Contributions to cascade linear control strategies applied to grid-connected Voltage-Source Converters

Abstract

El trabajo desarrollado en esta Tesis se centra en optimizar el comportamiento de Voltage-Source Converters (VSCs) cuando son utilizados como interfaz con la red eléctrica, tanto para absorber como para entregar energía de la red con la mejor calidad posible y cumpliendo con los estándares. Para tal fin, esta Tesis se centra en el control de sistemas lineales conectados en cascada aplicados al control de VSCs conectados en paralelo con la red eléctrica a través de un filtro L, especialmente en conexiones con redes débiles y en dos líneas de trabajo: (i) seguimiento de armónicos de las corrientes de red y rechazo de armónicos de las tensiones de red, y (ii) control de la tensión del PCC en caso de desequilibrio. Para ello, esta Tesis realiza contribuciones en el área del control de corriente y control de la tensión del PCC. De entre las técnicas existentes para implementar el control de corriente para compensación armónica, dos de las más utilizadas son el control resonante y el control repetitivo, tanto en ejes de referencia estacionarios como síncronos. Se ha realizado un exhaustivo estudio de diferentes estructuras para implementar tales controles, mostrando su algoritmo adaptativo en frecuencia para cada una de ellas y analizando su carga computacional. Además, se han facilitado directrices básicas para su programación en un DSP. Se ha analizado también el esquema de control de corriente para establecer una comparación entre las diferentes estructuras. Después de estudiar en profundidad el control de corriente de un VSC conectado a la red eléctrica, el segundo control a analizar es el control de tensión del PCC. La presencia de una tensión desequilibrada en el PCC da lugar a la aparición de una componente de corriente de secuencia negativa, que deteriora el comportamiento del sistema de control cuando se emplean las técnicas de control convencionales. Los STATCOMs son bien conocidos por ser una aplicación de potencia capaz de llevar a cabo la regulación de la tensión en el PCC en líneas de distribución que pueden ser susceptibles de sufrir perturbaciones. Esta Tesis propone el uso de un controlador de tensión en ejes de referencia síncronos para compensar una tensión desequilibrada a través de un STATCOM, permitiendo controlar independientemente tanto la secuencia positiva como la secuencia negativa. Además, este controlador incluye aspectos como un mecanismo de antiwindup y droop control para mejorar su comportamiento. Se han realizado varias pruebas experimentales para analizar las características de los controladores de corriente abordados en esta Tesis. Todas ellas han sido realizadas bajo las mismas condiciones de potencia, tensión y corriente, de modo que se pueden extraer resultados comparativos. Estas pruebas pretenden caracterizar la respuesta transitoria, la respuesta en régimen permanente, el comportamiento frente a saltos de frecuencia y la carga computacional de los controladores de corriente estudiados.