Control óptimo y estimación de estado de un inversor monofásico

Abstract

This paper describes the design, modeling and implementation to level simulation of a single-phase inverter connected to grid through a LCL filter (Inductance-Capacitance-Inductance); the model is studied to design the control scheme. The purpose of the inverter is to convert the constant current or voltage in alternate by means of transistors which act as switches, enabling the interruption in the current and reversing the polarity, so that adapts the signals to transfer energy to the grid. However, for the inverter-grid connection is required to use a filter, since otherwise it would cause a short circuit in the system since the frequencies would not have the same phase, also is necessary to provide energy of quality (less rate of harmonic distortion) to the grid. The filter used in this case will be a LCL filter, which reduces the harmonic content produced by the inverter, giving this way a current cleaner to the electrical grid. Likewise, is required an efficient control scheme to control the system (inverter with LCL filter) and a state estimation to implement the controller of the inverter, assuming that isn´t available all state vector. The control scheme implemented is based in optimal control, which achieves an adequate performance in inverter operation. Finally, the necessary simulations are performed to validate the optimal control response proposed using the software Wolfram Mathematica®.

En el presente documento se describe el diseño, modelado e implementación a nivel simulación de un inversor monofásico conectado a la red eléctrica a través de un filtro LCL (Inductancia-Capacitancia-Inductancia); se estudia su modelo para diseñar el esquema de control. La finalidad del inversor es convertir la corriente (o tensión) continua en alterna por medio de transistores que actúan como interruptores, permitiendo la interrupción en la corriente e invirtiendo la polaridad, de tal forma que adecúa las señales para transferir la energía a la red. Sin embargo, para la conexión inversor-red se requiere el uso de un filtro, ya que de otra manera se provocaría un cortocircuito en el sistema al no estar las frecuencias en fase y además es necesario para proveer energía de calidad (menor tasa de distorsión armónica) a la red. El filtro empleado en este caso será un filtro LCL, el cual reduce el contenido de armónicos producidos por el inversor, entregando de esta forma una corriente más limpia a la red eléctrica. Así mismo, se requiere de un esquema de control eficiente para controlar el sistema (inversor con filtro LCL) y una estimación de estado para implementar el controlador del inversor, asumiendo que no se tiene disponible todo el vector de estado. El esquema de control implementado está basado en control óptimo, el cual logra un desempeño adecuado en el funcionamiento del inversor. Finalmente se realizan las simulaciones necesarias con el fin de validar la respuesta del control óptimo propuesto, mediante el uso del software Wolfram Mathematica®.