COSDIN
Proyecto
30/12/2016
Resumen: Los convertidores de potencia multinivel se han ido estableciendo como una de las mejores opciones para las conversiones de energ¡a el‚ctrica necesarias en numerosas aplicaciones industriales incluyendo diversos tipos de generaci¢n renovable as¡ como las redes el‚ctricas inteligentes. Estos convertidores presentan m£ltiples ventajas como, entre otras, capacidad de suministrar mayores niveles de potencia y mayor calidad de las tensiones e intensidades senoidales generadas con baja distorsi¢n arm¢nica. Los algoritmos de control de los convertidores es un aspecto crucial puesto ya que un buen dise¤o permite no s¢lo que el comportamiento sea aceptable sino que se pueden conseguir convertidores con mejores prestaciones como son el aumento de la eficiencia o la mejora de la calidad de la se¤al el‚ctrica de entrada o de salida.Tambi‚n permite el uso de nuevas topolog¡as con mejores prestaciones pero que necesitan algoritmos de control m s complejos. Sin embargo, el control de estos convertidores tiene caracter¡sticas que aumentan la complejidad del dise¤o. A la necesidad de utilizar tiempos de muestreo bastante restrictivos hay que a¤adir el hecho de que las se¤ales de control suelen tener un car cter discreto, como es el caso de la apertura o cierre de los elementos de conmutaci¢n. Esto hace que estos sistemas incluyan se¤ales continuas y discretas (adem s de la usual consideraci¢n del muestreo en tiempo discreto). Frecuentemente (aunque no £nicamente) se suelen utilizar modelos din micos promediados en el dise¤o de controladores que generan se¤ales de actuaci¢n continuas. Es por ello que es preciso una etapa de discretizaci¢n (usualmente denominada modulaci¢n) para la decisi¢n del valor instant neo de las se¤ales de control discretas. En este proyecto se pretende obtener nuevas t‚cnicas de dise¤o de controladores para este tipo de sistemas, avanzando en dos l¡neas de investigaci¢n relacionadas con la existencia de se¤ales de control discretas: por un lado se combinar el uso de nuevas t‚cnicas de modulaci¢n para modelos promediados con algoritmos de optimizaci¢n en la etapa de discretizaci¢n de la se¤al de control calculada como se¤al continua. La segunda l¡nea, que evita el uso de modelos promediados, es la consideraci¢n del car cter h¡brido del sistema (con din micas continuas y discretas) con lo que se utilizar n modelos din micos h¡bridos y se obtendr n nuevos algoritmos de control basados en la teor¡a de sistemas din micos h¡bridos. Existen pocos antecedentes de estas dos l¡neas de investigaci¢n y solamente con aplicaciones a convertidores sencillos con escasa complejidad. En este proyecto se pretenden aplicar a un convertidor de una complejidad importante disponible en el centro del subproyecto 1. Se trata de un convertidor trif sico NPC de cinco niveles de 12kW y 800V de continua, dise¤ado y montado en el proyecto del que es continuaci¢n el que se solicita. Este tipo de convertidor, del que existen muy pocos prototipos en el mundo con potencias similares, no est a£n implantado en la industria a pesar del ‚xito de su versi¢n de tres niveles. Las razones de la poca implantaci¢n est n relacionadas con la dificultad de su control incluyendo el balance de tensiones entre los condensadores. Esto hace que este banco de pruebas sea una excelente aplicaci¢n de las t‚cnicas que se desarrollar n en el proyecto con un importante impacto potencial en el desarrollo de nuevos productos. Abstract: Multilevel electronic power converters have been gaining ground as one of the best options for electric power conversion. High performance conversion is needed in numerous industrial application such as renewable energy supply and electrical smartgrids. This type of converters enjoy multiple advantages, such as the ability to supply higher power levels of magnitude, better waveform quality, and less harmonic distortion when generating sinusoidal voltage and current waves, among others. Control algorithms for power converters are a fundamental asset, as their design allows not only acceptable behaviour, but improved performance metrics such as increased efficiency or better waveform quality in inputs and outputs. They also imply the possibility of deploying new topologies with enhanced properties but requiring more complex control strategies. However, controlling this type of converters comes at the cost of increased algorithm complexity. Added to the need of restrictive sampling times, we encounter the requirement of using discrete input signals, as happens with the opening and closing of switched devices. This implies the inclusion of discrete variables in the model, as well as the usual consideration of discrete-time sampling. Typically, discrete signal are not taken into account in initial stages of the design procedure. Instead, averaged dynamical models are preferred, giving way to continuous control actions. In a subsequent stage, discretization is taken into account, and specific strategies must be devised in order to produce, with discrete signals, the averaged values required by the continuous-valued action signals computed in the first stage. These strategies are known as modulation schemes, and the whole design procedure turns out to be hierarchical due to the separation of both phases. In this project we aim at creating new controller design techniques for this type of system, advancing in two discrete-input based research lines. On the one hand, we will combine, in the stage of discretization of the control signals calculated as continuous valued, the use of new modulation techniques for averaged models with optimization algorithms. The second line, which departs from the hierarchical model, is based on the consideration of the hybrid nature of the system (with mixed continuous and discrete dynamics), uses hybrid dynamical models and aims at creating new control algorithms based on hybrid system theory. There are few available previous results in these two research lines, and they have been applied only to small converters with little complexity. In this project, we seek to apply them to a converter with important complexity, available in the labs of subproject 1. It is a NPC three-phase five-level converter of 12kW and 800V dc output, designed and built in the project that we are seeking to continuate here. This type of converter, of which there are few prototypes available in the world today, is not yet widely used in industry, regardless of the success of the three-level version. The reason for this are to be found in the difficulty of designing control algorithms, stemming from the need of balancing the capacitor voltages. This implies makes the developed prototype an excellent opportunity to apply the techniques that will be developed in the project, with an important impact in the launching of new products.
AGENCIA ESTATAL DE INVESTIGACION
54450 €
Departamento de Ingeniería
Programa de Doctorado en Ciencia de los Datos
Optimization and Control of Distributed Systems