FPGA-based real-time modeling of active front end (AFE)

Abstract

I den voksende sektoren for fornybar energi har nye innovative kontrollmetoder blitt forsket på i lang tid. Denne rapporten tar for seg aktiv likeretter koblet til et kraftnett via et LCL-filter. I utviklingen av kraftelektroniske omformere tar tradisjonelle PC-simuleringer lang tid, og derfor har emulerte sanntidssimuleringer blitt brukt til forskning og design. Ved å bruke FPGA-implementering kan oppgaver utføres parallelt, noe som muliggjør sanntidssimuleringer.

Denne avhandlingen er en del av et prosjekt ved institutt for elektrisk energi ved NTNU for å utvikle en sanntids-FPGA-basert emulator av en aktiv likeretter ved bruk av PESC-kontrollplattformen utviklet av NTNU.

Under utviklingen av den emulerte sanntidssimulatoren er simuleringer i MATLAB Simulink gjennomført for å analysere og evaluere oppførselen til den aktive likeretteren. Først simuleres en forenklet modell der aktiv likeretteren representeres av en ideell strømkilde studert. Deretter følger en mer realistisk modell der kraftomformeren representeres av IGBT-brytere, noe som resulterer i en mer realistisk og kompleks modell.

For å forbedre PESC-kontrollplattformen ytterligere, bygges en emulert modell av LCL-filteret ved hjelp en matematisk modell som er utledet fra dynamikken til LCL-filteret. Målet med den utviklede emulerte modellen er å fange opp de dynamiske egenskapene til LCL-filteret.

Den emulerte matematiske modellen blir deretter diskretisert. Disse ligningene fungerer som grunnlaget for konstruksjonen av FPGA-basert emulator, der FPGA-logikken utvikles i Simulink-biblioteket Xilinx System Generator for DSP.

Til slutt blir den emulerte modellen integrert og kompilert med PESC-kontrollplattformen, der den emulerte modellen er klar til å bli testet. Simulering av ulike scenarier utføres innenfor PESC-kontrollplattformen.

Effekten av aktiv demping blir diskutert, der man kan observere hvordan dette påvirker resonansen mellom kraftnett og den aktive likeretteren. Frekvensen til oscillasjonene måles til 819,1 Hz. Denne frekvensen blir sammenlignet med resonansfrekvensen til LCL-filteret, som beregnes til 992,4 Hz. Til tross for den lille forskjellen i frekvensene, kan det konkluderes med at frekvensene til harmoniske svingninger som oppstår på grunn av fravær av aktiv demping i stor grad ligner på resonansfrekvensen til LCL-filteret.

In the emerging field of renewable energy, new control methods are being considered and have been researched for quite some time. Many studies can be found on the converter control techniques. This thesis is considering the AFE connected to a LCL-filter. For the development on these converters, the traditional PC computer simulations of the models take quite some time, and therefore the emulated real time simulation have been used for research and design. By employing FPGA implementation, tasks can be executed in parallel manner, enabling real-time simulations. This thesis is a part of a project at the Department of Electrical Energy at NTNU to develop a real-time FPGA-based emulator of a AFE by using the PESC control platform developed by NTNU.

During the development of the Emulated Real-Time Simulator, a simulation process is employed using Matlab, Simulink to analyze and evaluate how a AFE connected to a LCL-filter behaves. First, a simplified model where the AFE is represented by an ideal current source is studied. Followed by a more realistic model, where the converter is represented the power electronic insulated gate bipolar resistors (IGBT) switches, the result is a more realistic and complex model. To further enhance the PESC control platform, an emulated model of the LCL filter is built using the mathematical model derived from the equations. The emulated model developed aims to capture the dynamic reactions of the LCL filter accurately. Further the emulated mathematical model is discretezied. These discretized equations serve as the foundation for constructing the FPGA-based emulator, where the FPGA logic is developed in the Xilinx system generator for DSP add on in the simulink library. Finally, the emulated model and a project file is configured with the PESC control platform, where the emulated model is ready to be tested. Simulation of different scenarios is done within the PESC control platform. The effect of the Active dampening is discussed, where some oscillation can be observed. The frequency of the oscillations is measured to 819.1 Hz. This frequency is compared to the resonance frequency of the LCL filter. The resonance frequency is calculated to 992.4 Hz. Despite the slight discrepancy in frequencies, it can be concluded that the frequencies of the harmonics resulting from the absence of active dampening closely resemble the resonance frequency of the LCL filter. The AFF plot of the exact model and the PESC simulations are compared. The difference of the model is the fundamental frequency, it can be seen that the PESC platform operates with 78.8 Hz and the exact model operated with 60 Hz. $f_f$ and $\zeta$ need to be scaled down to get the same $K_p$ and $T_i$.

Further analyses with different grid forming control scheme need to be done for the model in the PESC platform, ass well as a model using PWM controller.