DC-side differential mode filtering for voltage source converters

Abstract

(English) When using voltage source converters (VSC) to control the load flow between the DC voltage circuit and n-phase AC consumers/generators, distortion currents/voltages occur due to the principle involved. These describe the deviation of the real, measurable signal from its ideal, desired course. The distortion voltages occurring at the AC-side connection points of the VSC correspond to the deviation from the specified set voltage. At the DC-side connection point strong distortion currents are superimposed on the direct current emitted or absorbed by the VSC. Within the scope of this work, the emergence of the DC-side distortion currents, caused by the switching mode of operation of the VSC, based on corresponding literature sources, is discussed. The consideration here is limited to the differential mode components of the currents mentioned, a common mode consideration is not carried out. Criteria for describing the DC-side distortion currents and factors for influencing these criteria are derived from the results of the investigations carried out. For a given system and operating range, the distortion current stress caused by the VSC can be varied by adapting the control method used. For this purpose, different control methods found in the literature are selected and the operating point-dependent distortion current stress caused by them is determined analytically. To verify the results, a simulation model is developed and tests are carried out on an experimental test setup. The VSC is operated with a modulator-based control method as well as with a direct current control method. The results are compared regarding the DC-side distortion current. Namely, the control methods used are Space Vector Modulation (SVM) and Scalar Hysteresis Control (SHC). The latter was developed at the Technical University of Applied Sciences Wuerzburg-Schweinfurt. If the DC-side distortion current stress caused by the VSC is known, a filter can be designed that reduces the interference emission of the VSC to a specified level. As a level for the remaining interference emission, the remaining voltage ripple at the DC-side connection point of the filter is usually used in regulative specifications. Passive filters consisting of one or more capacitors of the same or different type are usually used for this purpose. This filter structure is described below as conventional structure. The different variants are presented accordingly and the filter capacitor is designed analytically/numerically on a concrete example for the DUT operated with SHC as well as SVM. Concepts known from literature for reducing the passive filter effort are presented and their effects on the DC-side distortion current load are described analytically. The concepts presented are divided into the categories of horizontal and vertical extension of the VSC as well as extension by downstream active components. In the second part of the work, a non-linear hybrid filter consisting of an actively controlled four-quadrant controller and two passive filter stages is designed and a methodology for the design of the components is developed. Furthermore, a modulation scheme with superimposed control for the use of the four-quadrant controller as an active filter is developed. The methodology for designing the filter is applied to the DUT used in this work as an example. The verification of the calculated results is carried out using a simulation model and an experimental test setup. Finally, the presented and more detailed passive filter variants as well as the developed non-linear hybrid filter are compared with each other in terms of construction volume and interference immunity. This shows that the presented non-linear hybrid filter has a significantly better interference immunity and a lower tendency to oscillate compared to passive filters. As a result, a more stable filter effect can be expected, especially when used in dynamic systems or systems with unknown dynamic behaviour.

(Català) Quan s'utilitzen convertidors de font de tensió (VSC) per controlar el flux de càrrega entre un circuit de corrent continu (DC) i els consumidors/generadors de corrent altern (AC) de n fases, es produeixen distorsions en corrents i tensions a causa de la pròpia estratègia de modulació i la commutació. La distorsió del corrent que es produeix al costat AC del VSC correspon a la desviació de la tensió generada pel convertidor. Al costat DC es superposen aquestes amb les de commutació i fa necessari l’ús de grans filtres capacitius per mitigar-les. En el marc d'aquest treball, es discuteix l'aparició dels corrents de distorsió del costat DC, causats pel mode de commutació del VSC, basant-se en fonts de la literatura. La consideració aquí es limita als components de mode diferencial dels corrents esmentats, no es realitza una consideració de mode comú. Es deriven criteris per descriure els corrents de distorsió del costat DC i factors per influir en aquests criteris a partir dels resultats de les investigacions realitzades. Per a un sistema i rang de funcionament determinats, l'estrès del corrent de distorsió causat pel VSC es pot variar adaptant el mètode de control utilitzat. Amb aquest propòsit, es seleccionen diferents mètodes de control trobats a la literatura i es determina analíticament l'estrès del corrent de distorsió dependent del punt de funcionament causat per ells. Per verificar els resultats, es desenvolupa un model de simulació i es realitzen proves en un muntatge experimental. El VSC es fa funcionar amb un mètode de control basat en modulador així com amb un mètode de control de corrent continu. Els resultats es comparen pel que fa al corrent de distorsió del costat DC. Concretament, els mètodes de control utilitzats són la Modulació de Vector Espacial (SVM) i el Control de Histèresi Escalar (SHC). Aquest últim va ser desenvolupat a la Universitat Tècnica de Ciències Aplicades de Wuerzburg-Schweinfurt. Si es coneix l'estrès del corrent de distorsió del costat DC causat pel VSC, es pot dissenyar un filtre que redueixi l'emissió d'interferències del VSC a un nivell especificat. Com a nivell per a l'emissió d'interferències restant, normalment s'utilitza l'ondulació de tensió restant al punt de connexió del costat DC del filtre en especificacions regulatives. Per a aquest propòsit, normalment s'utilitzen filtres passius que consisteixen en un o més condensadors del mateix o diferent tipus. Aquesta estructura de filtre es descriu a continuació com a estructura convencional. Les diferents variants es presenten en conseqüència i el condensador del filtre es dissenya analíticament/numèricament en un exemple concret per al DUT operat amb SHC així com SVM. En la segona part del treball, es dissenya un filtre híbrid no lineal que consisteix en un convertidor de quatre quadrants controlat activament i dues etapes de filtre passiu, i es desenvolupa una metodologia per al disseny dels components. A més, es desenvolupa un esquema de modulació amb control superposat per a l'ús del convertidor de quatre quadrants com a filtre actiu. També es presenta la metodologia per dissenyar el filtre s'aplica al DUT utilitzat en aquest treball com a exemple. La verificació dels resultats calculats es realitza utilitzant un model de simulació i un muntatge experimental. Finalment, es comparen les variants de filtre passiu presentades i més detallades així com el filtre híbrid no lineal desenvolupat pel que fa al volum de construcció i la immunitat a les interferències. Això mostra que el filtre híbrid no lineal presentat té una immunitat a les interferències significativament millor i una menor tendència a oscil·lar en comparació amb els filtres passius. Com a resultat, es pot esperar un efecte de filtre més estable, especialment quan s'utilitza en sistemes dinàmics o sistemes amb comportament dinàmic desconegut.

(Español) Cuando se utilizan convertidores de fuente de tensión (VSC) para controlar el flujo de carga entre el circuito de tensión continua y los consumidores/generadores de corriente alterna de n fases, se producen corrientes/tensiones de distorsión debido al principio implicado. Las tensiones de distorsión que se producen en los puntos de conexión del lado de CA del VSC corresponden a la desviación de la tensión nominal especificada. En el punto de conexión del lado de CC se superponen fuertes corrientes de distorsión a la corriente continua emitida o absorbida por el VSC. En el ámbito de este trabajo, se analiza la aparición de las corrientes de distorsión del lado de CC, causadas por el modo de conmutación del funcionamiento del VSC, basándose en las fuentes bibliográficas correspondientes. La consideración aquí se limita a los componentes de modo diferencial de las corrientes mencionadas, no se lleva a cabo una consideración de modo común. Los criterios para describir las corrientes de distorsión del lado de CC y los factores que influyen en estos criterios se derivan de los resultados de las investigaciones realizadas. Para un sistema y un rango de funcionamiento determinados, la tensión de la corriente de distorsión causada por el VSC puede variarse adaptando el método de control utilizado. Para ello, se seleccionan diferentes métodos de control encontrados en la literatura y se determina analíticamente la tensión de corriente de distorsión dependiente del punto de funcionamiento causada por ellos. Para verificar los resultados, se desarrolla un modelo de simulación y se realizan pruebas en un montaje experimental. El VSC funciona con un método de control basado en moduladores y con un método de control de corriente continua. Los resultados se comparan con respecto a la corriente de distorsión del lado de CC. Los métodos de control utilizados son la modulación vectorial espacial (SVM) y el control de histéresis escalar (SHC). Este último se desarrolló en la Universidad Técnica de Ciencias Aplicadas de Wuerzburg-Schweinfurt. Si se conoce la tensión de corriente de distorsión del lado de CC causada por el VSC, puede diseñarse un filtro que reduzca la emisión de interferencias del VSC a un nivel especificado. Como nivel para la emisión de interferencias restante, en las especificaciones de regulación se suele utilizar la ondulación de tensión restante en el punto de conexión del lado de CC del filtro. Para ello se suelen utilizar filtros pasivos compuestos por uno o varios condensadores del mismo o distinto tipo. Esta estructura de filtro se describe a continuación como estructura convencional. Las diferentes variantes se presentan en consecuencia y el condensador del filtro se diseña analítica/numéricamente en un ejemplo concreto para el DUT operado con SHC así como con SVM. Se presentan y describen analíticamente conceptos conocidos en la literatura para reducir el esfuerzo del filtro pasivo. Los conceptos presentados se dividen en las categorías de extensión horizontal y vertical del VSC, así como la extensión por componentes activos aguas abajo. En la segunda parte del trabajo, se desarrolla un filtro híbrido no lineal. Se desarrolla un esquema de modulación para el uso del controlador de cuatro cuadrantes como filtro activo. La metodología para el diseño del filtro se aplica al DUT utilizado en este trabajo como ejemplo. La verificación de los resultados calculados se lleva a cabo utilizando un modelo de simulación y una configuración de prueba experimental. Por último, las variantes de filtro pasivo y el filtro híbrido no lineal desarrollado se comparan entre sí en términos de volumen de construcción e inmunidad a interferencias. El filtro híbrido no lineal presenta una mejor inmunidad a las interferencias y una menor tendencia a oscilar. Como resultado, cabe esperar un efecto de filtro más estable, especialmente cuando se utiliza en sistemas dinámicos o sistemas con un comportamiento dinámico desconocido.