Modellierung und Regelung eines mobilen VLF Prüfgenerators

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf eines nichtlinearen Regelungs- und Beobachterkonzepts für einen very low frequency (VLF) Prüfgenerator zum mobilen Prüfen von Hochspannungskabeln. Die Regelungsstrategie wird benötigt, um die sehr hohen Anforderungen an die Qualität und Genauigkeit der VLF Testspannungen erfüllen zu können. Zu Beginn dieser Arbeit wird ein detailliertes mathematisches Modell des Prüfgenerators hergeleitet, welches die wesentlichen nichtidealen Eigenschaften des Systems beschreibt. Ausgehend von diesem Modell werden ein reduziertes Modell des Prüfgenerators und ein Hüllkurvenmodell erstellt. Diese vereinfachten Modelle bilden die wesentlichen Eigenschaften des Prüfgenerators sehr gut ab und werden deshalb für eine Systemanalyse und den anschließenden Reglerentwurf verwendet. In der Systemanalyse wird unter anderem untersucht, wie die Stellgrößen gewählt werden müssen, damit die Verluste während des Prüfbetriebs minimiert und gleichzeitig die hohen Anforderungen an die Qualität der Testspannung erfüllt werden. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse werden direkt im Entwurf des Regelungs- und Beobachterkonzepts verwendet. Im Zuge des Reglerentwurfs wird gezeigt, dass die Anforderungen an die Qualität der Testspannung nur erfüllt werden können, wenn zusätzlich zum eigentlichen nichtlinearen Reglerentwurf mehrerer Systemparameter optimiert werden. Da im späteren Prüfbetrieb die Kapazität des Testkabels nicht genau bekannt ist, wird die Regelung um einen Beobachter für die Kabelkapazität erweitert. Die erzielbare Regelgüte wird in Simulationen und Messungen an einem VLF Prüfgenerator Prototyp für Testspannungen bis zu 200 kV rms validiert. Im Anschluss daran wird eine Hardwareänderung des Prototyps vorgeschlagen, mit deren Hilfe eine weitere Verbesserung der Spannungsqualität erzielt und zusätzlich der Wert der maximal möglichen Kabelkapazität erhöht werden kann.

This work deals with the design of a nonlinear control and estimation strategy for a very low frequency (VLF) test generator which is used for a mobile onsite testing of high-voltage cables. A suitable control of the test generator is required to meet the high demands on the quality and accuracy of the VLF test voltage. First, a detailed mathematical model of the test generator is developed, which describes all the non-ideal characteristics of the system. Based on this detailed model, a reduced model of the test generator and an envelope model are derived. Both simplified models reproduce the main characteristics of the test generator very well and are thus suitable for systems analysis and controller design. In the systems analysis, optimal control inputs are determined in such a way that the power losses during the testing operation are minimized and the high requirements regarding the quality of the test voltage are fulfilled. This knowledge gained from the analysis is directly used in the development of the controller. It is shown that the required quality of the test voltage can only be achieved if, in addition to a suitable nonlinear controller design, several system parameters are optimized. Since the capacitance of the test cable is generally unknown before the testing, the controller is extended by an appropriate estimator for the cable capacitance. The achievable control performance is validated in simulations and measurements on a VLF test generator prototype for test voltages up to 200 kV rms. Finally, an alternative hardware design of the prototype is presented, which further improves the quality of the test voltage and increases the value of the maximum cable capacitance to be tested.