Parametrien ja energiavaraston jännitteen estimointi latauksen ja purkamisen aikana

Katkojan tavallisen toiminnan aikana energiavaraston jännite ei pysy vakiona, jo­

ten identifiointiajossa saatu tieto sen arvosta ei ole riittävä. Tässä osiossa testataan jännitteen estimointia, kun energiavarasioa ladataan tai puretaan tasaisella virralla.

Todellisuudessa akkua tai superkondensaattoria voidaan ladata myös muulla tavalla, esimerkiksi pitämällä virran sijasta latausteho vakiona. Estimoinnin kannalta tasai­

sen virran käyttäminen on kuitenkin haastava tilanne, koska herätesignaali ei vaih- tele. Jännitteen estimoinnin ohella kokeillaan myös kaikkien katkojan parametrien estimointia lataamisen ja purkamisen aikana, koska identifiointiajon käyttäminen ei ole välttämättä aina mahdollista. Toisaalta parametriestimointi voidaan toistaa tietyin väliajoin, jotta havaittaisiin mahdollisia muutoksia komponenttien paramet­

reissä. Nämä ennakoivat usein vikaantumisia.

Edellisessä kohdassa käytetyistä parametriestimaattoreista valitaan käytettäväksi keskiarvoistettua mallia käyttävä PNSai,g ja hetkellisistä estimaattoreista parhai­

ten toiminut, eli PNS/,². Energiavaraston jännitteen estimointiin käytetään kohdas­

sa 5.3.2 esiteltyjä estimaattorirakenteita, eli suoraa laskentaa ja vain energiavaraston jännitettä estimoivia PNS-estimaattoreita. Kaikki hetkellistä mallia käyttävät esti­

maattorit käyttävät estimointiin yhtälön (74) mukaista mallia. Käytetyt estimaat­

torit on vielä koottu taulukkoon 4.

Taulukko 4: Energiavaraston jännitteen estimoinnissa käytetyt estimaattorit Estimaattori Käytetty

malli

Unohduskerroin Mallin kuvaus Л

(74)

PNS Hetkellinen malli, näytejak-

son ajalta keskiarvoistetut suureet, hetkellinen deri­

vaatta

Kytkentäjakson ajalta kes­

kiarvoistettu malli

Hetkellinen malli, näytejak- son ajalta keskiarvoistetut suureet, hetkellinen deri­

Tämän osion kokeissa katkojan parametreinä käytetään kohdassa 5.2 esitettyjä arvo­

ja. Energiavaraston jännite-estimaattoreiden oletetaan tuntevan parametrien tarkat arvot. Välipiirin kondensaattorin alkujännite on 600 V. Kaikissa latauskokeissa on oletettu, että jokin muu hybridijärjestelmän komponentti säätää välipiirin jännitet­

tä ja pitää sen ohjearvossaan. Simuloinneissa tämä on toteutettu yksinkertaisesti asettamalla välipiirin kapasitanssi Cdc erittäin suureksi (1 kF), jolloin jännite ei juuri muutu simuloinnin aikana. Kokeissa estimaattien laskenta aktivoidaan vasta kahden millisekunnin kuluttua simuloinnin alusta, kun virta on ehtinyt saavuttaa

asetusarvonsa. Simuloinnit mallintavat tilannetta, jossa estimointi aloitetaan kesken latauksen ja virta on tasainen koko kokeen ajan.

Ensimmäisessä latauskokeessa vaihevirtojen säätimille annetaan ohjearvoksi 50 A, jolloin energiavaraston kokonaisvirta ies on 150 A. Energiavaraston alkujännite on 440 V, joka on sen tavallisella toiminta-alueella. Jotta jännite ehtisi muuttua havait­

tavasti simuloinnin aikana, energiavaraston kapasitanssia lasketaan arvoon Ces = 10,2 F. Toisena kokeena simuloidaan myös energiavaraston purkamista, jotta voi­

daan varmistua estimoinnin toimivuudesta virran suunnasta riippumatta. Koejär­

jestely pidetään identtisenä, mutta virtojen ohjearvojen etumerkit vaihdetaan, jol­

loin energiavaraston kokonaisvirraksi tulee —150 A.

Kuvassa 34 on esitetty suoran laskennan estimaattorin toiminta energiavarastoa la­

dattaessa. Kuvassa näytetään sekä suodattamaton estimaatti että siitä laskettu re­

kursiivinen keskiarvo, joka nollataan 0,1 sekunnin välein. Kuten on arvioitu, yksit­

täisten laskutulosten kohina on hyvin voimakasta, eikä suoran laskennan estimaatti siten ole käyttökelpoinen ilman suodatusta. Suodatusta käyttämällä estimointi kui­

tenkin tarkentuu huomattavasti. Keskiarvo suppenee lähelle todellista arvoa nopeas­

ti, ja nollausväliä olisi mahdollista vielä pienentää. Simulointikokeessa energiavaras­

ton jännite kuitenkin muuttuu poikkeuksellisen nopeasti, joten normaalitilanteessa välin tihentämiselle ei ole tarvetta.

460^

410 Suora laskenta ilman suodatusta

--- Suora laskenta suodatuksella

— Todellinen jännite

Kuva 34: Energiavaraston jännitteen estimointi suoralla laskulla ilman suodatusta ja suodatettuna. Suodatuksessa estimaatista lasketaan keskiarvoa, joka nollataan 0,1 sekunnin välein.

Kuvassa 35 on esitetty kaikkien vain energiavaraston jännitettä estimoivien esti-pm

JänniteIV SPT

о ______ Estimaattori PNSu gvg

O Suora laskenta (suodatettu) Todellinen jännite

, Л o

r ■L

442 - X'*

maattoreiden tulos samassa kokeessa. Suoran laskennan estimaatin arvoina käyte­

tään rekursiivisen keskiarvon viimeisimpiä arvoja ennen nollaushetkiä. Kaikki esti­

maattorit suoriutuvat muuttuvan jännitteen seuraamisesta hyvin. Keskiarvoistettua mallia käyttävän estimaattorin varianssi on pieni, kun taas hetkellinen estimaatti huojuu todellisen arvon ympärillä. Jännitteen estimointia kokeiltiin myös purkuko- keessa, jossa tulokset olivat samanlaiset.

o 0.1 ^0.2 0.3 ^{0.4 0.5 0.6 0.7 08 0.9} 1

Aika / s

Kuva 35: Tasavirralla ladattavan energiavaraston jännitteen estimointi vain jännit­

teen estimoivilla estimaattoreilla PNStíeSi/l ja PNS laskennalla.

sekä suodatetulla suoralla

lLes,ClVg

Simuloinnissa kokeillaan myös kaikkien katkojan parametrien estimointia käyttämäl­

lä estimaattoreita PNS^ ja PNSa„g. Estimaattorit kuitenkin olettavat energiavaras­

ton jännitteen muuttumattomaksi parametriksi, mikä ei päde latauksen aikana. Toi­

saalta riittävän lyhyellä aikavälillä jännite ei juuri ehdi muuttua. Simulointikokeissa estimointiaika rajataan siten riittävän lyhyeksi käynnistämällä estimaattorit uudes­

taan 0,25 sekunnin välein. Tasaisen latausvirran lisäksi parametriestimointia kokeil­

laan heiluvalla latausvirralla, jossa virran asetusarvo vaihtelee jaksottaisesti kahden pisteen välillä. Jos asetusarvon pisteet ovat lähellä toisiaan, heilumisen vaikutus energiavaraston lataukseen on pieni. Tässä kokeessa virran asetusarvoa muutetaan 0,02 sekunnin välein 50 ja 48 ampeerin välillä. Heiluvan latausvirran käyttäytymi­

nen on havainnollistettu kuvassa 36. Heiluvaa virtaa kokeillaan myös purkamisen aikana. Tällöin virran asetusarvot ovat —48 A ja —50 A.

Parametriestimaattien estimoima energiavaraston jännite tasaisella ja heiluvalla la­

tausvirralla on esitettv kuvassa 37. Kun käytetään tasaista latausvirtaa, kumpikaan

Jännite/V

35

30

25

200.597 0.598 0.599 0.6 0.601 0.602 0.603

Aika / s

Kuva 36: Virran käyttäytyminen, kun referenssiä vaihdetaan 50 A:n ja 48 A:n välillä.

estimaatti ei suppene kohti todellista arvoa. Heiluvan virran käyttäminen parantaa estimaattorin PNSayg jännite-estimaattia huomattavasti, mutta estimoitu jännite ei kuitenkaan suppene kohti todellista arvoa jokaisen nollauksen jälkeen. Hetkellistä mallia käyttävään estimaattoriin heiluvan latausvirran käyttäminen vaikuttaa hei­

kentävästi. Tulokset energiavarastoa purettaessa ovat samankaltaisia. Myös kat kojan muiden komponenttien parametrit estimoituvat huonosti kaikissa kokeissa. Pelkäs­

tään jännitettä estimoivien estimaattoreiden tarkkuuteen heiluvan virran käyttämi­

nen ei juuri vaikuta.

Energiavarasto jännitteen estimointia kokeiltiin myös muissa toimintapisteissä. Kaik­

kia mahdollisia pisteitä on kuitenkin mahdotonta käydä läpi. Tässä työssä simuloi­

daan siten estimoinnin toimintaa energiavaraston tilan äärirajoilla. Kuvassa 38 on esitetty energiavaraston jännitteen estimointi, kun ues,o on alussa 10 V ja latausvir- ta 150 A. Toista äärirajaa simuloitiin purkamalla energiavarastoa —150 ampeerin virralla alkujännitteestä 570 V. Molemmissa kokeissa estimaattorit toimivat hyvin, joten voidaan päätellä että jännitteen estimointi lataamisen ja purkamisen aikana onnistuu kaikilla energiavaraston jännitteillä. Toisaalta kaikkien parametrien esti­

mointi onnistui yhtä heikosti kuin aiemmissa lataus- ja purkukokeissa. Samanlainen tulos saadaan, kun energiavaraston jännite on pieni ja sitä puretaan —150 A virralla tai kun energiavarastoa ladataan jännitteen ollessa suuri.

Kokeiden perusteella nähdään, että kaikki energiavaraston jännitteen estimaatto­

rit toimivat hyvin. Keskiarvoistettu estimaattori PNS

tarkimmin. Toisaalta suora laskenta on laskennallisesti kevvin kokeilluista estimaat-estimoi todellisen arvon Ues,avg

1 ■

I .

¡I I !

asss Ä

Virta/ A

PNS tasaisella latausvirralla avg

Estimaattori PIMSh2 tasaisella latausvirralla PNS heiluvalla latausvirralla

avg

Estimaattori PNSh2 heiluvalla latausvirralla --- Todellinen jännite

Kuva 37: Tasavirralla ladattavan energiavaraston jännitteen estimointi kaikki para­

metrit estimoivilla estimaattoreilla PNSm ja PNSa„g, kun virtareferenssiä heilute­

taan ja kun se pidetään vakiona.

toreista, mikä voi olla monissa laitteistoissa oleellista. Tuloksista on lisäksi pää­

teltävissä, ettei kaikkien katkojan parametrien estimointi latauksen tai purkamisen aikana ole riittävällä tarkkuudella mahdollista.

6.1.3 Energiavaraston jännitteen estimointi, kun latausteho on pieni

In document Three-phase inverter used as a DC-DC converter in a hybrid energy system; modeling and control (sivua 65-69)