Modellbasierte Optimierung und Regelung eines Hochspannungsprüfgenerators

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit behandelt die modellbasierte Herleitung einer Regelungsstrategie für einen Hochspannungsprüfgenerator zur Prüfung von Hochspannungskabeln. Der Prüfgenerator verwendet zur Erzeugung der Prüfspannung einen LC-Serienschwingkreis mit geringer Dämpfung, der von zwei Leistungsmodulen in seiner Resonanzfrequenz angeregt wird. Die Frequenzen der Leistungsmodule unterscheiden sich geringfügig, was eine niederfrequente Modulation der hochfrequenten Spannung bewirkt. Die niederfrequente Wechselspannung an der kapazitiven Last wird von einem Demodulator erzeugt.<br />Auf Basis des elektrischen Ersatzschaltbildes wird zunächst ein detailliertes Modell des Prüfgenerators formuliert. Darauf aufbauend folgt die Herleitung eines zur Analyse des Systems und zur Entwicklung einer Regelungsstrategie besser geeigneten Hüllkurvenmodells. Anhand von Simulationen wird gezeigt, dass das Hüllkurvenmodell die wesentlichen Eigenschaften des vollständigen Modells wiedergibt. Eine weiterführende Analyse des Systems bringt wichtige Erkenntnisse für die folgenden Arbeiten. Für das auf Demodulator und Last reduzierte Teilsystem wird untersucht, wie die Zwischenkreisspannung und die Demodulatorwiderstände vorgegeben werden müssen, damit die Lastspannung einen gewünschten Verlauf unter Einhaltung diverser Anforderungen aufweist. Ein dynamischer Optimierungsansatz, welcher die vollständige Systemdynamik berücksichtigt, erweist sich in seiner praktischen Umsetzung als untauglich, weshalb ein vereinfachter statischer Optimierungsansatz formuliert wird. Mit der so berechneten Optimalsteuerung werden durch Simulation die Auswirkungen der vorgenommenen Vereinfachungen auf das Systemverhalten überprüft und es wird gezeigt, dass die Lastspannung dem gewünschten Verlauf folgt. Mit den Ergebnissen der statischen Optimierung wird ein Regler entworfen, der Abweichungen der Lastparameter von deren nominellen Werten ausgleicht und dessen Vorsteuerung die zuvor formulierten Anforderungen erfüllt. Für die Implementierung des Reglers werden zusätzliche Aspekte betrachtet, bevor schlussendlich dessen Funktionstüchtigkeit für verschiedene Lastfälle und Störungen sowohl am vollständigen Modell als auch am Referenzmodell simulativ gezeigt wird.<br />

The present thesis deals with the model-based design of a closed-loop controller for a high-voltage generator for testing high-voltage cables. In order to generate the desired testing voltage, two power modules excite an LC-resonator with high quality factor in its resonance frequency. The power modules operate at slightly different frequencies, hence modulating the amplitude of the high-voltage signal with a low frequency. The low-frequency voltage on the capacative load is achieved by means of a demodulator.<br />A detailed mathematical model of the test control unit is derived from an equivalent circuit diagram. Based on this model, an envelope model is developed which proves to be better suited for further examinations and for the design of the closed-loop controller. By validation through simulation it is shown that the envelope model reproduces the essential properties of the detailed model. A subsequent analysis reveals other important properties of the system necessary for the following development steps. By considering a reduced system which just incorporates the demodulator and the load, it is then examined how the intermediate circuit voltage and the demodulator have to be actuated in order to achieve a desired load voltage with respect to certain requirements. The implementation of a dynamic optimisation approach, which incorporates the complete dynamics of the system, proves to be too demanding, hence a simplified static optimisation approach is used instead. Simulations verify that the computed control trajectory leads to the desired load voltage, and how the simplifications affect the system response. The results of the static optimisation approach serve as a basis for designing a closed-loop controller to compensate deviations of the load parameters from their nominal values. The underlying open-loop control has to meet the already mentioned requirements. Some additional considerations regarding the implementation are made. Finally, the design of the controller is verified for different load cases and disturbances for both the detailed model and the envelope model.