Optimal model reference control design for grid connected voltage source converters

Abstract

Esta tesis se centra en el diseño de controladores H∞ basados en modelos de referencia para su aplicación en el control de convertidores electrónicos de potencia en fuente de tensión (VSC). Se persiguen dos objetivos: el conformado de la admitancia de entrada de un VSC controlado en corriente y el óptimo amortiguamiento activo de filtros resonantes.El diseño de controladores óptimos H∞ aporta ciertas ventajas con respecto al diseño clásico. La principal técnica de diseño H∞ utilizada en la literatura se centra en la minimización de la función de sensibilidad. Ésta permite lidiar con diferentes problemas de compromiso en el diseño de controladores de forma sencilla, como el conformado de la función de lazo, el seguimiento de referencias, la estabilidad del sistema o la limitación del ancho de banda de control. Sin embargo, esta técnica carece de la habilidad de conformar la fase de funciones en lazo cerrado. La técnica H∞ basada en modelos de referencia soluciona este problema.La principal contribución de esta tesis es la aplicación de esta técnica para el moldeado de la admitancia en lazo cerrado de VSCs, la cual juega un importante papel tanto en la estabilidad de sistemas complejos como en la mejora de la calidad de energía en la red. Utilizando la técnica propuesta, el diseñador podrá especificar, en un gran ancho de banda y en un solo marco de diseño, tanto la admitancia del convertidor del convertidor (en modulo y en fase), como el comportamiento del seguimiento de referencias. El proceso de diseño finaliza con la síntesis de un controlador discreto ejecutable en una plataforma digital (DSP).Las posibilidades que presenta esta nueva metodología de diseño son amplias. La presente propuesta se ilustra con el control de un rectificador activo conectado a la red, pero es lo suficientemente flexible como para aplicarse en otros esquemas de control y topologías de convertidor. Se considerarán tres aplicaciones del control de admitancia: el diseño de aplicaciones resistivas en un gran ancho de banda, las cuales mejoran la robustez en la conexión estable a red débiles, el diseño de aplicaciones con una admitancia baja, las cuales mejoran el rechazo de (sub/inter)armónicos de la tensión de red en el control de corriente, y el diseño de aplicaciones con una admitancia alta, que al conectarse en paralelo a la red actúan como estabilizadores de ésta. La metodología de diseño de cada controlador, así como sus limitaciones, implementación y los resultados experimentales obtenidos son detallados.De forma complementaria, se explora la técnica de diseño basada en modelos de referencia para el amortiguamiento óptimo de resonancias en filtros LCL. La idea es diseñar un amortiguador activo que, una vez conectado, moldee la dinámica del filtro LCL de tal manera que este se comporte como un filtro L. Esto permitirá el posterior uso de sencillos controladores de corriente diseñados para filtro L, evitando la complejidad del diseño de controladores para filtros LCL, sin renunciar con ello a su gran capacidad de filtrado. La metodología de diseño es lo suficientemente general como para presentar diferentes estructuras de entrada/salida para el amortiguador. Los resultados obtenidos demuestran la mejora en la robustez del sistema.