Control de tensiones para convertidores de cuatro hilos con cargas desequilibradas y no lineales

Abstract

La evolución hacia los sistemas eléctricos futuros parece tender a la creación de microrredes. Esta nueva configuración de los sistemas eléctricos se alza como una solución plausible a los problemas de integración de energías renovables y generación distribuida, permitiendo además la alimentación de zonas aisladas. Las principales dificultades que se presentan en la implementación de las microrredes residen en el control de la tensión y la frecuencia, ya que la inercia de estos sistemas es muy baja o nula. Además, una de las características de las microrredes es la capacidad de mantener alimentadas las cargas aún cuando se encuentre aislada de la red principal, para este modo de funcionamiento es necesario que un nodo ejerza de nudo slack, estableciendo la referencia de tensión. El presente proyecto se centra en el control de tensión en niveles de distribución, de bajo voltaje. El objetivo es programar un algoritmo de control que actúe sobre un inversor conectado a un bus de tensión continua de potencia infinita. La función de este algoritmo es la de sintetizar a la salida del inversor las tensiones de fase requeridas para que en el punto común de acoplamiento (PCC) los voltajes de fase sean tres ondas sinusoidales puras de 230Vrms, pulsando a 50Hz y desfasadas entre ellas 120 . Alcanzar el objetivo de controlar cada fase de tensión independientemente requiere disponer de tres grados de libertad en las acciones de control, por lo que se vuelve estrictamente necesario el uso de un inversor trifásico de cuatro hilos y cuatro ramas. Concretamente se selecciona un convertidor 4LVSC en configuración de dos niveles y puente completo. A la salida de este inversor se encuentra un filtro LC y se considera que los condensadores están conectados directamente al PCC, por lo que será sobre estos elementos que se medirá las tensiones de fase. Para realizar el control se parte de la medida de la tensión de los condensadores transformándola a un marco de referencia abg. La primera etapa que actúa es un separador de secuencias escrito como un observador de Luenberger. Esta etapa considera el principio de superposición para extraer el contenido armónico y secuencial de las ondas de tensión medidas. A continuación, los errores entre cada componente y su referencia alimentan múltiples controladores resonantes sintonizados a las frecuencias más problemáticas con el objetivo de conseguir las características citadas de la tensión en bornes de los condensadores. Las sintonización de todas las ganancias se consigue aplicando la solución LQR del problema de control óptimo a un espacio de estados ampliado qué contiene la dinámica de la planta, el separador de secuencias y el control resonante. El algoritmo resultante se pone a prueba en simulación y en entorno de laboratorio. Estos resultados son presentados y comparados con la normativa española de calidad de baja tensión.

World’s electric power system evolution towards future electrical systems seems to tend to the implementation of microgrids. This technology stands as a solution to the problems of renewable energy sources integration and distributed generation as well as it allows feeding isolated areas. The low electrical inertia of these systems causes that voltage and frequency control difficulties increase. In addition, an interesting microgrid characteristic is the ability to maintain loads feeded even when the system is isolated from the main grid. During this operation mode it is necessary that one node works as slack establishing a voltage reference. This project is focused on voltage control at low voltage distribution levels. The aim is to get a control algorithm for a power converter connected to an infinite power DC bus. The algorithm may calculate the phase voltages required so that in the point of common coupling (PCC) the phase voltages are three pure sinusoidal waves of 230Vrms, 50Hz and shifted 120 between them. Achieving the objective of controlling each voltage phase independently requires having three degrees of freedom in the control actions, so it becomes strictly necessary to use a three-phase inverter with four wires and four legs. Specifically, a 4LVSC power converter is selected in two-level full bridge configuration. At the output of this inverter is connected an LC filter and it is considered that the capacitors are connected directly to the PCC, so it will be across these elements where the phase voltages will be measured. To carry out the control, we start by measuring the voltage across the capacitors and transforming this measure to an abg reference frame. The first stage that acts is a voltage sequence estimator written as a Luenberger’s observer. This stage considers the superposition principle to extract the harmonic and sequential content of the measured voltage waves. Next, the errors between each component and its reference feed multiple resonant controllers tuned to the most problematic frequencies in order to achieve the abovementioned characteristics of the voltage across the capacitors. The tuning of all the gains is achieved by applying the LQR solution of the optimal control problem to an expanded state space that contains the plant, the sequence estimator and the resonant controller dynamics. The resulting algorithm is tested in simulation and in a laboratory environment. The results are presented and compared with the Spanish regulation of low voltage quality.