 230V (rms) 50Hz. Several simulation-tests are then performed to evaluate the performance, investigating aspects such as the influence of the battery-voltage, the magnetisation and DC-link voltage build-up, operation during load-changes and different speeds.

From analysis of the simulation-tests, the dimensioning and tuning from the proposed design-procedure seems to overall function well. The load-voltage is well maintained, keeping the magnitude within +- 2% RMS and THD <3%. High levels of lagging reactive loads negatively affects the LCL-filter performance, and an increase of reference DC-link voltage is suggested for better margins. The FOC-method is the best performing control-system, handling all test-cases whilst hardly exceeding the rated levels of currents and showing low DC-link voltage overshoots (<3%). It does however exhibit a high torque-ripple, it utilizes a high switching-frequency (50kHz) and its flux-controller results in high currents during light/no-loaded conditions. The V/f-method shows a more oscillating response, with overshoots of current up to 160% and overshoots of DC-link voltage up to 14%. A redesign of the tuning/structure is suggested to improve the performance. In comparison to the FOC-method, it does however display lower torque-ripples and it operates at a lower switching-frequency (10kHz). In terms of the battery, the amount of work delivered is generally low compared to the machine-ratings. Lower speeds and higher battery-voltages gives higher peaks of battery current.

The lab-experiment is conducted on a 55kW induction machine connected to a 60kVA 2L-3ph VSC and another speed-controlled machine. The built-in control system of the lab-VSC is used as provided. A DC-source in series with a diode is connected to the DC-link. Experiments are performed for various conditions of initial DC-link voltage and speeds. The results verify that a low-voltage source is sufficient in order to magnetize the IM and build up voltage. It managed to successfully magnetize and build up voltage to a 400V reference with initial voltages as low as 10V at rated speed (1000 rpm). Lower speeds did however require a higher initial voltage, up to 40V. No clear pattern is seen in terms of DC-source peak-current, but it seems to generally be low, suggesting that a battery could be a viable DC-source.

A simplified version of the proposed V/f-control system is implemented on the Arduino Uno using MATLAB-Simulink. By comparing the measured output signals to what is theoretically expected, the performance is best for references signals with frequencies below 100Hz. Though the code could be optimized, the Arduino Uno is probably best suited for simple applications that does not need precision down in the milli-seconds range.