Aplicación de técnicas de identificación y control multivariable en convertidores en fuente de tensión conectados a la red eléctrica
- Autores: Francisco Huerta Sánchez
- Directores de la Tesis: Santiago Cóbreces Álvarez (dir. tes.), Francisco Javier Rodríguez Sánchez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2011
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Aurelio García Cerrada (presid.), Felipe Espinosa Zapata (secret.), Mariusz Malinowski (voc.), Robert Griñó Cubero (voc.), Fernando Briz del Blanco (voc.)
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- Resumen
- español
La Tesis se centra en el diseño del control de convertidores en fuente de tensión (VSC) conectados a la red eléctrica mediante filtros LCL y L. Particularmente está centrada en la mejora, mediante el uso de técnicas multivariables, del diseño y funcionamiento del lazo interno de control del convertidor conectado a red: el control de corriente. Con este fin, la Tesis se centra en tres líneas de trabajo básicas. La primera línea de trabajo es la identificación del modelo del convertidor VSC y el filtro de red. La Tesis propone la aplicación de técnicas de identificación multivariables en el VSC conectado a red mediante filtro LCL. El objetivo es obtener un modelo discreto en ejes dq que permita sintetizar de forma directa un controlador multivariable de corriente. Se han aplicado tres métodos de identificación multivariable: MOESP, N4SID y PEM. La Tesis trata de determinar cual es el método adecuado y el tipo de entradas a aplicar para la correcta identificación del modelo discreto del convertidor con filtro LCL. Asimismo, se propone un método de identificación paramétrico basado en regresiones lineales y modelos SISO con objeto de estimar el valor de los parámetros del filtro LCL. La segunda línea principal de trabajo es la aplicación de técnicas de control multivariable al problema del control de corriente del VSC conectado a red mediante filtro LCL. Los controladores MIMO propuestos se basan en la combinación de la estructura servocontrol y la técnica de control óptimo Linear Quadratic (LQ). Los controladores diseñados pueden ser combinados con el uso de estimadores del vector de estado para reducir el número de sensores necesarios para llevar a cabo el control de corriente del convertidor con filtro LCL. La Tesis aplica la combinación del servocontrol LQ con el filtro de Kalman al problema del control de corriente en entornos ruidosos, resultando en la propuesta del servocontrol LQG. La Tesis estudia la aplicación de una implementación concreta del filtro de Kalman, el SSKF, que está pensado para reducir la complejidad computacional de algoritmo y facilitar su implementación en la plataforma de control. La Tesis contribuye aportando criterios de diseño para el servo control LQ así como un Algoritmo Genético para la automatización de la elección de los parámetros del control LQ, ayudando de esta manera al diseñador. Los algoritmos de control han probado su versatilidad, siendo adecuados para ser empleados en diferentes problemas de control de corriente. Adicionalmente, se ha propuesto una estructura de control basada en el servocontrol LQ y el uso de resonadores para mitigar los efectos en el control de corriente de los armónicos de la tensión de red. La formulación de la nueva estructura permite emplear las herramientas de diseño propuestas en el caso básico. La tercera línea de investigación está relacionada con el control adaptativo. La propuesta realizada en la Tesis trata de mejorar una propuesta previa de control de un VSC conectado a la red mediante filtro L. Esta propuesta era sencilla de implementar y no requería de la medida de la corriente de red. Sin embargo era especialmente sensible a las variaciones en la inductancia de línea. Las modificaciones propuestas en la Tesis superan esta desventaja empleando un control basado en Lógica Borrosa y la reconstrucción de las corrientes de red, con objeto de ajustar los parámetros de control y hacer más robusto el control básico frente a variaciones en los parámetros del filtro.
- English
This thesis is focused on the design of the control of Voltage-Source Converters connected to the grid through LCL and L filters. Particularly it is focused on the improvement using multivariable techniques of the design and operation of the inner control loop of a grid converter: the current control. To that end, the thesis follows three main topics. The first main topic is identification of the VSC and filter model. The thesis proposes the application of techniques of multivariable identification to the Voltage-Source Converter connected to the grid by means of an LCL filter. The objective is to obtain a discrete model in the dq-frame that permits to directly synthesise a multivariable current controller. Three multivariable methods have been proposed: MOESP, N4SID and PEM. The thesis deals with determining the adequate identification method and the kind of inputs that should be applied to obtain a correct model estimation. Besides, an identification method based on linear regression and SISO models is proposed to estimate the values of the LCL filter parameters. The second main topic is the application of multivariable control techniques to the problem of the current control of the Voltage-Source Converter with LCL filter. The proposed MIMO controllers are based on servo controller structure and the optimal LQ technique. It could be combined with the use of full state vector estimators to reduce the number of necessary sensors to carry out the control. The thesis applies the combination of the LQ servo controller and Kalman Filter to the current control problem in noisy environments, resulting in the proposal of the LQG servo controller. The thesis studies a KF implementation, the so-called SSKF, which permits to reduce the computational complexity and facilitate his implementation on the control platform. The thesis contributes also with some design criteria and an algorithm based on Genetic Algorithms to auto-tune the parameters involved in the control design, helping in this way to the designer. The proposed algorithms have proven their versatility, being suitable to different current control problems. Besides, a structure based on the LQ servo controller and the use of resonators is proposed to mitigate the effects of grid harmonics in the current control. The formulation of the new structure still permits use the design tools applied in the basic structure. The third main topic is related with the adaptive control. The proposal deals with the improvement of a basic previous control approach for a Voltage-Source Converter with L filter. This previous approach is very simple by operation in the stationary reference frame as well as lack of AC line currents sensors but is very sensitive to variations of the line inductances. The modifications proposed in this thesis overcome this disadvantage using a Fuzzy Logic Controller (FLC) and grid current reconstruction to tune parameters and do more robust the basic control in view of line inductance parameters variations.
- español
