Implementación de control óptimo robusto para un inversor trifásico conectado a la red eléctrica

Abstract

This manuscript presents the implementation of an robust optimal controller, applied to a dq0 frame model of an three-phase grid-connected inverter, with the objective of achieves robust time-varying trajectory tracking for active and reactive power, so that it is possible to control the power flow between the utility grid and the direct current node. It is included an LCL filter between the converter and the altern current grid in order to regulate the harmonic content level in the current and voltage signals to acceptable levels. With this objective is presented an LCL filter design by means of a methodology, based in existing literature for harmonic reduction. For the controller design, in order to provides robustness above parametric uncertainties or bounded disturbances, two integral terms are included for each one output of the system. The proposed optimal controller is derived from the Hamilton-Jacobi-Bellman equation, whose solution can be obtained for non linear systems which that admits the state dependent coefficient representation. The resulting control law minimizes a quadratic performance index, which evaluates the control eort and the tracking error. For the proposed controller application, it is indispensable to count on all states available for feedback, which is not always possible. With this objective is presented the design of an reduced order estimator, which that is used for active and reactive power control by means of observed states, using the proposed controller in simulation. In order to valid the simulation obtained results, the proposed controller is applied in a real prototype for power regulation up to 240 W.

En esta tesis se presenta la implementación de un controlador óptimo robusto, sintetizado a partir de un sistema en el marco de referencia dq0, de un inversor trifásico en conexión a una red eléctrica, con el objetivo de realizar seguimiento de trayectorias variantes en el tiempo de potencia activa y reactiva, de manera que sea posible controlar el flujo de potencia entre la red de corriente alterna y el bus de corriente directa. Se incluye un filtro LCL entre el convertidor y la red de corriente alterna con el propósito de reducir el nivel de contenido armónico en las señales de voltajes y corrientes a niveles aceptables. Se presenta el diseño del filtro LCL mediante una metodología basada en literatura existente para la reducción de armónicos. Para el diseño del controlador, a fin de darle mayor robustez ante incertidumbres paramétricas o ante perturbaciones acotadas, se incluyen dos términos integrales, uno por cada salida del sistema. El controlador óptimo propuesto es derivado de la ecuación de Hamilton-Jacobi-Bellman, cuya solución puede ser obtenida para sistemas no lineales que admiten la representación mediante una estructura semejante a un sistema lineal, con coeficientes dependientes del estado. La ley de control resultante minimiza un índice de desempeño cuadrático que pondera el esfuerzo de control y el error de seguimiento. Para la aplicación del controlador propuesto, es indispensable contar con todos los estados disponibles para retroalimentación. Con este objetivo, se presenta el diseño de un observador de estados de orden reducido, el cual es utilizado para realizar control de potencia activa y reactiva, mediante los estados estimados, utilizando el controlador propuesto, a nivel simulación. Para validar los resultados obtenidos en simulación, el controlador propuesto es implementado en un prototipo real para la regulación de potencia a niveles de hasta 240 W.