Optimization and analysis of the current control loop of VSCs connected to uncertain grids through LCL filters
- Autores: Santiago Cóbreces Álvarez
- Directores de la Tesis: Francisco Javier Rodríguez Sánchez (dir. tes.), Emilio José Bueno Peña (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2009
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Josep Bordonau Farrerons (presid.), Felipe Espinosa Zapata (secret.), Aurelio García Cerrada (voc.), Marco Liserre (voc.), Mario Mañana Canteli (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: e_Buah
- Resumen
- español
La presente tesis está centrada en el diseño y análisis del control de convertidores en fuente de tensión (VSC) conectados a la red mediante filtros LCL. Particularmente se centra en redes que presentan incertidumbre en sus parámetros dinámicos intrínsecos y en su influencia sobre el lazo de control de menor nivel del los convertidores: el control de corriente. Con este objetivo, la tesis aborda el estudio a tres niveles diferentes. En primer lugar, la tesis estudia el modelo de red que en ella se considerará, sus parámetros inciertos y presenta una propuesta para estimarlos de manera recursiva. La estimación se basa en un proceso de optimización basado en mínimos cuadrados recursivos aplicados a las medidas obtenidas. El sistema de sincronización y la transformación a un sistema de referencia síncrono han sido específicamente diseñados para el sistema propuesto. El proceso de optimizatión se complementa con una función de evaluación de la estimación generada en tiempo real. El estudio de la influencia de la incertidumbre en los parámetros de la red sobre la estabilidad del control de corriente de convertidores conectados a red constituye la segunda línea de trabajo de la presente tesis. En el caso de controladores lineales, se propone una análisis basado en la aplicación de la teoría del valor singular estructurado µ sobre un modelo de incertidumbre paramétrica que se describe en el presente documento. El método propuesto extrae un intervalo seguro de los parámetros de la red a partir de una planta y un controlador previamente definidos. Son objeto de especial atención los aspectos ligados a la implementación práctica como el tratamiento de incertidumbre real pura y el análisis de sistemas muestreados. Con el objetivo de probar las capacidades del método propuesto, la propuesta esta ilustrada mediante su aplicación a tres ejemplos prácticos: un controlador diseñado con un enfoque SISO, un servo-controlador MIMO y un diseño robusto basado en técnicas H∞. Para el caso de controladores no lineales, la tesis presenta algunas conclusiones prácticas aplicables a controladores basados en comparadores con histéresis. Tras este análisis, la tesis se centra en el problema complementario: el diseño de un controlador robusto para convertidores conectados a la red mediante un filtro LCL cuya estabilidad esté garantizada para un intervalo de parámetros de red previamente conocido. A modo de paso previo, la tesis presenta un servo-controlador ´optimo LQ cuyo algoritmo puede ser complementado mediante el uso de observadores de estados. El control se afronta desde un marco de referencia síncrono y directamente controla las corrientes inyectadas en la red. Una vez que se ha establecido el entorno de trabajo, la tesis propone un diseño basado en conformado de lazo robusto H∞ complementado con la herramienta de análisis ν-gap.
- English
This thesis focuses on the design and analysis of the control of voltage source converters connected to the grid through LCL filters. Particularly it is centered on grids presenting uncertainty in their intrinsic dynamic parameters and their influence over the inner control loop of a grid converter: the current control. To that end, the thesis follows a three-fold discussion. Firstly, the thesis studies the grid model, its uncertain parameters and presents a proposal to recursively estimate them. The estimation is based on a recursive least-squares optimization procedure applied to the current and voltage measurements, performed in the point of common coupling, expressed in a synchronous reference frame. The synchronization and the reference frame transformation process is specially designed for the proposed system. The optimization process is complemented with an estimation evaluation block that gives a real-time measure of the estimation quality. The influence of those uncertain parameters over the stability of the current control loop of grid converters is the second topic of this thesis. For the case of linear controllers, the analysis is performed by applying the structured singular value mu theory to a parametric uncertainty model that is described in the document. The proposed method extracts safe grid parameters ranges from a previously defined controller and plant model. Special attention is payed to important practical considerations as pure real uncertainty and sampled-data systems analysis. To test the method performance and illustrate its behavior, this dissertation discusses the robustness of three particular examples: a SISO control approach, a MIMO servo-controller approach and a robust H_inf design. For the case of non-linear controllers, the thesis focuses on hysteresis controllers and presents some practical conclusions. After that analysis, the thesis deals with the complementary problem: the design of a robust controller for grid converters connected through LCL filters to grids whose parameters range between known values. As a prior stage, the thesis presents an LQ servo-controller design procedure that may be complemented with the use of state estimators. The control is faced in a synchronous reference frame and directly controls the grid injected current. Once the framework is settled, the thesis proposes a design technique based on a robust Loop-shaping H_inf design procedure complemented with the nu-gap analysis tool. The final part of this dissertation describes the experimental set-up used for testing the presented proposals. After this, a summary of experimental results and waveforms is presented.
- español
