Power conditioning applications through nonlinear optimal and robust control

Abstract

The electrical power grid is in constant evolution due to the increase in power electronics- based devices, the high-frequency switching of nonlinear loads, and the inverter interfaced renewable power generation systems. This power grid transformation gives rise to new electrical power grid architectures such as the so-called microgrids, which require robust and reliable control schemes to guarantee voltage-frequency regulation and power quality. In this sense, the nonlinear optimal control is presented as a control scheme capable of achieving the desired objectives and, at the same time, optimizing a given performance index, proving to be effective in tracking fast time-varying reference signals in power electronics applications. Additionally, the sliding mode control provides the control scheme with robust properties capable of rejecting external disturbances and parametric uncertainties. This thesis presents nonlinear optimal and robust control strategies applied for local microgrid controllers and power conditioning applications. On the one hand, concerning the local microgrid control, the microgrid’s operation cases during interconnection and isolation mode are considered, including an energy storage system based on supercapacitors.

La red eléctrica está en constante evolución debido al aumento de dispositivos basados en electrónica de potencia, la alta frecuencia de conmutación de cargas no lineales y los sistemas degeneración basados en energías renovables con interfaz de inversor .Esta transformación de la red eléctrica da lugar a nuevas arquitecturas de redes eléctricas como las denominadas microrredes, que requieren de esquemas de control robustos y fiables para garantizar la regulación de voltaje, frecuencia y la calidad de la energía eléctrica. En este sentido, el control óptimo no lineal se presenta como un esquema de control capaz de lograr los objetivos deseados y, al mismo tiempo, optimizar un índice de desempeño dado, demostrando ser efectivo en el seguimiento de señales de referencia rápidas variantes en el tiempo en aplicaciones de electrónica de potencia. Además, el control por modos deslizantes proporciona al esquema de control propiedades de robustez, lo que permite al sistema de control rechazar perturbaciones externas e incertidumbres paramétricas. Esta tesis presenta estrategias de control óptimo no lineal y robusto aplicadas a controladores locales de microrredes y aplicaciones de acondicionamiento de potencia. Por un lado, en lo que respecta a los controles locales de microrredes, se consideran los casos de operación de la microrred en modo de interconexión y aislamiento, incluyendo un sistema de almacenamiento de energía basado en supercapacitores. El esquema de control propuesto permite regular el voltaje y la frecuencia de la microrred durante el modo aislado y el intercambio de energía entre la red eléctrica principal durante el modo conectado a la red a través de una estrategia de control óptimo no lineal. Por otro lado, en lo que respecta a las aplicaciones de acondicionamiento de potencia.