Model predictive control for power converters: a study in the linear complementarity framework

Abstract

This thesis proposes the use of the complementary reference framework, recently developed in the literature for modeling power converters. The power converter can be considered to consist of linear elements (resistors, capacitors and inductors), voltage and current sources, and electronic devices (ED) such as diodes and switches (thyristor, transistor, etc.). A typical way to model systems based on power converters is to assume the nonlinear characteristics of EDs as ideals. In this context, complementarity models have proven to be an appropriate approach to model and analyze power converters. Since these models, unlike other modeling techniques, represent the power converter in all modes of operation, without enumerating them or assuming a certain sequence of switching modes or times, in addition to their discrete nature constitutes an efficient tool for The design of advanced control techniques in discrete time. This thesis proposes the development of predictive control schemes (MPC) for power converters modeled in the complementary reference frame. MPC is an optimal control technique based on the model and is characterized by being very intuitive and allows incorporating restrictions, both linear and non-linear, in its formulation. The combination of MPC and the complementary framework (of a discrete nature) for the control design in power converters, results in a discrete time controller. Discrete time controllers, unlike analog controllers, present additional challenges during their implementation, related to execution times and analog-digital conversion. Therefore, digital control design requires testing its performance in a real-time environment, either through an implementation or using advanced simulation techniques such as hardware-in-the-loop (HIL).

Esta tesis propone el uso del marco de referencia complementario, desarrollado recientemente en la literatura para el modelado de convertidores de potencia. Se puede considerar que el convertidor de potencia consiste en elementos lineales (resistencias, condensadores e inductores), fuentes de voltaje y corriente, y dispositivos electrónicos (ED) como diodos e interruptores (tiristor, transistor, etc.). Una forma típica de modelar sistemas basados en convertidores de potencia es asumir las características no lineales de los EDs como ideales. En este contexto, los modelos de complementariedad han demostrado ser un enfoque apropiado para modelar y analizar convertidores de potencia. Dado que estos modelos, a diferencia de otras técnicas de modelado, representan el convertidor de potencia en todos los modos de operación, sin enumerarlos o asumir una determinada secuencia de modos o tiempos de conmutación, además de que su naturaleza discreta constituye una herramienta eficiente para el diseño de técnicas de control avanzadas en tiempo discreto. La presente tesis propone el desarrollo de esquemas de control predictivo (MPC) para convertidores de potencia modelados en el marco de referencia complementario. MPC es una técnica de control óptimo basado en el modelo y se caracteriza por ser muy intuitiva y permite incorporar restricciones, tanto lineales como no-lineales, en su formulación. La combinación de MPC y el marco complementario (de naturaleza discreta) para el diseño de control en convertidores de potencia, obtiene como resultado un controlador en tiempo discreto. Los controladores en tiempo discreto, a diferencia de los controladores analógicos, presentan desafíos adicionales durante su implementación, relacionados con los tiempos de ejecución y conversión analógico-digital. Por lo tanto, el diseño de control digital requiere probar su desempeño en un ambiente de tiempo real, ya sea por medio de una implementación o utilizando técnicas de simulación avanzada como hardware-in-the-loop (HIL).