Dissertation (Metadaten)
Titel (original):Netzadaptive Regelung und Aktiv-Filter Funktionalität von Netzpulsstromrichtern in der regenerativen Energieerzeugung
(übersetzt):Grid-adaptive control and active-filter functionality of grid-connected PWM converters in renewable energy generation
 
Autor:Nils Hoffmann
 
URN:NBN:urn:nbn:de:gbv:8-diss-163567
 
Fakultät:Technische Fakultät
DDC Sachgebiet:621.3 Elektrotechnik, Elektronik
 
Datum der mdl. Prüfung:01.12.2014
 
Referent(in):Prof. Dr. Friedrich W. Fuchs
Korreferent(en) Korreferentin:Prof. Frede Blaabjerg, Ph.D., Prof. Marian P. Kazmierkowski, Ph.D., Dr.Sc.
 
Beschreibung (original):Die hohe Durchdringung öffentlicher Energienetze mit zumeist leistungselektronisch angebundenen regenerativen Energieerzeugungsanlagen (kurz: EZAs) führt zu einem Wandel der Energieerzeugung. Die Netzimpedanz stellt dabei einen Schlüsselparameter bei der Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie dar. In dieser Arbeit wird ein Gesamtkonzept für die Erweiterung der Regelung eines Netzpulsstromrichters einer dezentralen EZA um die Adaption variierender ohmsch-induktiver Netzimpedanzen (kurz: netzadaptive Regelung) und einer zusätzlichen Aktiv-Filter Funktionalität (kurz: AFF) entwickelt, untersucht und unter Laborbedingungen validiert. Für die Detektion der äquivalenten Netzparameter werden zwei Verfahren berücksichtigt: (1) Die Messung der Netzimpedanz durch die Einspeisung eines interharmonischen Oberschwingungsstromes und (2) die Schätzung der Netzimpedanz mittels eines Erweiterten Kalman-Filters. Die Analysen dieser Detektionsverfahren zeigen, dass sich die Messung der Netzimpedanz durch eine hohe Detektionsgenauigkeit und die Schätzung der Netzimpedanz durch eine hohe Detektionsgeschwindigkeit auszeichnet. Diese Erkenntnis führt zu der Entwicklung eines kombinierten Identifikationskonzeptes, welches die Detektion der Netzparameter in Echtzeit und mit minimaler Systemanregung ermöglicht. Das kombinierte Identifikationskonzept dient als Grundlage für die Entwicklung eines netzadaptiven Regelungskonzeptes eines Netzpulsstromrichters mit netzseitigem LCL-Filter. Auf der Grundlage einer detaillierten Modellierung der Regelstrecke in einem rotierenden (dq) Koordinatensystem wird ein zeitdiskreter Stromregler mit idealerweise vollständiger Entkopplung der nieder- und hochfrequenten Verkopplungsdynamiken von LCL-Filtern entworfen. Es wird ein auf einer Sollwertfilterung basierendes aktives Dämpfungsnetzwerk entwickelt und um eine Adaption variierender Netzparameter erweitert. Die experimentellen Untersuchungen zeigen, dass die entwickelte netzadaptive Regelung insbesondere bei sprunghaften Änderungen der Netzimpedanz zu einer Erhöhung des Stabilitätsbereiches führt ohne die Dynamik der gesamten Stromregelung reduzieren zu müssen. Zudem wird die netzadaptive Regelung um eine AFF erweitert. Die zusätzliche AFF führt zu einer Reduzierung bzw. vollständigen Kompensation von Spannungsunsymmetrien und -oberschwingungen am Anschlusspunkt des Netzpulsstromrichters einer dezentralen EZA. Die theorischen und praktischen Analysen zu der AFF offenbaren, dass eine lastadaptive Betriebsführung für die Ausnutzung der maximalen Betriebsgrenzen eines Netzpulsstromrichters zielführend ist. Hierfür wird ein lastadaptiver Begrenzungsregler entwickelt. Das neu entwickelte lastadaptive Regelungskonzept zur Umsetzung der AFF führt zu einer deutlichen Verbesserung der Spannungsqualität am Anschlusspunkt einer regenerativen und denzentralen EZA.
 
(übersetzt):The high penetration of public energy distribution networks with distributed energy production units mainly connected through power electronic converters leads to a high utilization of the existing grid structures. This trend is mainly driven by the efforts to push electrical power generation toward green and sustainable energy production. In this context the grid impedance is a key parameter for the generation and distribution of electrical energy. In this work an overall control concept for the grid impedance adaptive control and an additional active-filter functionality of grid-connected PWM converters is proposed, developed and validated with experimental results. The detection of equivalent grid parameters is examined using two different methods: (1) the measurement of the grid impedance by means of inter-harmonic current injection and (2) the estimation of the grid impedance using an Extended Kalman-Filter. The analysis of these two methods reveals that measurement of the grid impedance leads to a high detection precision whereas the estimation of the grid impedance leads to high detection dynamics. This insight motivates the development of a combined identification method that is able to detect the grid impedance conditions in a real-time manner with minimal system excitation. The combined identification method is the basis for the development of a grid impedance adaptive control concept for grid connected PWM converters with LCL-filters. The control is based on a detailed model of the control plant in the rotating (dq) reference frame whereas a discrete current controller with improved decoupling dynamics of both low and high frequency coupling dynamics of a LCL-filter is proposed. An active damping of the LCL-filter resonance is achieved using a grid impedance adaptive reference value filter. The measurement analysis shows that the proposed grid impedance adaptive control is able to guarantee stable converter operation with high control performance in the presence of step-wise grid impedance changes without the need of decreasing the current control dynamics. In addition to high performance current control and grid impedance detection capability, the grid impedance adaptive control is superimposed with an active-filter functionality. The active-filter functionality leads to a mitigation or compensation of voltage-unbalances and lower-order voltage-harmonics at the grid-connection point of the renewable energy system. The analysis of the active-filter functionality motivated the development of the load adaptive operation point controller to utilize the maximum capability limits of the grid-connected converter. A measurement analysis validates the proposed control concept and demonstrates that a considerable voltage quality improvement is achieved by the additional active-filter functionality.
 
Schlagworte:Netzpulsstromrichter, netzgebundener Stromrichter, Regelung, Stromregelung, Netzspannungsregelung, Netzimpedanzidentifikation, Inselnetz Detektion, Aktiv-Filter Funktionalität, aktive Dämpfung, LCL-Netzfilter, dezentrale Energieerzeugung, regenerative Energieerzeugung, frequenzselektive Sollwertfilterung, zeitdiskrete Stromregelung, zeitdiskrete Modellierung, Erweiterter Kalman-Filter, lastadaptive Betriebsführung
grid-connected converter, grid-connected PWM converter, control, current control, grid-volatage control, grid-impedance identification, anti-islanding detection, active-filter functionality, active damping, LCL-filter, distributed energy generation, renewable energy generation, frequency-selective reference-value filter, discrete current controller, discrete time-domain modeling, Extended Kalman-Filter, load adaptive system control
 
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