Optimal model reference control design for grid connected voltage source converters
- Autores: Jorge Pérez Morales
- Directores de la Tesis: Francisco Javier Rodríguez Sánchez (dir. tes.), Santiago Cóbreces Álvarez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Robert Griñó Cubero (presid.), Daniel Pizarro Pérez (secret.), Marco Liserre (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
- español
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.
- English
This thesis develops an H∞ optimal model-reference control design approach for its application on grid-connected Voltage-Source Converters (VSCs). Two main fields are considered: the closed-loop admittance shaping of current-controlled VSC-based applications and the optimal active damping of resonant filters.
The H∞ optimal control design paradigm gives some advantages with respect to the classical approaches when dealing with complex control problems (i.e. complex plants and/or control objectives), transferring part of the design complexity to a computational algorithm that synthesizes the optimal controller for a given set of specifications. Its presence on the control of VSC mainly centres in the H∞ minimization of the sensitivity function magnitude, which allows to shape the application loop-function, dealing effectively with different control trade-offs such as the effective reference tracking, the stand-alone stability robustness or the bandwidth limitation. This technique lacks, however, of the ability to shape the closed-loop phase, which is also important for many applications. The H∞ model-reference design approach solves this problem, allowing to shape both the gain and phase of the controlled system closed-loop dynamics over wide frequency ranges.
The main contribution of this thesis is the application of the model-reference approach for the shaping of VSCs closed-loop admittance, which have been demonstrated to play an important role on both complex networks stability and in the improvement of the grid power quality. The designer should provide the procedure with two model-reference transfer functions: one that specifies the desired input admittance and another that specifies the desired reference-tracking dynamic model. This allows an accurate shaping of both admittance modulus and phase, in addition to fulfil with traditional tracking performance specifications. The process result is a discrete-time controller suitable for being programmed and executed in a digital platform (DSP).
Several possible applications may arise from the presented methodology. This proposal is illustrated using a PWM rectifier application but is flexible enough to be applied to different control schemes and converter topologies. Three different admittance-shaping applications are explored: the design of broad-band resistive closed-loop systems, which are demonstrated to be very robust against grid uncertainties (i.e. weak grid-connection), the design of low admittance profiles, which result in a improvement in the rejection of grid-voltage (sub/inter)harmonics, and the design of high admittance profiles, which may act as good shunt grid stabilizers (i.e. dampers of grid resonances). Their respective controllers design methodology, limitations and implementation, as well as the obtained experimental results are detailed.
Complementary, the model-reference design approach is also explored for the active damping of resonant LCL filters. Once implemented, the proposed active damper shapes the LCL filter dynamic so it behaves as an L filter. That allows the use of current-controllers designed for this simpler topology, without renouncing to the higher filtering capabilities of LCL filters. The methodology is flexible enough to select the measured signals, and results, as it is demonstrated, in an improved robustness of the current-controlled system.
- español
