SUPERVISOR
Hamid Reza Karshenas
حمیدرضا کارشناس (استاد راهنما)
STUDENT
Sayed Majid Hosseini Khorasgani
سیدمجید حسینی خوراسگانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Analysis of Load and Grid Voltage Imbalance in a Vienna Rectifier
This thesis is concerned with Vienna rectifier performance under unbalanced loading and unbalanced grid voltage conditions. In order to ensure the widespread utilization of electrical traortation, fast electric vehicle (EV) charging stations are required. Due to the use of high-power off-board chargers, Fast EV charging stations are usually installed outside residential areas. Accompanied with technological advancement, dc microgrids are becoming an increasingly popular solution for many types of application such as fast EV charging stations. Renewable energy sources and energy storage integration in fast EV charging stations will be achievable through dc microgrid implementation. Different architectures can be assumed for a dc microgrid applied as a fast EV charging station. The bipolar single-bus structure provides more flexibility and also offers more power transfer capability while keeping the step-down ratio of dc-dc converters low. In a fast EV charging station, the central ac-dc converter acts as a grid interface and supplying dc microgrid. This converter plays an essential role in a fast EV charging station and enables sinusoidal input current shaping and regulation of the dc output voltage. In this thesis, a Vienna rectifier is employed as a central rectifier in a fast EV charging station with bipolar dc bus structure. A Vienna rectifier is an advantageous power factor correction (PFC) rectifier, which is compatible with bipolar dc bus structure. Considering bipolar dc bus structure, different loading condition may lead to dc link voltage imbalance. The goal of this work is to find suitable control and modulation approaches for dc link voltage balancing. Firstly, topology, operating principle, analytic equation and three-level space vector modulation for Vienna Rectifier are described. Two predictive control methods, i.e. deadbeat predictive control and finite control set-model predictive control (FCS-MPC) are studied in details and compared. Simulation results are presented in order to show the performance of aforementioned control methods in achieving sinusoidal current shaping and output voltage regulation. Due to the importance of dc link voltage imbalance caused by different load scenarios, analytic expression for Vienna rectifier under unbalanced dc link voltage is derived. Consequently, dc link voltage balancing methods are presented for both deadbeat predictive control and FCS-MPC. Simulation results for the verification of these methods are demonstrated. Grid voltage unbalance is regarded as a power quality problem, which may affect the performance of three-phase rectifiers. Therefore, in this thesis, the effect of grid voltage unbalance on Vienna rectifier operation is presented and analytic equation regarding this situation is introduced. Then, based on an instantaneous power theory, two compensation schemes for a Vienna rectifier system under grid voltage unbalance are proposed and verified by simulation results. In this thesis, experimental results obtained from a laboratory type setup are presented and compared with simulation results in order to validate the performance of proposed control algorithms. Keywords Deadbeat Predictive Control, FCS-MPC, Grid Voltage Unbalance, Load Unbalance, Vienna Rectifier
در این پایان‌نامه روش‌های پیشنهادی برای حل چالش عدم تعادل بار و ولتاژ شبکه در یکسوکننده وینا ارائه می‌شود. با گسترش روزافزون حمل‌ونقل برقی ضرورت ساخت ایستگاه‌های شارژ سریع خودروی برقی بیش‌ازپیش احساس می‌گردد. ایستگاه‌های شارژ سریع خودروی برقی، توان بالا بوده و معمولاً در خارج از مناطق مسکونی نصب می‌شوند. امروزه ساختار ایستگاه‌های شارژ سریع خودروی برقی از شکل سنتی فراتر رفته و تحت عنوان مفهوم ریزشبکه‌های dc قرار می‌گیرد. در این صورت قابلیت ادغام منابع انرژی تجدیدپذیر و ذخیره‌سازهای انرژی در سمت dc ایستگاه شارژ فراهم می‌شود. سمت dc ایستگاه شارژ خودروی برقی، به‌عنوان یک ریزشبکه dc می‌تواند ساختارهای مختلفی داشته باشد. ساختار تک‌باس دوقطبی در عین سادگی، انعطاف زیادی دارد و با حفظ نسبت تبدیل معمول ولتاژ در مبدل‌های رایج dc-dc، امکان انتقال انرژی را بالا می‌برد. به دلیل امکان اتصال بارهای مختلف به دو قطب لینک dc، امکان ایجاد عدم تعادل ولتاژ در لینک dc این ساختار وجود دارد. در ساختار ایستگاه شارژ سریع خودروی برقی، ریزشبکه dc از طریق یک مبدل ac-dc با قابلیت انتقال توان بالا به شبکه ac متصل می‌شود. این مبدل مرکزی نقش مهمی در ساختار ایستگاه شارژ سریع خودروی برقی ایفا کرده و باید قادر به جریان‌کشی سینوسی با ضریب توان واحد از ورودی و تنظیم ولتاژ لینک dc خروجی باشد. در این پایان‌نامه یکسوکننده وینا به‌عنوان مبدل مرکزی ایستگاه شارژ سریع خودروی برقی معرفی می‌شود. یکسوکننده وینا مزایای زیادی داشته و به دلیل دوقطبی بودن لینک dc آن، برای به‌کارگیری در ایستگاه شارژ سریع خودروی برقی با ساختار تک‌باس دوقطبی پیشنهاد می‌شود. بارگذاری مختلف روی دو قطب لینک dc منجر به پیدایش عدم تعادل ولتاژ در لینک dc می‌گردد. تمرکز این پایان‌نامه بر روی یافتن سازوکارهای کنترلی مناسب جهت متعادل‌سازی ولتاژ لینک dc قرار می‌گیرد. در این پایان‌نامه ابتدا ساختار مبدل وینا، نحوه عملکرد آن و روابط بنیادی این یکسوکننده بیان شده و در ادامه نحوه مدولاسیون متداول بردار فضایی برای یکسوکننده وینا تشریح می‌گردد. در این پایان‌نامه روش کنترل پیش‌بین deadbeat بر روی یکسوکننده وینا پیاده‌سازی می‌شود. هم‌چنین تفاوت‌های دو روش کنترل پیش‌بین deadbeat و کنترل پیش‌بین مدلی با حالت‌های متناهی از دیدگاه کنترل، مدولاسیون و فرکانس کلیدزنی بیان شده و نتایج شبیه‌سازی حاصل از پیاده‌سازی این دو روش کنترل بر روی یکسوکننده وینا نشان داده خواهد شد. درنتیجه توانایی این دو روش در جریان‌کشی سینوسی و با ضریب توان واحد از ورودی و تنظیم ولتاژ لینک dc بررسی می‌شود. با توجه به اهمیت چالش عدم تعادل بار در یکسوکننده وینا، کلیه روابط تحلیلی برای یکسوکننده وینا در شرایط عدم تعادل بار ارائه خواهد شد. هدف از ارائه این روابط ریاضی، بررسی آثار عدم تعادل بار بر روی یکسوکننده وینا است. در این پایان‌نامه روش حل چالش عدم تعادل بار در یکسوکننده وینا برای روش‌های کنترلی پیش‌بین deadbeat و پیش‌بین مدلی با حالت‌های متناهی پیشنهاد می‌شود و توانایی روش پیشنهادی در متعادل‌سازی ولتاژ لینک dc در شرایط عدم تعادل بار به‌کمک شبیه‌سازی بررسی می‌گردد. در این پایان‌نامه عدم تعادل ولتاژ شبکه به‌عنوان یک مشکل رایج در کیفیت توان معرفی شده و آثار این عدم تعادل بر روی یکسوکننده وینا به‌کمک روابط تحلیلی تشریح می‌شود. در ادامه، رویکردهای حل چالش عدم تعادل ولتاژ شبکه در یکسوکننده وینا با استفاده از تئوری توان‌های لحظه‌ای برای هر دو روش کنترل پیش‌بین deadbeat و مدلی با حالت‌های متناهی پیشنهاد می‌گردد. نتیجه اجرای این رویکردها به‌کمک شبیه‌سازی نشان داده خواهد شد. در این پایان‌نامه پیاده‌سازی عملی روش‌های پیشنهادی برای حل چالش مربوط به عدم تعادل بار و عدم تعادل ولتاژ شبکه انجام می‌شود. نتایج عملی حاصل از پیاده‌سازی روش‌های پیشنهادی برای سیستم کنترل پیش‌بین مدلی با حالت‌های متناهی نشان داده شده و مطابقت آن‌ها با نتایج شبیه‌سازی بررسی می‌گردد. کلمات کلیدی: 1- عدم تعادل بار 2- عدم تعادل ولتاژ شبکه 3- کنترل پیش‌بین deadbeat 4-کنترل پیش‌بین مدلی با حالت‌های متناهی 5- یکسوکننده وینا