Flachheitsbasierte Regelungen für moderne leistungselektronische Systeme
Final Report Abstract
Es wurde für ausgewählte leistungselektronische Systeme die differentielle Flachheit gezeigt. Die differentielle Flachheit ist eine strukturelle Eigenschaft der verwendeten Modelle, die den Systementwurf (Analyse, Optimierung. Entwurf von Steuerungen und Regelungen) deutlich vereinfacht. Sie bedeutet im Wesentlichen, dass sich das Verhalten sämtlicher Systemgrößen durch jenes einer endlichen Zahl geeignet gewählter Größen (sogenannter flacher Ausgänge} parametrieren lässt. Für die im Rahmen des Projekts untersuchten Systeme wurden Algorithmen zur Trajektorienplanung entwickelt sowie Folgeregler ausgelegt. Für Systemparameter, bei denen starke zeitliche Schwankungen zu erwarten sind, wurden Methoden zu deren Rekonstruktion in Echtzeit entwickelt {Beobachter, Identifikationsalgorithmen), so dass eine adaptive Regelung möglich wird. Bei den untersuchten Systemen handelt es sich im Einzelnen um • Tiefsetzsteller. • Hochsetzsteller (zum einen als Gleichspannungssteller. zum anderen als Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur), • dreiphasige Gleich- und Wechselrichter (sowohl als Dreileiter, als auch als Vierleitersystem), • die als "Vienna-Rectifier" bekannte Gleichrichterschaltung, • eine doppeltgespeiste Asynchronmaschine mit dem dazugehörigen Umrichter, • eine Asynchronmaschine mit leistungselektronischem Stellglied und • eine die Tiefsetzsteuertopologie nutzende Schaltung zur Verbesserung der Versorgungsspannungsform einer Last an einer einphasigen Wechselspannung. Es konnte gezeigt werden, dass eine flachheitsbasierte Regelung, insbesondere bei verrauschten Messsignalen gegenüber konventionellen Regelungskonzepten deutliche Vorteile zeigt, speziell wenn schnelle Überführungen zwischen Arbeitspunkten erforderlich sind. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass (in gewissem Sinne) die nominelle Stellgröße in flachheitsbasierten Folgereglern besondere Berücksichtigung findet. Dieses Ergebnis wurde beispielhaft für die untersuchten Gleichspannungssteller experimentell bestätigt. Es wurde ein neuer algebraischer Ansatz zur Parameteridentifikation untersucht. Dabei stand die Frage im Mittelpunkt, inwieweit sich dieser für leistungselektronische Systeme eignet und praktisch umsetzen lässt. Die experimentellen Untersuchungen zeigen, dass sich diese Identifikationsalgorithmen sowohl "schneller", als auch resistenter gegenüber Rauschen gestalten lassen als klassische Beobachter, die ebenfalls implementiert wurden. Diese günstigeren Eigenschaften gehen jedoch mit einem höheren Speicherplatzbedarf sowie einer größeren Rechenzeit einher. Für dreiphasige Gleich- und Wechselrichter wurde eine geometrische Methode gefunden, um vorn Regler ausgegebene ungültige Schalterstellungen zu vermeiden. Insbesondere bei der Topologie mit unidirektionalem Leistungsfluss ("Vienna-Rectifier") können so Verzerrungen in den Verläufen der Netzströme vermieden werden. Diese Methode kann auch in Verbindung mit anderen Regelungskonzepten verwendet werden, da der Einsatz des Verfahrens keine flachheitsbasierte Regelung voraussetzt. Der Schwerpunkt der Arbeit in unmittelbarer Zukunft liegt auf mechatronischen Verbundsystemen, insbesondere Anwendungen, die elektrische Motoren oder Generatoren aufweisen. Bei allen Untersuchungen soll die flachheitsbasierte Beschreibung genutzt werden, um im Rahmen einer Trajektorienplanung die Systemgrößen im Voraus berechnen zu können. Dabei steht die Erfüllung eines gewünschten Steuerungsziels im Vordergrund, wobei jedoch zusätzlich die Einhaltung bestimmter Forderungen hinzukommen kann. Dies kann z.B. die Forderung nach einer Minimierung der im System auftretenden Verlustleistung sein. Eine weitere Untersuchungsrichtung liegt in der Vorausberechnung der zu erwartenden Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter bei Einsatz von Ansteuermethoden mit variabler Schaltfrequenz (z.B. bei Reglern, die in einer Art Gleitregime betrieben werden), so dass Erkenntnisse über die Dimensionierung leistungselektronischer Schalter gewonnen werden können. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Anwendung flachheitsbasierter Regler vor allem dort sinnvoll erscheint, wo "schnelle" Überführungen zwischen Arbeitspunken bzw. Reaktionen auf Lastwechsel erforderlich sind und hohe Ansprüche an die Erfüllung der Regelungsaufgabe Mehrkosten für einen erhöhten Aufwand auf Seiten der Regelungsplattform rechtfertigen. Mögliche Anwendungsgebiete werden z.B. bei • Spannungsversorgungen mit besonders hohen Anforderungen an die dynamischen Eigenschaften des geregelten Systems, • Netzgleichrichtern und Maschinenumrichtern in elektrischen Traktionsantrieben und • Windenergieanlagen gesehen.
Publications
- Flatness based control of three-phase boost rectifiers. In: European Conference on Power Electronics and Applications Rec., EPE 2005. Dresden, 2005.
Gensior, A.; Rudolph, J.; Güldner. H.
- Flatness based control of the VIENNA-rectifier allowing for reactive power compensation. In: IEEE Power Electronics Specialists' Conference Rec., PESO 2006. Jeju, Korea, 2006.
Gensior, A.; Todtermuschke, K.; Weber, J.; Güldner. H.
- On Differential Flatness, Trajectory Planning, Observers, and Stabilization for DC-DC Converters. In: IEEE Trans. Circuits and Systems-I 53 (2006), September, Nr. 9: S. 2000- 2010.
Gensior, A.; Woywode. 0.; Rudolph, J.; Güldner, H.
- An algebraic parameter identification algorithm and asymptotic observers for estimation of the load of a boost converter. In: IEEE International Symposium on Industrial Electronics Rec., ISIE 2007. VigO; Spain, 2007.
Gensior, A.; Weber, J.; Rudolph, J.; Güldner, H.
- Flachheitsbasierte Steuerung gepulster Gleichrichter. In: Tagungsband GMA Workshop 1.40. Salzburg, Österreich: Gesellschaft für Mess- und Automatisierungstechnik, 2007, S. 232-245.
Gensior, A.; Rudolph, J.; Güldner, H.
- Flatness-based control of a line conditioner for a single phase ac system. In: Congresso Brasileiro de Eletrönica de Potencia, COBEP 2007. Blumenan, Brazil, 2007.
Weber. J.; Güldner. H.; Mohr, H. B.; Mussa, S. A.
- Untersuchungen zum aperiodischen Verhalten des Hochsetzstellers mit stromprogrammierter Regelung, Dissertation, 2007.
Weber. J,
- Flatness based loss optimization for a doubly fed induction generator system. In: IEEE International Symposium on Industrial Electronics Rec., ISIE 2008. Cambridge, UK, 2008.
Gensior, A.; Rudolph, J.; Güldner, H.
