Amplitude Control of a State Signal Shaping Model Predictive Controller for Power Quality Compensation in Distribution Grids

Abstract

Leistungselektronik ist in nahezu jedem industriellen und privaten Sektor zu finden und zudem ein wichtiger Bestandteil, um regenerative Energiequellen in das elektrische Versorgungsnetz einzubinden. Mit der zunehmenden Zahl leistungselektronischer Komponenten steigen die Anforderungen an die Netzqualität, um eine sichere und effiziente elektrische Energieversorgung sicherstellen zu können. Aktive Netzleistungsfilter stellen Blindleistungs- und Oberwellenkompensation bereit, um die Netzqualität anzuheben und Energieverluste zu minimieren. Es existieren zwar ausgereifte Methoden, um aktive Netzleistungsfilter zu entwerfen und um sie zu regeln, die Verfügbarkeit von leistungsfähigen Computern ermöglicht es jedoch, komplexere Regelungstechniken zu erproben. Diese Arbeit erweitert einen neuartigen modellprädiktiven Regler, um ihn für Oberwellenkompensation einsetzen zu können. Zu diesem Zweck wird ein neuer Ansatz zur Amplitudenstabilisierung vorgestellt und ein Vergleich der Methode mit einem klassischen Konzept zur Oberwellenkompensation wird mit Hilfe von Simulationen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass der neuartige Regler nicht nur dieselbe Leistungsfähigkeit besitzt wie der klassische Ansatz, sondern zudem noch flexibel gegenüber Laständerungen ist.

Power electronics are widely-used in nearly every industrial and domestic sector and an important component for the integration of renewable energy systems into the electrical grid. Their increasing share comes along with power quality issues, that need to be addressed to ensure a safe and efficient electric power supply. Active power filters provide reactive power and harmonic compensation in order to reduce losses and to improve the overall power quality of the grid. While proven techniques for the design and control of active power filters exist, the availability of higher computational power enables the examination of more advanced control methods. This thesis enhances the novel linear state signal shaping model predictive control scheme to facilitate this method for harmonic compensation. For this purpose, new approaches for amplitude control are presented and a performance comparison with a classical active power filter is conducted with simulations. Results show, that the new controller not only matches up to the performance of the classical concept, but is also able to adjust to load changes.