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Equilibrio de tensiones en convertidores
de potencia NPC multinivel
Escuela Técnica Superior de Ingenieros
Universidad de Sevilla
VIII Simposio CEA de Ingeniería de Control
Almería, 28 de abril de 2010
Francisco Umbría
o Introducción
o Modelo matemático del convertidor de potencia NPC
o Control de potencia y tensión de salida total
o Análisis de la ecuación del balanceo de tensiones de los
condensadores
o Métodos de control del balanceo de tensiones
o Diseño de observador
o Algoritmo basado en “Internal Model Principle”
o Algoritmo basado en “Adaptive Feedforward Cancellation”
o Cancelación de perturbación senoidal de frecuencia
desconocida
o Conclusiones
Índice
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Introducción
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Convertidores multinivel
Principales ventajas
- Mejor forma senoidal de la señal de salida (inversores)
- Mayor magnitud de la tensión de salida
- Flujo de potencia bidireccional
- …
Desventajas
- Aparición de armónicos no deseados
- Mayor complejidad
- …
Introducción
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Objetivos de control
- Controlar la tensión de salida total
- Intensidad de línea proporcional a la tensión de línea
- Potencia instantánea activa alcance su valor deseado
- Factor de potencia próximo a la unidad
- …
- Equilibrio de tensiones en los condensadores de salida
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Introducción
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Rectificador de potencia NPC trifásico de tres niveles
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Introducción
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Balanceo de tensiones de los condensadores:
- Ventajas → reducción de capacitancia de los condensadores
de salida
- menor tamaño
- menor coste
- tensión de salida elevada
- Problema → los condensadores se pueden quemar
importancia del equilibrio de tensiones en los
condensadores
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Modelo matemático del convertidor de potencia NPC
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Ley de Kirchhoff (mallas) Ley de Kirchhoff (nodos)
tensiones equilibradas
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Modelo matemático del convertidor de potencia NPC
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Tensión en los interruptores
aproximación
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Modelo matemático del convertidor de potencia NPC
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Ecuaciones del modelo
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Modelo matemático del convertidor de potencia NPC
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Modelo resultante en coordenadas αβγ
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Modelo matemático del convertidor de potencia NPC
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Objetivos de control en coordenadas αβγ
o Potencias instantáneas
o Tensiones
referencias constantes
en permanente
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Control de potencia y tensión de salida total
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Esquema de control
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Análisis ecuación de balanceo de los condensadores
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Suposición
Dinámica da las potencias instantáneas mucho más rápida
que la de las tensiones
término no
lineal
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Análisis ecuación de balanceo de los condensadores
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Suposición: dinámica de la diferencia de tensiones más rápida
que la de la suma de tensiones
o Constantes:
o Identidades trigonométricas
Término no lineal → señal senoidal
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Métodos de control del balanceo de tensiones
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Diseño de observador
o Algoritmo basado en “Internal Model Principle”
o Algoritmo basado en “Adaptive Feedforward Cancellation”
o Algoritmo para cancelación de perturbación senoidal de
frecuencia desconocida
idea global
diseñar el controlador para cancelar
la “perturbación” senoidal
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Diseño de observador
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Balanceo de tensiones
o Espacio de estados
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Diseño de observador
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Vectores y matrices:
o Matriz de observabilidad → rango completo → observador de
estados
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Diseño de observador
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Diseño de observador de Luenberguer
Estimación estado
Objetivo: estimar el término no lineal
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Diseño de observador
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Diseño del controlador
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Diseño de observador
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Simulación:
- cambio en la resistencia de salida (de 120Ω a 60Ω)
- instante del cambio: 0.1s
- valor de referencia de la tensión de salida totoal: 800V
- valor de referencia de la diferencia de tensiones: 0V
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Diseño de observador
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Suma y diferencia de tensiones de los condensadores:
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Diseño de observador
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Observador:
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Algoritmo basado en “Internal Model Principle”
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o “Internal Model Principle”:
inclusión de un modelo del término no lineal en el controlador
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Algoritmo basado en “Internal Model Principle”
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Relación con control repetitivo:
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Algoritmo basado en “Adaptive Feedforward Cancellation”
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Cancelar la perturbación a la entrada del sistema
o La frecuencia de la perturbación es conocida, pero no lo son
ni la amplitud ni el desfase → control adaptativo (estimación
de parámetros)
o Expresión trigonométrica
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Algoritmo basado en “Adaptive Feedforward Cancellation”
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Parámetros a estimar: ,
o Esquema de control propuesto:
o Ley de adaptación
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Algoritmo basado en “Adaptive Feedforward Cancellation”
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Esquema de control
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Cancelación de perturbación senoidal de frecuencia desconocida
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Frecuencia de la perturbación desconocida pero constante
o Suposiciones:
1) Los parámetros a estimar varían de forma lo
suficientemente lenta de manera que la respuesta del sistema
se puede aproximar por la respuesta en régimen permanente
a una entrada senoidal
2) Las frecuencias instantáneas de la perturbación y de la
estimación son parecidas
o Controlador propuesto:
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Cancelación de perturbación senoidal de frecuencia desconocida
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Estimación de los parámetros
frecuencia desconocida
necesario buena aproximación de la misma
en el diseño del controlador
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Cancelación de perturbación senoidal de frecuencia desconocida
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Esquema de control
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Simulación
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Simulación:
- cambio en la resistencia de salida (de 60Ω a 120Ω)
- instante del cambio: 0.2s
- valor de referencia de la tensión de salida totoal: 750V
- tiempo de muestreo 0.0001s
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Simulación
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Parámetros de los controladores:
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Simulación
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Diferencia de tensiones de los condensadores:
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Simulación
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Estimación de la frecuencia instantánea:
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
Introducción Modelo NPC Control potencia-tensión Análisis ecuación balanceo Diseño controlador Conclusiones
Conclusiones
Equilibrio de tensiones en convertidores de potencia NPC multinivel
o Importancia del balanceo de tensiones
- Evitar que el sistema se vuelva inestable
- Aprovechar las ventajas del convertidor multinivel
o Modelo del convertidor coherente
o Diversos métodos de control