Advanced control strategies applied to power converters

Abstract

Los convertidores de potencia basados en interruptores de potencia controlables son equipos indispensables en los sistemas de potencia modernos. Sirven como interfaces inteligentes entre la red pública, las fuentes de energía renovables (incluidos los sistemas eólicos y los sistemas fotovoltáicos), los sistemas de almacenamiento de energía, los accionamientos de motores y las microredes. Además, también pueden servir como filtros activos de potencia, que cancelan los armónicos de corriente en la red pública y, en consecuencia, proporcionan una red eléctrica de alta calidad. Estos convertidores tienen importantes ventajas como: flujo de potencia bidireccional, corrientes de red de alta calidad, potencia ajustable y la tensión controlable en el lado de continua. Las principales tareas de control de dichos convertidores son regular la tensión de continua al valor deseado y proporcionar potencia activa/reactiva a la red/carga. Los dos factores principales que afectan el rendimiento de control del convertidor de potencia son: (1) perturbación de carga en continua; (2) incertidumbres en los parámetros del convertidor. Por un lado, la perturbación de carga variable en el tiempo en continua puede causar fluctuaciones en dicha tensión. El valor de la carga es impredecible y puede variar en un amplio rango. La magnitud de la carga y la robustez del controlador determinar´an si la tensión de continua se puede restaurar al valor de referencia. Para reducir la influencia negativa de la carga en la estabilidad del sistema, un método efectivo es emplear un observador de perturbaciones, que estima el valor de la carga y proporciona esta información al controlador. Por otro lado, las incertidumbres paramétricas del sistema causan diferencias entre el modelo del sistema y la planta real, por lo tanto, el controlador diseñado basado en el modelo puede no lograr el rendimiento deseable. Para resolver estos dos problemas, esta tesis investiga estrategias de control avanzadas aplicadas a convertidores de potencia conectados a la red. Por un lado, para reducir la influencia causada por la perturbación de la carga de continua, se han propuesto estrategias de control basadas en observadores de la perturbación, es decir, se estima el valor de la perturbación externa en tiempo real y se proporciona dicha información al controlador. Por otro lado, para mejorar la robustez y la adaptabilidad a las incertidumbres del sistema, se han empleado métodos de control avanzados, que incluyen controladores en moto deslizante (SMC), control adaptativo y control robusto de H∞. El contenido específico de la investigación de esta tesis es el siguiente:En primer lugar, para comparar la capacidad de rechazo de perturbaciones de carga en el lado dc con diferentes tipos de observadores, se han diseñado cuatro tipos de observadores para el convertidor de potencia de dos niveles en el Capítulo 2. Esto son un observador lineal, un observador de moto deslizante (SM), un observador de estado extendido lineal y un observador de estado extendido no lineal. Los resultados revelan que el observador de SM, el observador lineal y el observador de estado extendido lineal logran una buena estimación de la perturbación. A partir del Capítulo 2, se diseña un observador lineal mejorado de perturbaciones, que tiene dos parámetros para ajustar su rendimiento. Uno es para mejorar la respuesta transitoria que no influye en el rendimiento en régimen permanente. El otro parámetro está diseñado específicamente para mantener el rendimiento en régimen permanente. Este observador, conjuntamente con un controlador PI, conforman el bucle de regulación de tensión, resultando en un sistema lineal puro, que puede analizarse con las teorías de control clásicas y es conveniente para el uso práctico. Para verificar la efectividad de esta estrategia, se han llevado a cabo una serie de experimentos empleando un convertidor de potencia de 5 kW de potencia conectado a la red. En el Capítulo 4, para mejorar a´un más el rendimiento del bucle de regulación de tensión, se ha diseñado un observador SM mejorado. Comparado con el observador de perturbación lineal anterior, este observador SM no lineal obtiene una convergencia más rápida y presenta una mayor robustez frente a las incertidumbres del sistema. En paralelo, se emplea un controlador de tipo SMC super torsión en el bucle continua de tensión, mejorando la velocidad de convergencia y su robustez. La condición de convergencia de la tensión de continua se obtiene a través del método Lyapunov, y la ventaja de esta estrategia se verifica mediante simulación y experimentos en el laboratorio con un convertidor de potencia conectado a la red. Para reducir el impacto de la incertidumbre paramétrica, en el Capítulo 5 se agrega una la ley de adaptación al controlador de tipo SMC super torsión, que ajusta los parámetros de control junto con la variación de parámetros del sistema. Con esta ley adaptativa, el límite superior derivado de la perturbación externa no necesita conocerse a priori. Además, se adopta un control de tipo H∞ en el bucle de tensión para atenuar la influencia del error de estimación de la perturbación a la tensión de continua controlada. Las condiciones de convergencia de la tensión de continua y la corriente de red se obtienen a través del método de Lyapunov. Por ´ultimo, pero no menos importante, para extender el objetivo de control y el modo de control, se investiga el convertidor de NPC de tres niveles tipo mediante métodos de tipo VOC y control de potencia directo (DPC), respectivamente. En primer lugar, la mejora de rendimiento usando el observador de estado extendido lineal se estudia en el modo de control tipo VOC. En segundo lugar, la estrategia de control DPC está diseñada con un observador de estado extendido lineal, control H∞, control tipo SMC s´uper torsi´on y control adaptativo. Se obtienen las condiciones de convergencia de la tensi´on de continua, la potencia instantánea activa / reactiva y la diferencia de tensión entre los condensadores. Debido a la ley adaptativa resonante, se elimina la perturbación del tercer armónico en el bucle de equilibrio de la tensión de los condensadores.