This thesis aims to develop new control methods for the single-phase quasi-Z-source
inverters (qZSIs). The key challenge lies in the design of suitable control method for
the qZSI which is a nonlinear multi-input-multi-output (MIMO) system. Hence, from
the control point of view, developing an integrated control technique is a challenging
issue. Although the conventional control methods attain reasonable responses,
suppression of double frequency ripple (DFR), robustness against parameter variations
and simplification issues are still open issues. Thus, the proposed new control methods
target to achieve these objectives.
A novel approach which is created based on the model of the system while tuning the
current of the system (MBCC) with DFR mitigation, virtual time constant and active
damping to damp the resonances of the LCL filter is presented for a grid-tied qZSI as
the first control method in this thesis.
The second control method proposed in this thesis is a MIMO sliding mode control
(SMC) which aims to control all variables of qZSI concurrently. This control approach
not only synchronizes the control of all state variables at the same time, but also offers
simplification in the implementation without using proportional-integral (PI)
controllers in the dc-side, robustness to parameter variations, DFR mitigation when
the sliding constant in the dc-side is selected appropriately and fixed switching
frequency by introducing boundary layer technique. The boundary layer smooths the
sliding functions and makes them appropriate for the PWMprocess. The applicability
of the MIMO SMC method is also investigated for a single-phase high gain Z-source
inverter which is called switched Z-source inverter (SZSI) in the literature. The
effectiveness and validity of the proposed control methods are supported by simulation
results in MATLAB/Simulink environment and the experimental results. The results
show that the DFR mitigation approach can remove the DFR in the inductor current
successfully and the MBCC method is also an efficient approach with fast dynamic
response, zero steady state error and active damping of the resonance. Moreover,
MIMO SMC can also achieve the goals with zero steady state error, robustness against
parameter variation and fast dynamic response while attaining fixed switching
frequency.
Keywords: Active damping, double frequency ripple, quasi-Z-source inverter, LCL
filter, proportional-resonant control, boundary layer, sliding mode control, switched
Z-source inverter
ÖZ:
Bu tez, tek-faz yarı-empedans-kaynaklı evirgeçler (qZSI) için yeni denetleme
yöntemleri geliştirmeyi amaçlamaktadır. Uygun bir denetim yönteminin tasarımındaki
kilit zorluk, qZSI’nin doğrusal olmayışı ve çoklu-giriş çoklu-çıkış (MIMO) bir sistem
olmasında yatmaktadır. Bundan dolayı, denetim açısından bakıldığı zaman karma bir
denetim yöntemi geliştirmek oldukça zorlu bir konudur. Geleneksel denetim
yöntemleri bu evirgeç topolojisi için makul durağan ve dinamik tepki cevaplarına
ulaşsa bile, çift frekans dalgacık bastırımı (DFR), parametre değişikliğine karşı
gürbüzlük ve uygulamadaki basitleştirme hala daha açık olan konulardır. Bu nedenle,
önerilen yeni denetim yöntemleri bu amaçları başarmayı hedeflemektedir.
Bu tezdeki ilk denetim yöntemi olarak, tek-faz şebekeye bağlı qZSI için DFR azaltma
ve sanal zaman sabiti özellikleri bulunan modele dayalı akım denetim (MBCC)
yöntemi önerilmiştir. DFR azaltma, dc taraftaki kondansatör ve indüktör gerilimleri
arasındaki faz ilişkisini kullanarak başarılırken, ac tarafın denetimi qZSI modeline
dayanan MBCC tarafından yapılmıştır. Aktif sönümleme ve sanal zaman sabiti içeren
akım denetimi, evirgeç akımının kendi referansını takip etmesini zorlamaktadır.
Bu tezde önerilen ikinci denetim yöntemi olarak qZSI’nin dc ve ac taraflarındaki
değişkenleri ayni anda kontrol etmeyi amaçlayan MIMO kayan kipli denetim (SMC)
yöntemidir. Bu denetim yaklaşımı sadece tüm durum değişkenlerinin denetimini ayni
anda senkronize etmekle kalmayıp, ayrıca dc tarafta PI denetleyicisi kullanmadığı için
uygulamada basitleşme, parametre değişikliğine karşı gürbüzlük, kayan sabit uygun
seçildiği zaman DFR azaltma ve sınır tabakası tekniğiyle sabit anahtarlama frekansı
sunmaktadır. Sınır tabakası kayan fonksiyonları pürüzsüz yaparak darbe genişlik
modülasyon (PWM) işlemi için uygun hale getirmektedir.
Ayrıca, MIMO SMC yönteminin bir tek-faz şebekeye bağlı yüksek kazançlı anahtarlı
empedans kaynaklı evirgeçe (SZSI) uygulanabilirliği araştırılmıştır. Yarı-empedanskaynaklı
evirgeç topolojisinde olduğu gibi, bu evirgeç topolojisi de tüm durum
değişkenlerinin ayni anda kontrolünün başarılabilmesi için etkili bir denetim
yöntemine ihtiyaç duyar. Bu topolojideki ek anahtar denetim yönteminin karmaşık
olma pahasına yüksek destek faktörü sunar.
Bu tezde önerilen denetim yöntemlerinin etkisi ve geçerliği MATLAB/Simulink
ortamında yapılan benzetim sonuçlarıyla destektenmiştir. Ayrıca, önerilen MBCC ve
MIMO SMC yöntemlerinin deneysel sonuçları şebekeye bağlı ve ada modunda çalışan
qZSI için sunulmuştur.
Anahtar Kelimeler: Aktif sönümleme, çift frekans dalgacık, yarım-empedanskaynaklı
evirgeç, LCL süzgeç, orantılı-rezonant denetim, sınır tabakası, kayan kipli
denetim, anahtarlı empedans-kaynaklı evirgeç
