Entwurf eines Regelkonzeptes für einphasige netzgekoppelte Wechselrichter hoher Schaltfrequenz

Abstract

Fortschritte auf dem Gebiet der Leistungshalbleiter-Technologie, allen voran die Entwicklung serientauglicher GaN- und SiC-MOSFETs mit dazupassenden integrierten Gatetreibern, ermöglichen die Schaltfrequenz von netzgekoppelten Wechselrichtern kleinerer Leistung (z.B. Solarwechselrichter) in den Bereich von mehreren 100kHz zu erhöhen. Daraus resultiert eine signifikante Reduktion der passiven Filterelemente mit der Konsequenz einer höheren spezifischen Leistungsdichte des Systems. Allerdings hat damit auch die Netzimpedanz eine deutlichgrößere Auswirkung auf die Strecke des Stromreglers und Abtastrate sowie Rechenverzug der digitalen Realisierung beeinflussen zunehmend ungünstiger Dynamik und Stabilitätsreserve des Regelkreises. In dieser Arbeit wird anhand des Beispiels eines fiktiven 3kVA-Wechselrichters mit 200kHz Schaltfrequenz, 100kHz Regler-Abtastrate und Verwendung eines LCL-Ausgangsfilters die Streckendynamik des zeitdiskreten Regelkreises unter Anwendung moderner Methoden der Regelungstechnik untersucht. Ausgangspunkt ist die Dimensionierung des LCL-Filters, woraufhin eine zeitdiskrete Modellierung unter Berücksichtigung des Pulsbreitenmodulators erfolgt. Dieser wird nach Linearisierung des Modells als äquivalente Totzeit mit Abtastung beschrieben. Ein gegen variierende Netzimpedanz weitgehend unempfindliches Stromregelkonzept für das LCL-Filter mit einer Vorsteuerung durch die Kondensatorspannung wird im zeitkontinuierlichen Bereich beschrieben, und mit ausführlicher Betrachtung der sich daraus ergebenden Einschränkungen und möglichen Stabilitätsproblemen in den zeitdiskreten Bereich überführt. Die Eignung eines an den Smith-Prädiktor angelehnten linearen Prädiktors zur Kompensation der Verarbeitungstotzeit wird untersucht. Um die beschränkte Bandbreite gängiger Stromsensoren, die auch den Gleichanteil des Stromes erfassen können, zu überwinden, wird die Vereinigung von mehreren Strommessungen am LCL-Filter durch Sensoren mit Tief- und Hochpasscharakteristik, also beispielsweise herkömmlichen Closed-Loop-Hallsensoren und Rogowskispulen, untersucht. Schließlich wird das Stromregelkonzept mit Mehrfachstrommessung und Prädiktor am Matlab-Simulink-Modell eines PWM-Modulators mit 200kHz Schaltfrequenz und 100kHz Abtastrate getestet und die Effektivität des vorgeschlagenen Konzeptes demonstriert.

Recent developments in power semiconductor technology, especially GaN and SiC power MOSFETs and corresponding gate drive ICs facilitate to increase the switching frequency of grid-connected inverters (e.g. solar inverters) to the region of several 100kHz. This results in a possible significant reduction of the passive filter elements, leading to a high specific power density of the system. The grid-impedance, however, now has much more influence on the current control. Furthermore, the sampling process as well as the computational delay of a digital implementation increasingly impair dynamic behaviour and stability margin of the control loop. Based on the example of a virtual 3kVA PWM inverter operated at 200kHz switching frequency and 100kHz sampling rate and using a LCL-type output/grid filter this thesis analyses the dynamic behaviour and the stability of a digital control employing state-of-the-art principles of control theory. Starting with the dimensioning of the LCL filter, a time-discrete modelling considering the pulse width modulator is performed which is described as equivalent time delay after linearization of the model. A current control scheme for the LCL filter, based on capacitor voltage feed-forward and being largely immune on the grid impedance, is proposed and transferred to the dime-discrete domain considering the resulting limits and stability issues. The ability for using a linear predictor (based on the Smith-predictor principle) for compensating the computational delays is analyzed. To overcome the limited bandwidth of popular DC current transducers a combination of different high-/low-frequency current sensors within the LCL filter (e.g., common closed-loop Hall-effect transducers in combination with Rogowski-coils) is analyzed. Finally, the developed current control scheme based on multiple current transducers and a predictor is verified using a Matlab/Simulink model of a pulse width modulator running at 200kHz switching frequency and a digital control with 100kHz update rate demonstrating the good control behaviour of the proposed concept.