Ανάλυση και έλεγχος ολοκληρωμένων συστημάτων μετατροπέων ισχύος - ηλεκτρικών μηχανών με εφαρμογές στην ηλεκτροκίνηση και τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας

Abstract

The present PhD dissertation is addressed in the research field of control of power systems and more precisely in providing advanced methods for the analysis and control of electrical machines driven by power devices. Particularly, taking into account the accurate nonlinear models of the power converters and the electrical machines, the structure and the behavior of the complete models used for machine driving are analyzed based on the generalized Hamiltonian-passive form. The power converters discussed are the DC/DC boost converter and the three-phase power converter used as a rectifier or an inverter, while the separately-excited and the series-connected DC motors along with the three-phase induction machine are studied as well. After providing the complete dynamic models, a new nonlinear control scheme suitable for the generalized Hamiltonian-passive systems with switching devices is proposed. Using an extended mathematical analysis, it is proven that the proposed controller guarantees stability and convergence to the desired equilibrium for the closed-loop system. The proposed control application is tested for DC drive systems fed by DC/DC boost converters as well as for induction motor systems fed by AC/DC/AC converters. The control analysis and application leads to the extension of the control structure in order to increase the robustness with respect to the initial conditions, to improve the transient performance and to be suitably applied in three-phase power converter systems, guaranteeing simultaneously certain operating constraints such as linear modulation. For the case of the induction motor control, a complete form of the controller is proposed that acts either in the frame of field-orientation or independently from it, while the controller is also studied in field-weakening conditions. Finally, the controller performance is studied in a wind generating system connected to the grid through a full-scale power converter. In all cases, simulation results are presented while experimental results are provided where possible by using suitable laboratory testbeds.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εντάσσεται στο πλαίσιο που αφορά στο πεδίο ελέγχου συστημάτων ισχύος και ειδικότερα στην εφαρμογή προηγμένων μεθόδων στην ανάλυση και τον έλεγχο στρεφόμενων ηλεκτρικών μηχανών οδηγούμενων από ηλεκτρονικές διατάξεις ισχύος. Ειδικότερα, λαμβάνοντας υπόψη τα ακριβή μη γραμμικά μοντέλα των μετατροπέων ισχύος και των ηλεκτρικών μηχανών, αναλύεται η μορφή και η συμπεριφορά των ολοκληρωμένων συστημάτων που χρησιμοποιούνται για την οδήγηση των μηχανών και αποδεικνύεται ότι τα μοντέλα αυτά μπορούν να περιγραφούν με τη γενική παθητική Hamiltonian μορφή. Οι ηλεκτρονικές διατάξεις ισχύος που μελετώνται είναι ο μετατροπέας ΣΡ/ΣΡ ανύψωσης τάσης και ο τριφασικός μετατροπέας σε λειτουργία ανορθωτή και μετατροπέα, ενώ επίσης μελετώνται οι μηχανές ΣΡ ξένης διέγερσης και με διέγερση σε σειρά καθώς επίσης και η τριφασική επαγωγική μηχανή. Έχοντας αναπτύξει τα πλήρη μοντέλα, προτείνεται ένας νέος μη γραμμικός νόμος ελέγχου κατάλληλος για τη γενική παθητική Hamiltonian μορφή των συστημάτων τα οποία περιλαμβάνουν διακοπτικούς μετατροπείς ισχύος. Μια εκτενής μη γραμμική μαθηματική ανάλυση αποδεικνύει ότι ο προτεινόμενος νόμος ελέγχου εγγυάται ευστάθεια και σύγκλιση στο επιθυμητό σημείο ισορροπίας για το σύστημα κλειστού βρόχου. Ο έλεγχος αυτός εφαρμόζεται για τον έλεγχο κινητήρων ΣΡ οδηγούμενων από μετατροπέα ΣΡ/ΣΡ ανύψωσης τάσης καθώς και στην τριφασική επαγωγική μηχανή. Η ανάλυση και η εφαρμογή του ελέγχου οδηγεί στην ανάγκη για επεκτάσεις στη μορφή του ώστε να αυξηθεί η σθεναρότητά του ως προς τις αρχικές συνθήκες, να βελτιωθεί η μεταβατική του συμπεριφορά και να εφαρμοστεί κατάλληλα σε τριφασικούς μετατροπείς ισχύος ώστε να εγγυάται συγκεκριμένες λειτουργίες όπως γραμμική διαμόρφωση. Με την εφαρμογή του ελέγχου στην επαγωγική μηχανή, προτείνεται μια πλήρης σχεδίαση που λειτουργεί είτε βασιζόμενη στη λογική του προσανατολισμένου πεδίου, είτε πλήρως ανεξάρτητα από αυτή, ενώ μελετάται και η συμπεριφορά του σε καταστάσεις εξασθένησης πεδίου. Τέλος, η λογική του ελέγχου επιβεβαιώνεται σε ένα σύστημα ανεμογεννήτριας συνδεδεμένης στο δίκτυο μέσω πλήρους συστήματος μετατροπέων ισχύος με διασύνδεση συνεχούς ρεύματος. Σε όλες τις περιπτώσεις παρουσιάζονται προσομοιώσεις και κατά το δυνατό πειραματικά αποτελέσματα μέσω κατάλληλων εργαστηριακών διατάξεων.