Sliding mode approach for control and observation of a three phase AC-DC pulse-width modulation rectifier

Abstract

Introduction. For AC-DC conversion systems, the electrical systems typically use thyristor or diode bridge rectifiers, which have relatively poor performance. Nowadays, three-phase pulse-width modulation rectifiers are widely applied in various applications for their well-known intrinsic benefits, such as adjustable DC link voltage, unity power factor, bidirectional power flow and very low total harmonic distortion. Purpose. The objective of this work is to achieve better stability and dynamic performance using sliding mode strategy for control and observation. Methods. For that purpose, first a sliding mode controller is introduced on the DC-link side to ensure a fast and accurate response of the output load voltage. Then, the sliding mode approach is employed to control the quadrature and direct components of power to maintain the input power factor at unity. Finally, this approach is used to design two observers for grid voltage estimation and online variation of load resistance. To overcome the problem associated with the use of the classical low-pass filter, an adaptive compensation algorithm is used to compensate the attenuation of the amplitude and phase delay of the observed grid voltages. This algorithm is based on the use of the two low-pass filters in cascade and ensures the minimization of chattering. Results. Comparative studies have been carried out between sliding mode control method for controlling the three-phase AC-DC pulse-width modulation rectifier and other conventional techniques. The validation by simulation and the tests carried out gave very satisfactory results and proved the effectiveness and feasibility of the sliding mode for both control and observation of three phase pulse-width modulation rectifier.

Вступ. Для AC-DC систем перетворення електричні системи зазвичай використовують тиристорні або діодні мостові випрямлячі, які мають відносно погані характеристики. В даний час трифазні випрямлячі з широтно-імпульсною модуляцією широко застосовуються з різними цілями завдяки їх добре відомим внутрішнім перевагам, таким як регульована напруга у ланці постійного струму, одиничний коефіцієнт потужності, двонаправлений потік потужності та дуже низькі загальні гармонічні спотворення. Метою даної роботи є досягнення кращої стабільності та динамічних характеристик з використанням стратегії ковзного режиму для контролю та спостереження. Методи. З цією метою спочатку на стороні ланки постійного струму вводиться регулятор режиму ковзання, щоб забезпечити швидку і точну реакцію на вихідну напругу навантаження. Потім використовується метод ковзного режиму для управління квадратурною та прямою складовими потужності, щоб підтримувати вхідний коефіцієнт потужності рівним одиниці. Нарешті цей підхід використовується для розробки двох спостерігачів для оцінки напруги мережі та зміни опору навантаження в режимі онлайн. Для подолання проблеми, пов'язаної з використанням класичного низькочастотного фільтру, використовується алгоритм адаптивної компенсації, що компенсує загасання амплітуди і фазової затримки напруг мережі, що спостерігаються. Цей алгоритм заснований на використанні двох низькочастотних фільтрів у каскаді та забезпечує мінімізацію брязкоту. Результати. Були проведені порівняльні дослідження між методом керування ковзним режимом для керування трифазним випрямлячем AC-DC з широтно-імпульсною модуляцією та іншими традиційними методами. Перевірка за допомогою моделювання та проведені випробування дали дуже задовільні результати та довели ефективність та здійсненність ковзного режиму як для управління, так і для спостереження за трифазним випрямлячем з широтно-імпульсною модуляцією.