Entwicklung von echtzeitfähigen Lösungsverfahren für schnelle nichtlineare modellprädiktive Regelungen von AC/DC- und DC/DC-Wandlern

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit werden echtzeitfähige Lösungsansätze für die nichtlineare modellprädiktive Regelung (MPC) eines netzgekoppelten dreiphasigen AC/DC-Wandlers sowie eines mehrphasigen DC/DC-Wandlers entwickelt und untersucht. Die Motivation für die Verwendung einer MPC zur hochdynamischen Regelung der Ausgangsspannung der beiden Wandler besteht in der Möglichkeit, Stellgrößen- und Zustandsbeschränkungen (z.B. die Transistorströme) systematisch zu berücksichtigen. Aufgrund der schnellen Dynamik der betrachteten leistungselektronischen Systeme sind hierbei Rechenzeiten der Regelung im unteren Mikrosekundenbereich erforderlich. Ausgehend von der Bestimmung eines für die Simulation sehr effizient zu implementierenden Hüllkurvenmodells der beiden Wandler werden zunächst einige notwendige unterlagerte Regelungs- und Beobachterstrukturen (Laststrom- und Netzspannungsschätzung) entworfen, in denen die MPC zur Regelung der Ausgangsspannung eingebettet ist. Anschließend erfolgt der Entwurf der modellprädiktiven Regelung, basierend auf einem reduzierten Regelungsmodell des jeweiligen Wandlers, wobei unterschiedliche Ansätze zur Lösung des mit der MPC verbundenen Optimierungsproblems gewählt und untersucht werden. Das Hauptaugenmerk bei Wahl, Zusammensetzung und Entwurf des jeweiligen Lösungsansatzes liegt dabei stets auf der effizienten und ressourcenschonenden Implementierbarkeit auf gängigen CPU- bzw. DSP-basierten Echtzeitsystemen. Anhand von Simulationsstudien wird in weiterer Folge das Konvergenzverhalten der gewählten Lösungsansätze sowie deren Auswirkungen auf das Regelungsverhalten der MPC untersucht und abschließend deren Rechenzeit gegenübergestellt. Dabei zeigt sich, dass aufgrund der Struktur des resultierenden Optimierungsproblems die gewählten Lösungsvarianten teilweise äußerst effizient implementiert werden können und sich für die betrachteten Systeme des AC/DC- und DC/DC-Wandlers mit gängigen Echtzeitsystemen Zykluszeiten im einstelligen Mikrosekundenbereich erzielen lassen.

This thesis develops and analyzes optimal control methods for the nonlinear model predictive control (MPC) of a grid-connected three phase AC/DC rectifier/boost converter as well as a multiphase DC/DC buck converter. With the use of a MPC for high dynamic output voltage control of the two converters, control- and state variable restrictions can be taken into account systematically. Because of the fast dynamics of power electronic systems, a cycle time for the control in the lower microsecond range is required. Starting with the derivation of an envelope model of both converters for fast and efficient circuit simulation, first some subsidiary control- and state observing structures (load current and grid voltage estimation) are designed in which the MPC for output voltage control is embedded. The subsequent design of the MPC is based on a reduced model of the particular converter whereby different methods for solving the optimal control problem of the MPC are selected and analyzed. The composition and design of the solution algorithms is done with respect to an efficient and resource efficient implementation on state of the art CPU- or DSP-based real-time systems.Subsequently, the convergence behavior of the selected solution algorithms as well as their impact on the MPC performance is examined and compared with the respective calculation time needed. Because of the special optimization problem structure resulting from the MPC, some of the examined solving algorithms can be implemented very efficiently and it is shown that calculation times in the lower microsecond range can be achieved for the considered AC/DC- and DC/DC converter systems.