Modeling, Analysis and Control of quasi-Z-Source Inverters

Abstract

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