AVANCES EN EL CONTROL DE CONVERTIDORES

Resumen del proyecto
AVANCES
EN
EL
CONTROL
DE
CONVERTIDORES
ELECTRONICOS FUENTE DE TENSION CONECTADOS EN SERIE
CON EL SISTEMA ELECTRICO.
Autor:
Directores:
Rodríguez Cabero, Alberto
Roldán Pérez, Javier.
Zamora Macho, Juan Luis.
Entidad colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas
RESUMEN DEL PROYECTO
En las últimas décadas la electricidad se ha convertido en un bien de uso común,
con un número de consumidores siempre creciente. Para asegurar el correcto
funcionamiento de los dispositivos conectados a la red eléctrica, es necesario asegurar
que la calidad de la electricidad suministrada sea la adecuada. El concepto clásico de
calidad de suministro se refiere al nivel de tensión que recibe el consumidor. En ese
sentido, la principal perturbación que afecta al nivel de tensión son los huecos. Los
huecos son disminuciones del valor eficaz de tensión de la red, y se deben a faltas en el
sistema eléctrico de potencia. Esta disminución de la tensión causa la desconexión de
los equipos conectados a la red, lo que implica grandes gastos a los consumidores y a
las industrias que tengan que parar sus cadenas de producción. Un concepto más
moderno de calidad de suministro hace referencia a la forma de onda de la tensión en el
punto de conexión. La principal causa del deterioro de esta calidad son los armónicos de
tensión.
CARGAS
uc
CARGA
SENSIBLE
us
ul
ui
Control
Auxiliar
PWM
Control
Principal
e
Generador
Referencia
u*l
Figura R.1 Diagrama eléctrico de un SSVC para la compensación de huecos y armónicos de tensión.
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Resumen del proyecto
En la Figura R.1 se muestra un compensador serie de tensión (del inglés, Static
Series Voltage Compensator, o SSVC). Este dispositivo está formado por un
convertidor electrónico fuente de tensión, un filtro de salida, un transformador de
inyección y una fuente de alimentación auxiliar. Cuando se produce en hueco de tensión
en la red eléctrica, el dispositivo inyecta la tensión serie necesaria para restaurar la
tensión de la carga, evitando así su desconexión. Además, si por alguna razón hay
armónicos de tensión en la tensión de la carga, el SSVC puede compensarlos, de manera
que la carga sensible queda protegida frente a huecos y armónicos de tensión.
Figura R.2 Resultados experimentales utilizando los reguladores propuestos. El SSVC inyecta la tensión necesaria para que el
módulo de la tensión de la carga permanezca constante y sin distorsión armónica.
Para asegurar que la tensión inyectada es la deseada, se debe controlar la tensión
inyectada en lazo cerrado. Para asegurar una respuesta rápida frente a huecos de tensión,
se utiliza el regulador principal. Este regulador debe de ser lo suficientemente rápido
para evitar la desconexión de las cargas cuando se produce un hueco de tensión. Debido
a la resonancia que introduce el filtro LC de conexión, el control de la tensión de salida
resulta especialmente complicado. Por ello, el estudio y desarrollo de algoritmos de
control para mejorar la respuesta transitoria frente a huecos de tensión es un objetivo
principal de este proyecto. En particular, se han desarrollado estrategias basadas en
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Resumen del proyecto
reguladores PI anidados, y estrategias basadas en realimentación de variables de estado.
Por otro lado, para eliminar la distorsión armónica de la tensión de la carga, se utiliza un
regulador auxiliar. Los reguladores utilizados para eliminar la distorsión armónica son
más complejos que los reguladores clásicos, y su diseño e implantación resultan
complicados. Por tanto, el segundo objetivo principal de este proyecto es desarrollar un
regulador sencillo de diseñar e implementar para eliminar armónicos. En particular, se
ha hecho hincapié en los reguladores selectivos.
La robustez y la respuesta de los algoritmos de control propuestos ha sido
analizada en detalle de manera teórica. Para el caso particular de los reguladores en
variables de estado, se ha desarrollado una herramienta que permite analizar de manera
sistemática sus índices de estabilidad. Por otro lado, se ha desarrollado una
Parametrización de los reguladores selectivos digitales que hace muy sencillo tanto la
implantación como el diseño de los reguladores.
Para verificar la validez estos algoritmos, se han implantado en un prototipo
experimental de un SSVC de 5 kVA, en el Laboratorio de I+D de la ETSI de ICAI. En
la Figura R.2 se muestran los resultados experimentales obtenidos en el prototipo del
SSVC. Para este ensayo se ha utilizado un regulador en variables de estado como
regulador principal, y una batería de reguladores selectivos como regulador auxiliar.
Ambos reguladores han sido diseñados en el transcurso del proyecto. La tensión de la
red está distorsionada con armónicos, y además, se produce un hueco de tensión. Se
puede observar como el dispositivo serie inyecta la tensión necesaria para compensar el
hueco y los armónicos de tensión. En la Figura R.3 se muestran los resultados de una
FFT de la tensión de la red y de la tensión de la carga, a las frecuencias clave. Se puede
observar que el dispositivo serie es capaz de reducir drásticamente la distorsión
armónica de la tensión de la carga.
Figura R.3 FFT de la tensión de la red y de la tensión de la carga a las principales frecuencias armónicas. El SSVC mejora
claramente la distorsión armónica de tensión de la carga.
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Abstract
ABSTRACT
Now-a-days, electricity has become a product of common use, with an ever
rising number of consumers. For a proper operation of loads connected to the grid, it is
necessary to ensure that the power delivered to consumers has the appropriate quality.
The classic power quality concept refers to the voltage level at the consumer side. A
voltage dip is a sudden reduction on the voltage level, mainly produced by faults on the
power system. Voltage dips produce unwanted disconnection of loads, which implies
great losses to consumers and industries that have to stop their production. A more
recent concept of power quality involves the voltage waveform at the connection point,
so the major cause of its reduction are voltage harmonics.
CARGAS
uc
CARGA
SENSIBLE
us
ul
ui
Control
Auxiliar
PWM
Control
Principal
e
Generador
Referencia
u*l
Figure R1: Electric diagram of a SSVC for compensation of voltage dips and voltage harmonics.
Fig. R1 shows a Static Series Voltage Compensator (SSVC). This device
consists on an electronic voltage source converter, a filter, an injection transformer and
an auxiliary power source, and it is connected in series between the load and the point
of common coupling. When a voltage dip occurs in the power system, the device injects
the required series voltage to compensate the load voltage, thus avoiding the load
disconnection. Additionally, the device can compensate the harmonic components in the
grid voltage.
To ensure that the desired voltage is injected, the voltage injected in series must
be controlled in closed loop. On one hand, a main controller is used to ensure a fast
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Abstract
response in case of voltage dip. On the other hand, an auxiliary controller is used to
suppress harmonic distortion present in the load voltage. The main controller has to be
fast enough to avoid the load disconnection in case of voltage dip. Due to the resonance
of the LC output filter, the controller design results particularly difficult. Therefore, the
design and development of control techniques to enhance the transient performance of
the SSVC is one of the main objectives of this project. To meet this objective, two main
regulators have been studied: nested PI controllers and state- variable feedback
controllers. On the other hand, the controllers used to reduce harmonic distortion are
more complex than classic controllers, then its design and implementation is
complicated. Hence, the second main objective of this project is to develop a harmonic
controller easy to design and implement. In particular, resonant controllers have been
studied.
Figure R2: Experimental results using the proposed controllers. The SSVC injects the necessary voltage to maintain constant
the load voltage level and without harmonic distortion.
Robustness and performance of the proposed control algorithms have been
theoretically studied in detail. In particular, it has been developed a tool to assess the
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Abstract
robustness of state-variable feedback controllers in a systematic way. Besides, an
innovative parameterization of resonant controller has been proposed.
The proposed controllers have been implemented on a 5kVA prototype of a
SSVC in the R+D Laboratory at the ETSI of ICAI. Fig. R.2 shows the experimental
results obtained in the prototype. This test has been carried out using a state- variable
feedback controller and a resonant controller. Both controllers have been developed
during the project. The grid voltage is polluted with harmonics and a voltage dip takes
place. One can see that the SSVC injects the required voltage to compensate the dip and
the voltage harmonics. Fig. R.3 shows the FFT results of the grid and the load voltage,
at the key frequencies. One can see that the SSVC is able to drastically reduce the
harmonic distortion at the load side.
Figure R3: FFT results of the grid and load voltage at the key frequencies. The SSVC reduces the harmonic distortion at the
load voltage.
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