Control óptimo robusto para un sistema de generación basado en un generador síncrono de imanes permanentes

Abstract

In this thesis work, a mathematical modeling is carried out and a control strategy is designed for a wind generation system based on a Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG). The complete system is non-linear, which requires an efficient, non-linear and robust control system for the regulation of the variables involved, in order to obtain the maximum extraction of energy from the wind. The generation system has different stages, starting with a wind turbine, which is responsible for transforming the kinetic energy of the wind into mechanical energy, from which a mechanical torque is obtained that must serve to drive the permanent magnet generator; subsequently, there is a power electronics stage based on a three-phase controlled rectifier, which by means of Pulse Width Modulation (PWM), provides a series of pulses for the control of the converter switching in order to extract the maximum power from the system. The control strategy designed is based on the theory of optimal nonlinear control, where a cost functional that evaluates the performance of the system to be controlled is minimized, as well as the control effort to achieve such performance. The control methodology takes into account that the system to be controlled has a disturbance, so the design results in a robust controller. The complete generation system is simulated in Matlab/Simulink. The optimal robust control performs the tracking of variant trajectories with time, where the references for the system variables are obtained by means of algorithms followers of maximum MPPT power point, where for this purpose two algorithms are used different, that is, disturbs and observes P&O and speed change ratio (TSR).

En el presente trabajo de tesis se realiza el modelado matemático y se diseña una estrategia de control para un sistema de generación eólico basado en un Generador Síncrono de Imanes Permanentes. El sistema completo es de naturaleza no lineal, mismo que requiere de un sistema de control eficiente, no lineal y robusto para la regulación de las variables involucradas, a fin de poder obtener la máxima extracción de energía a partir del viento. El sistema de generación cuenta con diferentes etapas, iniciando por una turbina eólica, que se encarga de transformar la energía cinética del viento en mecánica, de la cual se obtiene un par mecánico que ha de servir para impulsar el generador de imanes permanentes; posteriormente, se tiene una etapa de electrónica de potencia basada en un rectificador controlado trifásico, que mediante una modulación por ancho de pulso PWM, proporciona una serie de pulsos para el control de la conmutación del convertidor a fin de extraer la máxima potencia del sistema. La estrategia de control diseñada se basa en la teoría de control óptimo no lineal, donde se minimiza un funcional de costo que evalúa el desempeño del sistema a controlar, así como el esfuerzo de control para lograr tal desempeño. La metodología de control toma en consideración que el sistema a controlar tiene una perturbación, por lo que el diseño resulta en un controlador robusto. El sistema completo de generación está simulado en Matlab/Simulink. El control ´optimo robusto realiza el seguimiento de trayectorias variantes con el tiempo, donde las referencias para las variables del sistema se obtienen mediante algoritmos seguidores de máximo punto de potencia MPPT, donde para tal fin se emplean dos algoritmos distintos, esto es, perturba y observa (P&O) y razón de cambio de velocidad TSR.