Control design of single phase inverters with multiple modulation strategies and variable switching frequency

Ramos Hortal, Regina (2020). Control design of single phase inverters with multiple modulation strategies and variable switching frequency. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.66312.

Description

Title: Control design of single phase inverters with multiple modulation strategies and variable switching frequency
Author/s:
  • Ramos Hortal, Regina
Contributor/s:
  • Cobos Márquez, José Antonio
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

In the last decades, to seek new solutions to mitigate the greenhouse effect has gained interest. Great efforts are being invested in growing the use of renewable energies; been photo-voltaic energy one of this sector’s main bets. In this line, new solutions have been proposed from high power three-phase inverters developed to take advantage of the generation of large “solar farms” to small microinverters for distributed generation for small domestic applications. In July 2014, in collaboration with the IEEE, Google launched the international contest “The little box challenge” to promote the development of single-phase inverters with a high power density ( > 50 W/in3). Powered from solar panels or domestic batteries and capable of generating 240 Vrms and 60 Hz output voltage (specifications of the American grid). More than 2000 teams participated in this competition whose prize was 1 M$. The CEI@UPM team was focused on trying to develop a single-stage new power topology capable of generating the desired voltage while maintaining a low input ripple and trying to do it processing the minimum indirect power. Hence, the volume of the reactive elements of the system was the minimum possible. A power stage was proposed that consists of only six transistors and a single coil, at the cost of increasing the complexity of modulation, requiring numerous modes of operation to be able to generate the necessary voltages and currents. So the complexity of the problem is transferred from the power stage to the design of the control loops. The main objective of this thesis is to design the control of the inverter mentioned previously. First of all, the fundamentals of the topology and the optimization metric used for its development will be briefly explained. As said above, it is based on trying to minimize the power processed by the reactive elements. In this case, it focuses on reducing the power processed through the coil. Once the topology to be controlled is presented, it is necessary to define and analyze the different modulations that will be applied along the line cycle. In this work, the voltage and current restrictions of each mode are studied, and it has been developed a mode selector valid for the entire line cycle and any load defined in the specification. After that, it is necessary to identify the system to be controlled. Firstly, an analytically modeling of each mode’s frequency response has been carried out considering the three ports as quasi-static DC ports. Finally, the frequency response of the converter has been obtained through simulation. Due to the system’s high complexity, a homogenization stage (based on the plant inversion) that allows implementing a single set of regulators valid for all modulations is included. At this point, the design of the different control loops can be tackled. The homogenization stage not only allows having a single set of regulators but also allows decoupling the design of the loops that control the output and input ports. Therefore, the control algorithm consists of two equivalent structures with an internal current loop and an external voltage loop. The output voltage regulation has an internal average inductor current loop, whereas to control the input current, an outer loop is available to monitor the storage capacitor voltage. Operating with a single-stage implies certain bandwidth restrictions. To ensure the desired dynamic responses, a block for estimating the output power is included. The output power estimation allows adjusting the input current quickly after load steps. Finally, the different aspects analyzed in this work have been validated through simulations, and these tests have been complemented with experimental results carried out with a 1 kV A power prototype. In conclusion, this work allows simplifying the control design of complex systems without penalizing the power stage. The required dynamic specifications are assured with a design based on homogenizing the system by inverting the plant and ensuring the correct flow of energy between the various ports, not only in steady-state but also under load steps. ----------RESUMEN---------- En las últimas décadas ha aumentado el interés de buscar nuevas soluciones para combatir el cambio climático. Grandes esfuerzos se están invirtiendo en el desarrollo del aprovechamiento de las energías renovables, siendo la energía fotovoltaica una de las principales apuestas del sector de las renovables. En esta línea se están desarrollando desde nuevos inversores trifásicos para el aprovechamiento de la generación de los grandes “huertos solares” hasta pequeños microinversores para generación distribuida para pequeñas aplicaciones domésticas. En julio de 2014 Google junto con el IEEE lanzaron la competición internacional “The little box challenge” para promover el desarrollo de inversores monofásicos que pudieran ser alimentados desde paneles solares o baterías domésticas y fueran capaces de generar una red de 240 Vrms y 60 Hz (especificaciones propias del mercado americano) teniendo una gran densidad de potencia (> 50 W/in3). Más de 2000 equipos participaron en dicha competición cuyo premio ascendía a 1 M$. El equipo CEI@UPM se centró en tratar de desarrollar una nueva topología de potencia que, con una única etapa, fuera capaz de generar la tensión deseada manteniendo un reducido rizado de entrada y tratando de hacer el mínimo procesamiento de energía de manera que el volumen de los elementos reactivos del sistema fuera el mínimo posible. Se desarrolló una etapa de potencia formada tan solo por seis transistores y una única bobina, a costa de aumentar la complejidad de la modulación siendo necesarios numerosos modos de operación para ser capaces de generar las tensiones y corrientes deseadas. De manera que con esta nueva topología se traslada la complejidad del problema de la etapa de potencia al diseño de los lazos de control. El objetivo principal de esta tesis doctoral se centra en el desarrollo del control de dicho inversor. En primer lugar, se va a explicar brevemente los fundamentos de dicha topología y la métrica de optimización utilizada para su desarrollo que, como se ha dicho anteriormente, se basa en tratar de minimizar la energía procesada por los elementos reactivos, en este caso se centra en minimizar la energía procesada por la bobina. Tras ser estudiada la topología a controlar es necesario definir y analizar las distintas modulaciones que se van a aplicar a lo largo del ciclo de red. Dentro de este trabajo se estudian las zonas de validez de cada uno de los modos y se desarrolla un selector de modos válido para todo el ciclo de red y tipo de cargas incluidas en la especificación del concurso. Una vez que se han presentados los distintos modos de operación del convertidor y se ha desarrollado un selector de modos que analiza en cada momento cuál es la modulación que debe ser aplicada. A su vez, se aborda el estudio de la identificación del sistema que se va a controlar. Para ello se trata de modelar de forma analítica la respuesta en frecuencia de cada modo, optando finalmente por realizar el modelado del sistema mediante simulación. Viendo la complejidad que presenta el sistema, se propone incluir una etapa de homogeneización que permita implementar un único conjunto de reguladores válido para todas las modulaciones. Es en este punto cuando se puede empezar a diseñar los distintos lazos de control. La etapa de homogeneización no solo permite tener un único conjunto de reguladores sino que también permite desacoplar el diseño de los lazos que controlarán el puerto de salida y el puerto de entrada. Por tanto, el algoritmo de control constará de dos estructuras equivalentes que tendrán un lazo de corriente interno y un lazo de tensión externo, por un lado la regulación de la tensión de salida contará con un lazo interno de corriente media de la bobina, mientras que para controlar la corriente de entrada se dispondrá de un lazo externo que monitorice la tensión del condensador de almacenamiento. Trabajar con una única etapa implica ciertas restricciones de anchos de banda y para poder asegurar las respuestas dinámicas deseadas se incluye un bloque de estimación de la potencia de salida que permita adaptar la corriente de entrada de forma rápida tras escalones de carga. Finalmente, los distintos aspectos analizados en este trabajo se han validado mediante simulaciones y dichos resultados se han complementado con pruebas experimentales realizadas con un prototipo de 1 kV A de potencia. En conclusión, este trabajo permite simplificar el diseño del control de sistemas complejos sin penalizar la etapa de potencia para obtener las especificaciones dinámicas requeridas, basándose principalmente en homogeneizar el sistema mediante la inversión de la planta y asegurando el correcto flujo de energía entre los diversos puertos tanto en régimen permanente como ante escalones de carga.

Funding Projects

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Government of SpainUnspecifiedUnspecifiedUnspecifiedFPU grant program.

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Item ID: 66312
DC Identifier: http://oa.upm.es/66312/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:66312
DOI: 10.20868/UPM.thesis.66312
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 21 Mar 2021 07:20
Last Modified: 21 Mar 2021 07:20
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