Diseño de controladores de alto desempeño para convertidores electrónicos que inyectan potencia en redes eléctricas que presentan condiciones de operación no ideales

Abstract

El trabajo realizado en el transcurso de esta tesis, se centra en el control de convertidores de potencia con filtro de salida, utilizados en sistemas de generación distribuida. Para esto se proponen diversas topologías de control tanto para filtros del tipo L como del tipo LCL. El primer caso analizado es el de un inversor conectado a la red a través de un filtro L. Para esto se diseña un controlador dead-beat resonante adaptivo. Con esto se logra desarrollar un controlador capaz de seguir a la referencia en solo dos muestras. Por otro lado, las etapas resonantes y adaptiva mejoran el rechazo a perturbaciones y la sensibilidad ante variaciones de los parámetros presente en el controlador dead-beat. Luego se desarrolla un controlador para un inversor conectado a la red a través de un filtro LCL. Para esto se realimentan tanto la corriente de salida como la corriente en el capacitor. Para superar las limitaciones de estabilidad que presenta dicho controlador ante variaciones de la inductancia de red, se propone realimentar la tensión en el punto de acoplamiento, obteniendo así, un controlador robusto. Por último, se propone analizar la estabilidad del inversor conectado a la red a través del filtro LCL, para la realimentación parcial y total de estados. Para esto el sistema es modelado como una fuente de corriente en paralelo con una admitancia de salida. Para asegurar la estabilidad, el sistema debe cumplir el criterio Nyquist en el producto entre la admitancia de salida y la impedancia de red. Además, se analiza la respuesta a lazo abierto del sistema. De esta manera, se logra definir un método de cálculo de ganancias para el diseño de un controlador robusto ante variaciones de la impedancia de red. La validez y efectividad de las estrategias propuestas es mostrada mediante simulación, y en la mayoría de los casos, mediante resultados experimentales.

The work done during the course of this thesis focuses on the control of power converters with output filter, used in distributed generation systems. For this purpose, different control topologies are proposed for both L and LCL filters. The first case analysed is that of an inverter connected to the grid through an L filter. For this purpose, an adaptive resonant dead-beat controller is designed. With this, it is possible to develop a controller capable of following the reference in only two samples. On the other hand, the resonant and adaptive stages improve the rejection of disturbances and the sensitivity to variations of the parameters present in the dead-beat controller. Furthermore, a controller for an inverter connected to the grid via an LCL filter is developed. For this purpose, both the output current and the current in the capacitor are fed back. In order to overcome the stability limitations of this controller in the face of variations in the grid inductance, it is proposed that the voltage at the coupling point be fed back, thus obtaining a robust controller. Finally, it is proposed to analyse the stability of the inverter connected to the grid through the LCL filter, for partial and total feedback of states. For this, the system is modelled as a current source in parallel to an output admittance. To ensure stability, the system must meet the Nyquist criterion in the product between the output admittance and the grid impedance. In addition, the open-loop response of the system is analysed. In this way, it is possible to define a gain calculation method for the design of a controller that is robust to variations in the grid impedance. The validity and effectiveness of the proposed strategies is demonstrated by simulation and, in most cases, by experimental results.