Microprocessor controlled matrix converter connector for power systems

• Autorzy: Szczepanik J. , Sieńko T.

Identyfikatory

DOI

10.4467/2353737XCT.15.091.3923

Warianty tytułu

PL

Sterowany mikroprocesorowo przekształtnik macierzowy do aplikacji w systemach elektroenergetycznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A matrix N×M multiphase converter is a simple structure incorporating N×M bi-directional switches, connecting N input phases to M output phases and able to convert input voltages into output voltages of any shape and frequency. However, commutation problems and complicated control algorithms keep it from being utilized on a large scale. This paper gives a solution to the control system of the multiphase matrix converters for power system application. The practical application of multiphase matrix converters (MC) in power systems involves the study of application requirements, possible converter topologies and the development of new, reliable control algorithms. The MC is working as a connection device between power systems or as an interconnection device within the power system. The proposed tasks performed by the MC in the power system are power flow control and power flow oscillation dumping. The device can be viewed as new FACTS device-series power system connector, based on straightforward energy conversion.

PL

Wielofazowy przekształtnik macierzowy N×M jest stosunkowo prostą strukturą złożoną z N×M dwubiegunowych zaworów łączących N faz wejściowych z M fazami wyjściowymi. Struktura ta teoretycznie może przekształcić dowolne napięcia wejściowe w dowolne napięcie wyjściowe (np. o innej fazie lub częstotliwości). Niestety problemy komutacyjne oraz trudne do implementacji algorytmy sterowania ograniczają możliwość stosowania tego urządzenia. Artykuł przedstawia nową metodę sterowania oraz sposób jej implementacji na mikroprocesor dla wielofazowego przekształtnika macierzowego. Metoda ta jest oparta na sterowaniu obszarowym i przeznaczona do zastosowania w systemie elektroenergetycznym. Praktyczna aplikacja przekształtnika musi w takim wypadku uwzględniać ograniczenia narzucane przez ten system, a wynikające z jego charakteru. Badania obejmują zatem stworzenie nowej procedury sterowania przekształtnika oraz analizę jego pracy w charakterze przesuwnika fazowego z uwzględnieniem narzuconych ograniczeń. Proponowane funkcje przekształtnika to kontrola rozpływu mocy czynnej w systemie oraz zastosowanie przekształtnika w urządzeniach typu FACTS.

Słowa kluczowe

EN

area based control; matrix converter control; multiphase matrix converter

PL

sterowanie obszarowe; sterowanie przekształtnikiem macierzowym; wielofazowy przekształtnik macierzowy

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej im. Tadeusza Kościuszki
• Czasopismo: Czasopismo Techniczne. Elektrotechnika
• Rocznik: 2015
• Tom: Y. 112, iss. 2-E
• Strony: 103--126
• Opis fizyczny: Bibliogr. 36 poz., wykr., wz.

Twórcy

autor

Szczepanik J.

• Institute of Electromechanical Energy Conversion, Faculty of Electrical and Computer Engineering, Cracow University of Technology

autor

Sieńko T.

• Institute of Electromechanical Energy Conversion, Faculty of Electrical and Computer Engineering, Cracow University of Technology

Bibliografia

• [1] Szczepanik J., Sieńko T., Nowoczesne urządzenia do kontroli rozpływu mocy w systemie elektro-energetycznym oparte na wielofazowym przekształtniku macierzowym, Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej Nr 32, 2013, pp. 83-86.
• [2] Szczepanik J., Sieńko T., New Multiphase Matrix Converter Based Device for Power Flow Control, Acta Energetica, 04/17 (2013), pp. 14-21, doi: 10.12736/issn.2300-3022.2013413.
• [3] Empringham L., Kolar J.W., Rodriguez J., Wheeler P.W., Clare J.C., Technological Issues and Industrial Application of Matrix Converters: A Review, Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol. 60, no. 10, Oct. 2013, pp. 4260, 4271, doi: 10.1109/TIE.2012.2216231.
• [4] Rodriguez J., Rivera M., Kolar J.W., Wheeler P.W., A Review of Control and Modulation Methods for Matrix Converters, Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol. 59, no. 1, Jan. 2012, pp. 58, 70, doi: 10.1109/TIE.2011.2165310.
• [5] Kolar J.W., Friedli T., Rodriguez J., Wheeler P.W., Review of Three-Phase PWM AC–AC Converter Topologies, Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol. 58, no. 11, Nov. 2011, pp. 4988, 5006, doi: 10.1109/TIE.2011.2159353.
• [6] Wheeler P.W., Rodriguez J., Clare J.C., Empringham L., Weinstein A., Matrix converters: a technology review, Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol. 49, no. 2, Apr. 2002, pp. 276, 288, doi: 10.1109/41.993260.
• [7] Casadei D., Serra G., Tani A., Zarri L., A review on matrix converters, Przegląd Elektrotechniczny, vol. 82, nr 2, 2006, pp. 15-25, ISSN 0033-2097.
• [8] Friedli Th., Kolar J.W., Milestones in Matrix Converter Research, IEEJ Journal of Industry Applications, vol. 1, 2012, pp. 2-14.
• [9] Nguyen T.D., Hong-Hee Lee, Dual Three-Phase Indirect Matrix Converter With Carrier-Based PWM Method, Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 29, no. 2, Feb. 2014, pp. 569, 581, doi: 10.1109/TPEL.2013.2255067.
• [10] Sun Y., Xiong W., Su M., Li X., Dan H., Yang J., Topology and Modulation For a New Multi-Level Diode-Clamped Matrix Converter, Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. PP, no. 99, 2015, p. 1, doi: 10.1109/TPEL.2014.2305711.
• [11] Keping You, Dan Xiao, Rahman M.F., Uddin M.N., Applying Reduced General Direct Space Vector Modulation Approach of AC–AC Matrix Converter Theory to Achieve Direct Power Factor Controlled Three-Phase AC–DC Matrix Rectifier, Industry Applications, IEEE Transactions on, vol. 50, no. 3, May–June 2014, 2243, 2257, doi: 10.1109/TIA.2013.2285956.
• [12] Rivera M., Rojas C., Wilson A., Rodriguez J., Espinoza J., Baier C., Muñoz J., Review of predictive control methods to improve the input current of an indirect matrix converter, Power Electronics, IET, vol. 7, no. 4, April 2014, pp. 886, 894, doi: 10.1049/iet-pel.2013.0327.
• [13] Nguyen T.D., Hong-Hee Lee, A New SVM Method for an Indirect Matrix Converter With Common-Mode Voltage Reduction, Industrial Informatics, IEEE Transactions on, vol. 10, no. 1, Feb. 2014, pp. 61, 72, doi: 10.1109/TII.2013.2255032.
• [14] Dasika J.D., Saeedifard M., A post-fault modulation strategy to control the matrix converter under an open-switch failure, Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2014 Twenty-Ninth Annual IEEE, 16–20 March 2014, pp. 1522, 1529, doi: 10.1109/APEC.2014.6803509.
• [15] Laskody T., Prazenica M., Kascak S., Space vector PWM for two-phase four-leg matrix converter, ELEKTRO, 19–20 May 2014, pp. 324, 327, doi: 10.1109/ELEKTRO.2014.6848911.
• [16] Dabour S.M., Rashad E.M., A new continuous PWM strategy for three-phase direct matrix converter using indirect equivalent topology, Power Electronics, Machines and Drives (PEMD 2014), 7th IET International Conference on 8–10 April 2014, pp. 1, 6, doi: 10.1049/cp.2014.0383.
• [17] Garcia C., Rivera M., Lopez M., Rodriguez J., Pena R., Wheeler P., Espinoza J., A Simple Current Control Strategy for a Four-Leg Indirect Matrix Converter, Power Electronics, IEEE Transactions on, 2015, vol. PP, no. 99, p. 1, doi: 10.1109/TPEL.2014.2321562.
• [18] Moin Ahmed SK., Abu-Rub H., Iqbal A., Multiphase Matrix Converter Topologies and Control, [in:] Power Electronics for Renewable Energy Systems, Transportation and Industrial Applications, eds. H. Abu-Rub, M. Malinowski, K. Al-Haddad, John Wiley & Sons, Ltd, Chichester, UK 2014, doi: 10.1002/9781118755525.ch15.
• [19] Levi E., Bodo N., Dordevic O., Jones M., Recent advances in power electronic converter control for multiphase drive systems, Electrical Machines Design Control and Diagnosis (WEMDCD), 11–12 March 2013 IEEE Workshop on, pp. 158, 167, doi: 10.1109/WEMDCD.2013.6525176.
• [20] Ahmed S.K.M., Iqbal A., Abu-Rub H., Generalized Duty-Ratio-Based Pulsewidth Modulation Technique for a Three-to-k Phase Matrix Converter, Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol. 58, no. 9, Sept. 2011, pp. 3925, 3937, doi: 10.1109/TIE.2010.2098373.
• [21] Rahman K., Iqbal Am., Abduallah A.A., Al-ammari R., Abu-Rub H., Space vector pulse width modulation scheme for three to seven phase direct matrix converter, Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 16–20 March 2014 Twenty-Ninth Annual IEEE, pp. 595, 601, doi: 10.1109/APEC.2014.6803369.
• [22] Bojoi R., Neacsu M.G., Tenconi A., Analysis and survey of multi-phase power electronic converter topologies for the more electric aircraft applications, Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM), 20–22 June 2012 International Symposium on, pp. 440, 445, doi: 10.1109/SPEEDAM.2012.6264566.
• [23] Ahmed Sk Moin, Abu-Rub Haitham, Salam Zainal, Iqbal Atif, Dual matrix converters based seven-phase open-end winding drive, Industrial Electronics (ISIE), 1–4 June 2014 IEEE, 23rd International Symposium on, pp. 2105, 2110, doi: 10.1109/ISIE.2014.6864942.
• [24] Szczepanik J., Sienko T., A new concept of application of multiphase matrix converter in power systems, EUROCON, 2007, The International Conference on &# 34; Computer as a Tool&# 34; 1535-1540 2007 IEEE.
• [25] Szczepanik J., Sienko T., New control strategy for multiphase matrix converter, Systems Engineering, 2008, ICSENG, 19th International Conference IEEE.
• [26] Szczepanik J., Sienko T., The Study of Implementation of Multiphase Matrix Converter in Power Systems, Przegląd Elektrotechniczny, nr 89, 2013.
• [27] Sieńko T., Schemat zastępczy przekształtnika macierzowego dla stanów dynamicznych przy sterowaniu jednookresowym, Czasopismo Techniczne, z. 1- E/2012, pp. 123-134.
• [28] Sieńko T., Sobczyk T.J., Modelling concept of N×M matrix converter under periodic control for dynamic states, Archives of Electrical Engineering, vol. 63, no. 2, 2014, pp. 305-315.
• [29] Sobczyk T.J., Control strategy of matrix converters, Proc. of European Conf. on Power Electronics and Applications (EPE), 1993, vol. 4, pp. 93-97.
• [30] Sobczyk T.J., The matrix converter – a universal power electronic unit, Prace Instytutu Elektrotechniki, 2002, vol. 211, pp. 6-21.
• [31] Sobczyk T., Szczepanik J., Rudek P., Application of Matrix converter as an inter-connection device in the power system, Czasopismo Techniczne, z. 3-E/2006, pp. 23-36.
• [32] Sienko T., Szczepanik J., Sobczyk T.J., Voltage phase controller for power systems, Electrical Power Quality and Utilisation, 2007, EPQU, 9th International Conference on 1–6 2007, IEEE.
• [33] Sobczyk T.J., Sienko T., Application of matrix converter as a voltage phase controller in power systems, Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, 2006, SPEEDAM, International Symposium on, IEEE, pp. 1322-1325.
• [34] Sobczyk T.J., Sienko T., Matrix converters control for high speed generators, Electric Machines and Drives, 2005, IEEE International Conference on, IEEE, pp. 1975-1980.
• [35] Sobczyk T.J., Sienko T., Danilewicz J.B., Study of asymmetrical regimes in matrix converters for multi-phase high speed generators, Power Tech, 2005, IEEE Russia, pp. 1-6.
• [36] Sienko T., Sobczyk T., Matrix converter control for applications to multi-phase high-speed microgenerators, Archives of Electrical Engineering, vol. 53, no. 2, 2004, pp. 217-228, Polish Scientific Publishers.