Ing. Pavel Kobrle, Ph.D.

This paper presents an assessment of Solid State Transformer (SST) topologies from the usability in energy applications point of view. SSTs are nowadays at the center of researchers’ attention mainly due to reducing size and weight of traction transformers in railway vehicles. Our contribution aims to use the SST as a cornerstone of an Energy Router that should replace a typical distribution substation with a classical transformer. After a general overview of SST topologies classification an overview of design guidelines for key SST components (ferrite cores for medium frequency (MF) transformers, semicon-ductors and high voltage capacitors) is presented for two topologies that seem to be promising for energy applications: classical three-stage SST and two-stage SST with a low voltage DC link and galvanic insulation in the first stage. These two topologies are then compared from an economical point of view based on acquisition cost of key components in order to evaluate whether the technology has matured to be used commercially.

The current and torque ripple of inverter-fed induction motor drives is an inherent problem of control strategies working with switching frequencies in the range of multiple kilohertz, such as direct torque and, more recently, predictive torque control. If the drive operates in a wide-speed and wide-torque range and is equipped with a machine with an accessible terminal block whose winding is nominally connected in delta, then the current and torque ripple can be reduced by utilizing the delta-star winding changeover technique. When the winding configuration is switched from delta to star, the instantaneous motor phase voltage peak is lowered, and its total harmonic distortion is reduced. However, the control strategy must be adjusted according to the actual winding topology, mainly due to the difference in the coordinate transformations of the measured currents and the difference between the phase voltage vectors obtained from the inverter. This paper proposes a predictive torque control of an induction motor drive with a switchable delta-star winding configuration. The paper is supported by theoretical background, and the key idea is verified by simulations in MATLAB/Simulink and experiments conducted on a dSPACE-controlled 5.5-kW laboratory drive. The simulations validated the presented equations and show the effects of not respecting the actual winding topology. The experiments mainly focused on analyzing the total harmonic distortion of the currents and consumed electrical power in multiple operating points.

This paper presents a new, computationally modest on-line identification method for the simultaneous estimation of the rotor resistance and magnetizing inductance of an induction machine suitable for electric drives that use an indirect field-oriented control strategy (IFOC), and their control hardware is equipped with a resource-constrained microcontroller. Such drives can be found both in the manufacturing industry and railway traction vehicles in the thousands, having either older control hardware that cannot cope with computationally excessive identification methods or being in cost-sensitive applications, thus being equipped with a low-cost microcontroller. IFOC is a very common control strategy for such drives due to its good dynamic properties and comparatively simple implementation. However, it is sensitive to inaccuracies of rotor resistance and magnetizing inductance. These two parameters change during the operation of the drive, being influenced by the temperature, frequency, and saturation of the magnetic circuit. Improper values of parameters in the controller can degrade the performance of IFOC, resulting in slower acceleration or unnecessary oversaturation of the machine. Respecting these changes can therefore bring significant benefits such as the good dynamic properties of the drive, which can shorten operations in the manufacturing industry or travel times of vehicles. A number of on-line identification methods for monitoring the parameter changes have been published so far, but the majority of them are demanding on microcontroller time or its memory. The proposed method, on the contrary, is comparatively simple and thus easy for implementation with low requirements to the microcontroller.

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC) 的 传 统 分 布 式 超 级 电 容 储 能 系 统 (distributed super capacitor energy storage system, DSCESS) 储能单元分散， 装配维护不便， 系统控制复杂。本文在 MMC 基础上附加两条直流母线，提出一种基于改进型 MMC (improved modular multilevel converter, IMMC) 的超 级电容对称储能系统(symmetrical super capacitor energy storage system, SSCESS), 用于简化系统控制并增强动态 响应性能。 本文首先分析了 IMMC-SSCESS 工作原理和 各端功率传递关系，在其数学模型基础上，重点开展了对 其子模块电容电压和超级电容荷电状态(state of charge, SOC)均衡控制的研究，最后通过仿真算例对 IMMCSSCESS 和传统 MMC-DSCESS 进行了对比验证。 结果表明， IMMC-SSCESS 在相应控制策略下， 能够迅速实现 SOC 均衡和有效地功率传输， 具备良好的工业应用前景。

Energy storage system (ESS) is generally applied in electrical energy router (EER) for flexible interfacing with renewable-energy sources. However, the complex structure and power flows of EER-ESS raise new requirement that coordinated power control is supposed to be adopted. In this paper, a modified EER (MEER) with two-level super capacitor ESS (SCESS) is proposed for energy interconnection and power buffering in medium and low voltage distribution network. The three-stage configuration and corresponding control strategies of MEER are introduced in detail. After analysis of the typical power flow situations, a coordinated power control strategy is proposed to achieve flexible power management between SCESS and renewable-energy sources under different operation conditions for the system stability. The effectiveness of the proposed coordinated power control strategy is finally verified by the simulation and experimental results.

For reducing backflow power and improving dynamic performance of the input-series output-parallel dual-active-bridge (ISOP-DAB) converter in the electric energy router application, a hybrid control strategy based on the extended-phase-shift (EPS) output voltage model predictive control and gradient descent algorithm (MPC-GDA) is proposed. Firstly, the backflow power models under single-phase-shift (SPS) and EPS control are established, and the output voltage state space averaging equation under EPS control is also derived. Then the output voltage model predictive control is obtained, and the gradient descent algorithm for backflow power optimization is proposed. Finally, the overall control block diagram of the ISOP-DAB based on MPC-GDA control is derived. The simulation models of ISOP-DAB under MPC-GDA and SPS control are built and compared. It is verified that the MPC-GDA control shows better dynamic response and backflow power optimization compared with the traditional SPS control.

Jednou z hlavních výzev pro současnou elektrizační soustavu nejen u nás, ale i ve světě je integrace narůstajícího počtu malých výroben elektrické energie, z nichž značná část navíc využívá nepředvídatelné zdroje obnovitelné primární energie, jako je energie vody nebo větru. Modernizace elektrických sítí a přechod k tzv. chytrým sítím (Smart Grids) se dotýká takřka každého aspektu soustavy, a v budoucnu se tak nejspíše nevyhne ani náhradě klasického distribučního transformátoru jiným zařízením, které umožní daleko operativnější řízení toků elektrické energie. Takovým zařízením by v budoucnu mohl být tzv. energy router, jehož silová část je tvořená tzv. solid state transformátorem (SST). Tento článek přináší nejen popis toho, jak by takové zařízení mohlo vypadat, ale ukazuje také možný způsob řízení výkonu SST.

Energy storage system becomes one of key components in the medium voltage grid with the ever-increasing development of renewable energy resources. This paper proposes an improved modular multilevel converter(IMMC) where symmetrical super capacitor energy storage banks are interfaced to the three-terminal power unit through a Buck/Boost converter. Six typical operation modes are taken into account and the control algorithms such as state of charge(SOC) equalization and sub-module capacitor balance based on carrier phase shift sine pulse width modulation(CPS-SPWM) are developed. Finally., the analysis and control strategies are verified through the MATLAB/Simulink simulation results and down-scaled prototype experimental results.

An improved modular multilevel converter with symmetrical integrated super capacitor energy storage system (IMMC-SSCESS) is proposed for interfacing energy interconnection and power buffering in electrical energy routers. Compared with traditional modular multilevel converter based distributed super capacitor energy storage system (MMC-DSCESS), the proposed IMMC-SSCESS increases the overall system rapidity and stability, reduces system control complexity and is suitable for energy storage system (ESS) management. Based on analysis of operation principles, the control algorithms are developed for both the sub-modules (SMs) capacitor voltage control and super capacitor state of charge (SOC) balancing control. Feasibility of proposed topology and control strategies are verified by simulation and experiment results.

MMC je topologie měničů populární pro své dobré vlastnosti, jako je například nízký obsah vyšších harmo-nických a absence velkých filtrů na stejnosměrné straně měniče. Tento článek obsahuje obecný postup pro návrh velikosti kondenzátorů použitých v submodulech měniče na základě toku energie měničem odvozeného pro základní frekvenci.

The simplest mathematical models of the induction motor (IM) use the presumption of the machine’s linear magnetising characteristics. However, this may hold only in a limited operating range of the electric drive. It is well known that the magnetising inductance saturates as a function of the magnetising current due to the nonlinear properties of the magnetic circuit. However, this is not the only type of saturation. Depending on the design of the rotor, the machine’s magnetising and leakage inductances may also saturate as a function of the rotor current. A new experimental method is proposed in this paper. It identifies the dependence of the T equivalent circuit magnetising inductance on the rotor flux and torque producing current component using parallel operation of the so-called current and voltage model of the IM.

Příspěvek popisuje postup a výsledek analýzy mechanického rozkmitávání těžních strojů na dole Palašer v Ruské federaci. Jako příčina byla určena změna velikosti magnetického toku ve vzduchové mezeře vlivem drážkování statorů. Provedené simulace prokázaly možnost odstranění změny magnetického toku injektáží vhodných napětí statorového vinutí. V dalším je popsána realizace této injektáže pomocí přímovazební kompenzace střídavé složky momentu. Na závěr jsou uvedeny oscilografické záznamy před a po injektáži.

The paper describes the procedure and the result of the analysis of mechanical vibrations of mining machines at the Palashermine in the Russian Federation. The cause of these vibrations was the change in the magnitude of the magnetic flux in the air gap. The simulations showed the possibility of eliminating these changes in magnetic flux by injecting suitable voltages into thestator windings. The implementation of this injection is further described by torque variable component feed-direct compensation. Finally, oscillography records are presented before and after injection.

The device rated capacity, system loss, and cost of a modular multilevel converter are proportional to the circulating current value. In order to enhance suppressing the second order harmonic component of circulating current and improve the dynamic response of the system, a novel circulating current suppressing strategy based on virtual impedance sliding mode control (VI-SMC-CCS) is proposed. This paper first analyzes the essential CCS mechanism, then presents a circulating current decoupling model using a state feedback linearization method, improving the system accuracy. Moreover, the sliding mode control and virtual impedance loop are introduced to strengthen system robustness. Different circulating current suppressing strategies are compared by simulation, the results demonstrate the correctness of the VI-SMC-CCS, which not only effectively reduces the second order harmonic component of the circulating current, but also improves the stability, reliability, and rapidity of the system.

基 于 模 块 化 多 电 平 换 流 器 (modular multilevel converter, MMC)的超级电容储能系统(super capacitor energy storage system, SCESS)用作电能路由器(electrical energy router, EER)前端接入中压配电网时，由于其储能子模块 (energy sub-module, ESM)众多，储能容量利用率受限于各 ESM 荷电状态(state of charge, SOC)。针对现有 SOC 均衡 控制策略的不足，该文在对 MMC-SCESS 数学建模的基础上，引入 SOC 平衡因子概念，并提出基于相间、上下桥臂、桥臂内的三级改进型 SOC 均衡控制策略。仿真研究表明， 该文所提控制策略提升了系统鲁棒性和动态性能，尤其适合 于未来能源系统中 EER 应用。

Článek po úvodním přehledu historického vývoje elektrických energetických sítí vysvětluje pojem energy router pomocí podobnosti energetické sítě s internetem. Současně jsou také popsány hlavní odlišnosti energetické sítě a internetu. V dalších částech článku jsou blíže popsány části energy routeru – modul výkonové elektroniky, komunikační modul a modul inteligentní sítě. Z nich je podrobněji popsáno řešení modulu výkonové elektroniky pomocí SST (Solid State Transformer). V další části článku je popsáno klasické řízení toku činného a jalového výkonu i řízení toku energií pomocí modulu výkonové elektroniky. Na závěr článku jsou popsány komponenty inteligentní sítě.

This paper concerns a modular pulse width modulation (PWM) modulator that is suitable for polyphase multilevel inverters. The modulator is implemented in a field programmable gate array (FPGA) with a softcore microprocessor controlling it. Further it presents experiments with a five level flying capacitor multilevel inverter and the proposed modulator.

Many buzzwords concerning the problematic of energy production and its effective (smart) utilization in industry as well as in households – like Smart Grid, Big Data, Industry 4.0, Energy Router, Green Energy etc. – are often used in many different meanings or even only for making one’s idea more attractive. Nevertheless, their definitions aren’t united or they don’t express the essence in their entirely. The aim of this paper isn’t to define some of the buzzwords; however, it tries to explain what is really a so called energy router and why is it spoken about in the context of existing and to the near future planned system of electrification in the central Europe. Some kinds of energy storage are integral to the modern grid. The short overview of energy storage devices is presented at the end. This text should make the understanding of the problematic in wider extent easier.

V článku je provedena analýza možných spínacích procesů pro balancování napětí na plovoucích kondenzátorech víceúrovňového měniče s plovoucími kondenzátory (FCMI). Po krátkém popisu funkce FCMI jsou vysvětleny stavové diagramy spínacích stavů a dvoustupňový modulační systém pro generování spínacích pulzů. Následně je uveden teoretický rozbor spínání s 1C, 2C a 3C přechody a jejich vliv na balancování napětí na plovoucích kondenzátorech. Závěry této analýzy jsou experimentálně potvrzeny měřeními na laboratorním modelu pětiúrovňového měniče s plovoucími kondenzátory.

Článku je rozborem možnosti použití víceúrovňového střídače jako aktivního filtru. Jsou v něm vysvětleny principy funkce jak aktivního filtru, tak tří typů víceúrovňových střídačů. Dále jsou zmíněny polovodičové součástky pro použití na vysokém napětí. Ve stěžejní části jsou diskutovány specifické vlastnosti, které musí být vzaty v úvahu, mají-li víceúrovňové střídače pracovat jako aktivní filtry.

This paper deals with historical evolution of power electronic devices and converters from the very first beginnings of the mercury-arc rectifiers to the multilevel converters as the most recent technology. Various devices used for converters are described, both vacuum and semiconductor. Paper mentions not only historical dates and periods but also parameters and properties specific for the devices as well as their applications.

This paper aims to summarize the development of the devices with the rectifying properties and devices usable for power converters. Except the history, there are described also the parameters and their specific properties, these properties are also discussed from the time point of view. Further, the semiconductor converters are mentioned. The historical overview is focused on the multilevel converters in more details because the multilevel converters belong to very progressive converters topologies nowadays and they are the only one suitable for high power applications.

Víceúrovňové měniče nalezly v průběhu svého rozvoje uplatnění v rozličných vysokonapěťových aplikacích. Jsou využívány jak v elektrických pohonech, tak v energetice v oblasti přenosu HVDC či obnovitelných zdrojů. Příspěvek úzce navazuje na příspěvek z XXXII. konference o elektrických pohonech, v němž byl prezentován vývoj modelu třífázového pětiúrovňového střídače s plovoucími kondenzátory. V příspěvku jsou rozebrány některé požadavky a aspekty návrhu víceúrovňového měniče pro nestandardní aplikaci, jakou je vysokonapěťový aktivní filtr. Dále je uveden návrh řízení takového filtru a výsledky simulace.

This contribution deals with the problematic of using a medium voltage multilevel inverter as an active filter. There are described the differences between low voltage and medium voltage active filters connections as well as the demands on inverters in the paper. Also the topologies of multilevel inverters and methods of control are encapsulated.

This paper discusses the possibility of medium voltage multilevel inverter use as active filter. The differences between low voltage and medium voltage circuits as well as the requirements on inverters are given. Further, the possible topologies of multilevel inverters and ways of the control are summarized.

This paper deals with the analysis of unsprung masses of electric vehicle with the in-wheel drive, from dynamics point of view. The system safety and comfort are evaluated. This proceeding also brings together the modern possibilities of use of the propulsive components of the in-wheel drive - the basic types of electronic commutated motors. The technical note presents the ROMO vehicle - the project of DLR (German Aerospace Center).

This paper describes the model of the five level flying capacitors inverter (FCI) that was designed and realized at CTU in Prague, FEE - Department of Electric Drives and Traction. Some aspects of FCI control algorithm which influenced the design are mentioned. The first experimental results are also presented. Further the possibility of medium voltage multilevel inverter use as active filter is discussed. The requirements on inverters are given.

Only a couple of publications describe the hardware of the multilevel converters, most of them deal with their utilization, modulations and control strategies. This paper briefly summarizes the development and the design of the model of the three phase five level flying capacitors converter. There are described the partial main items of the power part of the converter in this article: driver board with the transistors (IGBT), voltage and current measurement boards, control and hardware protections board. Further, there is mentioned the intended control strategies in this paper, which should be implemented and tested on this model.

Pouze několik publikací se zabývá stavbou víceúrovňových měničů. Většina z nich je zaměřena na jejich použití, modulace a řídicí strategie. V úvodu článku je krátce popsána topologie a princip funkce třífá-zového pětiúrovňového střídače s plovoucími kondenzátory. Dále je popsán postup návrhu (stěžejní body, vyskytnuvší se problémy) laboratorního modelu o výkonu cca 4 kW, jenž je realizován na katedře Elektrických pohonů a trakce Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze a jehož hlavním cílem je ověřování řídicích strategií s udržováním žádaného napětí na plovoucích kondenzátorech bez použití pomocných silových obvodů. Nakonec je zařazen přehled možných způsobů přednabití plovoucích kondenzátorů v naší laboratoři.

The presented paper deals with control strategy of flying capacitors multilevel inverters. The main issue is the analysis of the permissible switching states, especially the possibility of the multiple commutations.

V úvodu článku je stručně popsána topologie a princip pětiúrovňového střídače s plovoucími kondenzátory. Dále jsou, s ohledem na následující popis strategie řízení, specifikovány požadavky na řízení měniče. Tyto požadavky jsou znázorněny ve stavovém diagramu. Poté je popsána samotná myšlenka strategie řízení se zohledněním stabilizace napětí na plovoucích kondenzátorech. V závěru jsou uvedeny a popsány výsledky simulací.

To investigate machines' static and dynamic features, simulating programs working with mathematical models are used. There are many mathematical models, but they differ in counting speed and stability and in the extent, how the results correspond to the reality. On a synchronous machine example, this paper shows several possible improvements which enable the model to work more accurately and stable.

Řešení problému vychází ze soustavy rovnic obecného elektrického stroje s respektováním nelinearity magnetických částí stroje. Do matematického modelu je zahrnuto i vzájemné působení rotorových vinutí, čímž se základní soustava rovnic sice stává složitější, avšak je dosaženo mnohem lepších kvantitativních výsledků. Pro daný problém je pak třeba zvolit vhodné stavové veličiny a soustavu rovnic obecného elektrického stroje upravit na simulační rovnice tak, aby bylo dosaženo matematické stability modelu.

V uvedeném příspěvku je popsáno řešení problému matematicky stabilního modelu synchronního motoru. Řešení problému vychází ze soustavy rovnic obecného elektrického stroje s respektováním nelinearity magnetických částí motoru. Zmíněná nelinearita je vyjádřena magnetizačními charakteristikami v takových tvarech, které se hodí k jejich implementaci do modelu synchronního motoru. Do matematického modelu je zahrnuto i vzájemné působení rotorových vinutí, čímž se základní soustava rovnic sice stává složitější, avšak je dosaženo mnohem lepších kvantitativních výsledků. Pro daný problém je pak třeba zvolit vhodné stavové veličiny a soustavu rovnic obecného elektrického stroje upravit na simulační rovnice tak, aby bylo dosaženo matematické stability modelu.