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Control de convertidores conectados a redes eléctricas: diseño e implementación
Alcala University
Department of Electronics
Control de Convertidores Conectados a
Redes Eléctricas: Diseño e Implementación
Francisco Huerta Sánchez
[email protected]
Grupo de Ingeniería Electrónica aplicado a los Sistemas de Energías Renovables (GEISER)
http://geiser.depeca.uah.es/
Departamento de Electrónica, Universidad de Alcalá
4 de julio del 2016
Escuela de Verano Programa PRICAM
Francisco Huerta Sánchez
GEISER – DEPECA – Universidad de Alcalá
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Department of Electronics
Biografía
Ingeniero en Electrónica, en 2011 obtuve el Doctorado por la Universidad de Alcalá. La
tesis versaba sobre el uso de técnicas de control e identificación multivariables en
convertidores de potencia conectados a la red mediante filtro LCL.
En marzo de 2016, tras dos años y medio en el Instituto IMDEA Energía, me incorporé
como investigador posdoctoral al grupo de investigación GEISER del Departamento de
Electrónica de la UAH.
Cuento con más de 30 publicaciones en congresos internacionales y revistas indexadas
en el área de control y electrónica de potencia. Asimismo he participado en diferentes
proyectos de investigación y contratos con entidades privadas de ámbito internacional
(entre ellos un FP7), nacional y regional.
Mis líneas de investigación actuales incluyen: el control de convertidores electrónicos de
potencia, su aplicación a las redes eléctricas, la integración a red de recursos energéticos
distribuidos y la calidad de la energía.
Francisco Huerta Sánchez
GEISER – DEPECA – Universidad de Alcalá
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Department of Electronics
Esquema
1. Introducción
2. Control de convertidores
3. Control de corriente
4. Control con filtro LCL
5. Control en redes débiles
6. Implementación digital
7. Control centralizado vs. distribuido
Francisco Huerta Sánchez
GEISER – DEPECA – Universidad de Alcalá
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Introducción
Alcala University
Department of Electronics
En el nuevo modelo basado en sistemas de generación distribuida
(DGPS), las energías renovables juegan un papel fundamental
DPGS
La estabilidad de la red se puede ver comprometida debido a la, a priori,
impredecible naturaleza de los DGPS
Francisco Huerta Sánchez
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Introducción
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Department of Electronics
Algunos retos en los DPGS
● Incrementar la fiabilidad de los sistemas
● Alta eficiencia
● Alta calidad de la energía
● Flexibilidad de los interfaces de potencia y su control
● Rápida integración de nuevos elementos
Interfaces de electrónica de potencia inteligentes (Smart)
Una de las topologías más relevantes es el
voltage-source converter (VSC)
Francisco Huerta Sánchez
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Introducción
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Department of Electronics
VSC
Características
● Bidireccional
● Control de potencia activa y reactiva
● Bajo rizado en tensión DC y corrientes AC
● DPF configurable
LCL vs L
Francisco Huerta Sánchez
●
●
●
●
●
Gran atenuación a la fsw
Mejora calidad corriente
Reduce el tamaño de los componentes
Incremento de variables de estado
Control más complejo (a priori)
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Introducción
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Department of Electronics
Aplicaciones de los VSCs (1/4)
Filtro activo
PCC
Filtro activo serie
Filtro activo ‘shunt’
100
100
80
60
40
load currents(A )
grid currents(A)
50
0
-50
20
0
-20
-40
-100
-60
0.35
0.36
0.37
0.38
0.39
0.4
time(s)
0.41
0.42
0.43
0.44
-80
-100
0.35
90
80
Magnitude based on "Base Peak" - Parameter
Magnitude based on "Base Peak" - Parameter
100
70
60
50
40
30
20
10
0
2
4
6
8
10
Order of Harmonic
Francisco Huerta Sánchez
12
14
16
0.36
GEISER – DEPECA – Universidad de Alcalá
0.38
0.39
0.4
time(s)
0.41
0.42
0.43
0.44
16
18
100
80
60
40
20
0
18
0.37
2
4
6
8
10
12
Order of Harmonic
14
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Introducción
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Department of Electronics
Aplicaciones de los VSCs (2/4)
STATCOM (Static synchronous compensator)
Load
CDC
VSC
Output
filter
SSC (Static series compensator)
Load
PCC
Load
To perturbation
identifications
Output
filter
IPerturbation
identifications

UL

Ug
Ig
Uc
References
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Introducción
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Department of Electronics
Aplicaciones de los VSCs (3/4)
UPQC (Unified Power Quality Controller)
Power flow
Transmission
line
3
Shunt
branch
DCbus
3
Series
branch
HVDC (High-voltage DC)
Objetivos de control: Convertidor A → Potencia Reactiva Q1, Tensión DC-bus uDC1
Convertidor B → Potencia Reactiva Q2 , Potencia Activa P
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Introducción
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Department of Electronics
Aplicaciones de los VSCs (4/4)
Integración de renovables
Francisco Huerta Sánchez
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Department of Electronics
Esquema
1. Introducción
2. Control de convertidores
3. Control de corriente
4. Control con filtro LCL
5. Control en redes débiles
6. Implementación digital
7. Control centralizado vs. distribuido
Francisco Huerta Sánchez
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Control de convertidores
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Control jerárquico en redes eléctricas
• Mantener el equilibrio entre generación y demanda
Objetivos
• Mantener la frecuencia de referencia del sistema
• Cumplir compromisos de intercambio de energía con áreas vecinas
• Mantener suficiente reserva de energía
Estructura de tres niveles
Primario (local)
Secundario
Terciario
Corregir los desequilibrios instantáneos entre potencia producida y consumida
Corregir desviaciones de frecuencia y mantener los flujos de potencia programados
Restitución de la reserva de regulación
M. S. Mahmoud y M. Fouad, Control and optimization of distributed generation systems. Springer-Verlag, UK, 2015.
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Control de convertidores
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Department of Electronics
Control jerárquico en microrredes (1/2)
Estructura de cuatro niveles
Primario (o local)
Regula la tensión de salida y la compartición de
potencia entregada por cada fuente
J. Rocabert, A. Luna, F. Blaabjerg y P. Rodríguez, “Control of power converters in AC
microgrids,” IEEE Trans. Power Electronics, 27 (11), 4734-.4749, 2012.
Secundario
 En modo Isla fija las consignas de tensión y
frecuencia
 En modo red compensa las desviaciones
producidas por el control primario en f y V
Terciario
Establece la referencia f y V en la microrred como
consecuencia del control de potencia activa y
reactiva
Cuaternario
Previsión de la demanda, SOC de los sistemas de
almacenamiento, gestión económica de los
sistemas de generación, etc.
J. C. Vasquez, J. M. Guerrero, J. Miret, M. Castilla y L.G. De Vicuna,
“Hierarchical control of intelligent microgrids.” IEEE Industrial Electronics
Magazine, 4 (4), 23-29, 2010.
Francisco Huerta Sánchez
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Control de convertidores
Alcala University
Department of Electronics
Control jerárquico en microrredes (2/2)
Control primario o local
Control de droop
J. C. Vasquez, J. M. Guerrero, J. Miret, M. Castilla y L.G. De Vicuna, “Hierarchical control of intelligent microgrids.” IEEE Industrial Electronics Magazine, 4 (4), 23-29, 2010.
Francisco Huerta Sánchez
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Control de convertidores
Alcala University
Department of Electronics
Estrategias de control en VSC
Tradicionalmente considerado problema
dual al control de máquinas
Voltage-oriented control (VOC)
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Direct-power control (DPC)
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Department of Electronics
Esquema
1. Introducción
2. Control de convertidores
3. Control de corriente
4. Control con filtro LCL
5. Control en redes débiles
6. Implementación digital
7. Control centralizado vs. distribuido
Francisco Huerta Sánchez
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Control de corriente
Alcala University
Department of Electronics
Control de corriente
PWM current control methods
ON/OFF controllers
Separated PWM
linear
non-linear
passivity
PI
hysteresis
Delta
optimized
predictive
MPC
resonant
fuzzy
repetitive
deadbeat
R.Teodorescu, M.Liserre, P.Rodríguez. “Power Electronics for Renewable Energy Systems – in theory and practice (PERES course)”. May 2007. Aalborg University.
Institute of Energy Technology. http://www.iet.aau.dk/
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Control de corriente
Alcala University
Department of Electronics
Control de corriente
Controladores lineales
Controladores no lineales
Kazmierkowski, M. P. y Malesani, L., "Current control techniques for three-phase voltage-source PWM converters: A survey", Industrial Electronics,
IEEE Transactions on, vol. 45, no. 5, 1998
Francisco Huerta Sánchez
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Control de corriente
Alcala University
Department of Electronics
Histéresis
J. A. Suul, K. Ljokelsoy, T. Midtsund and T. Undeland, "Synchronous Reference Frame
Hysteresis Current Control for Grid Converter Applications," in IEEE Transactions on
Industry Applications, vol. 47, no. 5, pp. 2183-2194, Sept.-Oct. 2011.
Francisco Huerta Sánchez
Narongrit, T., Areerak, K. L., & Areerak, K. N. (2011). The comparison study
of current control techniques for active power filters. World Academy of
Science, Engineering and Technology, 60, 471-476.
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Control de corriente
Alcala University
Department of Electronics
Modulador Delta
Narongrit, T., Areerak, K. L., & Areerak, K. N. (2011). The comparison study of current control techniques for active power filters. World Academy of Science, Engineering
and Technology, 60, 471-476.
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Control de corriente
Alcala University
Department of Electronics
Optimización on line
Minimum Switching Frequency Predictive Algorithm
Kaźmierkowski, M. P., & Krishnan, R. (2002). Control in power electronics: selected problems. Academic press.
Francisco Huerta Sánchez
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Control de corriente
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Department of Electronics
Transformada de Clarke y de Park
1
1
Clarke
0.8
c
0.8
0.6
0.6
0.2
ω
i
0.4
β
0.4
0.2
0
0
e
ω
-0.2
-0.2
-0.4
-0.4
ω
-0.6
-0.8
-0.6
-0.8
-1
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
e
ω
-1
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
a
α
b
Park
1
0.8
β
0.6
ω
0.4
0.2
ω
ω
0
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
e
α
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Control de corriente
Alcala University
Department of Electronics
Controladores PI
L. R. Limongi, R. Bojoi, G. Griva and A. Tenconi, "Digital
current-control schemes," in IEEE Industrial Electronics
Magazine, vol. 3, no. 1, pp. 20-31, March 2009.
Ejes síncronos
Ejes estacionarios
M. P. Kaźmierkowski, R. Krishnan. Control in power electronics: selected problems. Academic press, 2002.
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Control de corriente
Alcala University
Department of Electronics
Controladores PI multiples ejes de referencia
L. R. Limongi, R. Bojoi, G. Griva and A. Tenconi, "Digital current-control schemes," in
IEEE Industrial Electronics Magazine, vol. 3, no. 1, pp. 20-31, March 2009.
Francisco Huerta Sánchez
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Control de corriente
Alcala University
Department of Electronics
Controladores Resonantes
s
s2   2
L. R. Limongi, R. Bojoi, G. Griva and A. Tenconi, "Digital current-control
schemes," in IEEE Industrial Electronics Magazine, vol. 3, no. 1, pp. 20-31,
March 2009.
Francisco Huerta Sánchez
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Control de corriente
Alcala University
Department of Electronics
Repetitivo
L. R. Limongi, R. Bojoi, G. Griva and A. Tenconi, "Digital current-control schemes," in
IEEE Industrial Electronics Magazine, vol. 3, no. 1, pp. 20-31, March 2009.
Francisco Huerta Sánchez
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Control de corriente
Alcala University
Department of Electronics
Predictivo
La idea detrás del control predictivo es usar un modelo matemático del sistema para
predecir su comportamiento futuro en un tiempo predefinido
Deadbeat
Model Predictive Control (MPC)
H. A. Young, M. A. Perez, J. Rodriguez and H. Abu-Rub, "Assessing FiniteControl-Set Model Predictive Control: A Comparison with a Linear Current
Controller in Two-Level Voltage Source Inverters," in IEEE Industrial Electronics
Magazine, vol. 8, no. 1, pp. 44-52, March 2014.
M. Odavic, V. Biagini, P. Zanchetta, M. Sumner and M. Degano, "One-sample-period-ahead
predictive current control for high-performance active shunt power filters," in IET Power
Electronics, vol. 4, no. 4, pp. 414-423, April 2011.
Francisco Huerta Sánchez
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Alcala University
Department of Electronics
Esquema
1. Introducción
2. Control de convertidores
3. Control de corriente
4. Control con filtro LCL
5. Control en redes débiles
6. Implementación digital
7. Control centralizado vs. distribuido
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Control con filtro LCL
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Department of Electronics
Filtro L y filtro LCL
Características LCL
» Tercer orden
» Para bajas frecuencias el LCL
se comporta como un filtro L
» Para altas frecuencias, la
ganancia cae con una
pendiente de -60 dB
0 
L-filter
i gk
uk
s  
10base  0 
1
R1  sL1
i
1
LCL-filter 2k 
uk Co L1L2 s3  Co L2 R1  L1R2 s 2  L1  L2  R1R2Co s  R1  R2
Francisco Huerta Sánchez
L1  L2
L1 L2Co
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SW
2
S  2  SW
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Control con filtro LCL
Alcala University
Department of Electronics
Control SISO filtro LCL
Una de las opciones es controlar el convertidor con filtro LCL aproximándolo a un filtro L
Corriente de salida del convertidor
•
Convertidor industriales suelen estar equipados con
sensores en la corriente de salida del convertidor
•
Permiten proteger de sobrecorrientes el equipo
Controlar la corriente inyectada en el PCC
• Se controla el factor de potencia de la corriente
inyectada en la red
• El amortiguamiento de la frecuencia de resonancia es
más efectivo
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Control con filtro LCL
Alcala University
Department of Electronics
Active damping (1/4)
Damping pasivo
L1
L2
Resistencia de damping
¡Pérdidas asociadas!
C
Active damping
•
Obtener estabilidad sin pérdidas adicionales
•
Modificar el algoritmo de control
•
En general, implican el uso de sensores adicionales
Principalmente, dos grupos de técncias:
Francisco Huerta Sánchez
•
Multilazo (usando más sensores)
•
Filtro en cascada con el control
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Control con filtro LCL
Alcala University
Department of Electronics
Active damping (2/4)
Multilazo realimentación de la tensión del condensador
Impedancia virtual
Redes lead-lag
R. Peña-Alzola, M. Liserre, F. Blaabjerg, R. Sebastián, J. Dannehl and F. W. Fuchs, "Systematic
Design of the Lead-Lag Network Method for Active Damping in LCL-Filter Based Three Phase
Converters," in IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol. 10, no. 1, pp. 43-52, Feb. 2014.
Filtro paso alto
J. He, Y. W. Li, D. Bosnjak y B. Harris, “Investigation and active
damping of multiple resonances in a parallel-inverter-based
microgrid,” IEEE Trans. on Power Electronics, 2013.
Francisco Huerta Sánchez
X. Wang, F. Blaabjerg and P. C. Loh, "High-performance feedback-type active damping of LCLfiltered voltage source converters," 2015 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition
(ECCE), Montreal, QC, 2015, pp. 2629-2636.
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Control con filtro LCL
Alcala University
Department of Electronics
Active damping (3/4)
Multilazo realimentación de la corriente del condensador
Impedancia virtual
Proporcional
C. Wessels, J. Dannehl and F. W. Fuchs, "Active damping of LCLfilter resonance based on virtual resistor for PWM rectifiers —
stability analysis with different filter parameters," 2008 IEEE Power
Electronics Specialists Conference, Rhodes, 2008, pp. 3532-3538.
S. G. Parker, B. P. McGrath and D. G. Holmes, "A general discrete time model to
evaluate active damping of grid converters with LCL filters," 2014 International Power
Electronics Conference (IPEC-Hiroshima 2014 - ECCE ASIA), Hiroshima, 2014, pp. 20192026.
Weighted Average Current Control (WACC)
S. G. Parker, B. P. McGrath and D. G. Holmes, "A general discrete time model to evaluate active damping of grid converters with LCL
filters," 2014 International Power Electronics Conference (IPEC-Hiroshima 2014 - ECCE ASIA), Hiroshima, 2014, pp. 2019-2026.
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Control con filtro LCL
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Department of Electronics
Active damping (4/4)
Filtro en cascada
Filtros notch
Minimizar el pico de resonancia
Impedir cruces en -180º en el rango
de f con G > 0 dB
sensible a variaciones en la frecuencia de resonancia
W. Yao, Y. Yang, X. Zhang, F. Blaabjerg, P. Loh, "Design and Analysis of Robust Active Damping
for LCL Filters using Digital Notch Filters," in IEEE Transactions on Power Electronics , 2016.
Redes lead-lag
Filtros paso bajo
Corriente de red -> robusto ante fres bajas y medias
Corriente del convertidor adecuado en fres alta
Corriente de red no efectivo redes lead.
Corriente del convertidor efectivo con fres baja
Configuración en atraso sin ventajas frente a FPB
J. Dannehl, M. Liserre and F. W. Fuchs, "Filter-Based Active Damping of Voltage Source Converters With Filter," in IEEE Transactions on Industrial
Electronics, vol. 58, no. 8, pp. 3623-3633, Aug. 2011.
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Control de convertidores conectados a redes eléctricas: diseño e implementación
Control con filtro LCL
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Department of Electronics
Control multivariable (PI anidados)

eg k

ig* k 

uc k 
PI2
1
R2a  j1L2 
2

u  k 1

i1 k 
PI1

uc k 
(1)
(2)
̂
uc k

eg k 
z
1
R1a  j1L1
2
j1Co

eg k 
Active
resistances
P

ic k 
(1)
(2)
(1)
(2)
0
1

u k 
Plant
ZOH

T s 
Computational
delay
  
i1 i g uc

i1 k 

uc k 
ˆ
ˆ
i1 k 1 i1smithk 1
State observer
with SP i k 
g

u k 

i g k 
• Control vectorial de corriente multivariable
• El observador de estado con predictor Smith estima los estados no medidos y
compensa el retardo computacional
• Se añaden elementos de resistencia activas para amortiguar la frecuencia de
resonancia del filtro LCL
E. J. Bueno. Optimización del comportamiento de un convertidor de tres niveles NPC conectado a la red eléctrica. Tesis doctoral, Universidad de Alcalá, 2005.
Francisco Huerta Sánchez
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Control de convertidores conectados a redes eléctricas: diseño e implementación
Control con filtro LCL
Alcala University
Department of Electronics
Control multivariable (state-feedback)
• El lazo regulador garantiza la estabilidad del sistema
• El lazo integrador garantiza el tracking de corriente
• Damping implicito en el control
Estimadores de estado para disminuir el número de sensores necesarios para llevar a cabo el control
F. Huerta, D. Pizarro, S. Cobreces, F. J. Rodriguez, C. Giron and A. Rodriguez, "LQG Servo Controller for the Current Control of LCL GridConnected Voltage-Source Converters," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 59, no. 11, pp. 4272-4284, Nov. 2012.
Francisco Huerta Sánchez
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Control de convertidores conectados a redes eléctricas: diseño e implementación
Alcala University
Department of Electronics
Esquema
1. Introducción
2. Control de convertidores
3. Control de corriente
4. Control con filtro LCL
5. Control en redes débiles
6. Implementación digital
7. Control centralizado vs. distribuido
Francisco Huerta Sánchez
GEISER – DEPECA – Universidad de Alcalá
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Control de convertidores conectados a redes eléctricas: diseño e implementación
Control de convertidores en redes débiles
Alcala University
Department of Electronics
Control de potencia activa y reactiva (1/2)
Control de grid-supporting converters basados en grid-forming converters
Karel De Brabandere. Voltage and Frequency droop control in low voltage grids by distributed generators with inverter front-end. Katholieke
Universiteit Leuven. October 2006.
Francisco Huerta Sánchez
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Control de convertidores conectados a redes eléctricas: diseño e implementación
Control de convertidores en redes débiles
Alcala University
Department of Electronics
Control de potencia activa y reactiva (2/2)
Control de grid-supporting converters basados en grid-feeding converters
Karel De Brabandere. Voltage and Frequency droop control in low voltage grids by distributed generators with inverter front-end. Katholieke
Universiteit Leuven. October 2006.
Francisco Huerta Sánchez
GEISER – DEPECA – Universidad de Alcalá
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Control de convertidores conectados a redes eléctricas: diseño e implementación
Control de convertidores en redes débiles
Alcala University
Department of Electronics
Control de VSC con filtro L ante redes débiles (1/6)
• A mayor potencia activa, mayor inestabilidad en el sistema
• En sistemas de control que dependen de la sincronización
mediante PLL, e.g. control vectorial, la dinámica del PLL
afecta a la respuesta del sistema
• Se podría dar el caso de operar fuera de la zona lineal del
PLL
• Por esta razón se proponen tecnicas como los sincroconvertidores o PSC en operación con redes débiles
Francisco Huerta Sánchez
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Control de convertidores conectados a redes eléctricas: diseño e implementación
Control de convertidores en redes débiles
Alcala University
Department of Electronics
Control de VSC con filtro L ante redes débiles (2/6)
Control de corriente en ejes dq
Francisco Huerta Sánchez
GEISER – DEPECA – Universidad de Alcalá
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Control de convertidores conectados a redes eléctricas: diseño e implementación
Control de convertidores en redes débiles
Alcala University
Department of Electronics
Control de VSC con filtro L ante redes débiles (3/6)
Efecto sobre el modelo de corriente de red: respuesta más lenta
Francisco Huerta Sánchez
GEISER – DEPECA – Universidad de Alcalá
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Control de convertidores conectados a redes eléctricas: diseño e implementación
Control de convertidores en redes débiles
Alcala University
Department of Electronics
Control de VSC con filtro L ante redes débiles (4/6)
Adquisición con impedancia de red: DSC-SRF-PLL vs. DSOGI-QSG-SRF-PLL (1/3)
Tensión PCC sampleada (TS=200μs)
e abc(V )
400
200
0
-200
Tensión PCC con filtro L e impedancia de red
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
0.2
0.25
0.15
0.2
0.25
0.2
0.25
edq con DSOGI-QSG-SRF-PLL
e dq(V )
100
0
0.1
0.15
time(s)
0.2
0.1
0.25
Tensión PCC con filtro LCL e impedancia de red
e abc (V)
0.15
200
edq con DSC-SRF-PLL
400
300
e dq(V )
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
0.1
400
300
e a b c (V )
-400
-400
200
100
0
0.1
0.1
0.15
Francisco Huerta Sánchez
time(s)
0.2
0.15
time(s)
0.25
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Control de convertidores conectados a redes eléctricas: diseño e implementación
Control de convertidores en redes débiles
Alcala University
Department of Electronics
Control de VSC con filtro L ante redes débiles (5/6)
Adquisición con impedancia de red: DSC-SRF-PLL vs. DSOGI-QSG-SRF-PLL (2/3):
resultados experimentales durante el arranque del convertidor
388
395
386
384
390
382
eq(V)
eq(V)
380
378
385
376
374
380
372
370
368
15
16
17
18
19
20
time(s)
21
22
23
24
25
375
14
15
16
17
18
19
time(s)
20
21
22
23
24
 Muestrear la tensión en el PCC y ejecutar el algoritmo de sincronización más rápido que
el resto de los algoritmos
 Reduce el efecto del rizado la tensión del PCC cuando el convertidor se conecta a una
red con filtro L y el muestreo es el mismo en posición y tiempo que para la corrientes de
red
Francisco Huerta Sánchez
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Control de convertidores conectados a redes eléctricas: diseño e implementación
Control de convertidores en redes débiles
Alcala University
Department of Electronics
Control de VSC con filtro L ante redes débiles (6/6)
Adquisición con impedancia de red: DSC-SRF-PLL vs. DSOGI-QSG-SRF-PLL (3/3):
solución para eliminar el efecto de rizado de alta frecuencia en el PCC
Tensión PCC muestreada (TS=50μs)
e abc (V)
400
200
0
-200
-400
0.1
0.15
0.2
0.25
e dq(V)
edq con DSOGI-QSG-SRF-PLL
400
300
200
100
0
0.1
0.15
0.2
0.25
e dq(V)
edq con DSC-SRF-PLL
400
300
200
100
0
0.1
Francisco Huerta Sánchez
0.15
time(s)
0.2
0.25
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Este
rizado
puede
comprometer la estabilidad
del convertidor. De hecho,
el THD en la corriente de
red es considerablemente
superior.
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Control de convertidores en redes débiles
Alcala University
Department of Electronics
Teoría general PLLs (1/4)
Adaptativo en frecuencia y feedforward
e d
e

q



d
e

 
e

d
e
2

q
e
2

ed_ pu
1


 
 
 
 
e
e 

e 
e
e
1
2
q e
 di gq

d
 Lg H ( s )
 igd   Vˆg H ( s ) sin o t   o   
dt
 dt

e 

1
2
q e 
 
e
R.Teodorescu, M.Liserre, P.Rodríguez. “Power Electronics for Renewable Energy Systems – in theory and practice (PERES course)”. May 2007. Aalborg University. Institute of Energy
Technology. http://www.iet.aau.dk/
Francisco Huerta Sánchez
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Control de convertidores conectados a redes eléctricas: diseño e implementación
Control de convertidores en redes débiles
Alcala University
Department of Electronics
Teoría general PLLs (2/4)
STATCOM: L=0.75mH, Lg=0.35µH. PLL no adaptativo
eqPCC
edPCC
QPCC
PPCC
g
 gest
Francisco Huerta Sánchez
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Control de convertidores en redes débiles
Alcala University
Department of Electronics
Teoría general PLLs (3/4)
STATCOM: L=0.75mH, Lg=0.35mH. PLL no adaptativo
eqPCC
edPCC
QPCC
PPCC
g
 gest
Francisco Huerta Sánchez
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Control de convertidores conectados a redes eléctricas: diseño e implementación
Control de convertidores en redes débiles
Alcala University
Department of Electronics
Teoría general PLLs (4/4)
STATCOM: L=0.75mH, Lg=0.35mH. PLL adaptativo
eqPCC
edPCC
QPCC
PPCC
g
 gest
Francisco Huerta Sánchez
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Control de convertidores conectados a redes eléctricas: diseño e implementación
Control de convertidores en redes débiles
Alcala University
Department of Electronics
Control potencia activa y reactiva. Control tensión en el PCC
Compensación de potencia reactiva: modelado y control (1/2)
edPCC  RG id  LG iq  ed
eqPCC  RG iq  LG id  eq
C  z   k p  ki
Francisco Huerta Sánchez
z 
TS
 kp
z 1
z 1
kp 
1
LG
α determina el tiempo de respuesta
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Control de convertidores conectados a redes eléctricas: diseño e implementación
Control de convertidores en redes débiles
Alcala University
Department of Electronics
Control potencia activa y reactiva. Control tensión en el PCC
Compensación de potencia reactiva: modelado y control (2/2)
Control start
eq_PCC*=390V
410
eq* (V)
405
eq(V)
R1=3.63mΩ;
L1=0.75mH;
CDC=2250µF;
TSW=400µs;
TS=200µs;
LG=0.25mH;
eq_PCC*=eq_PCC
400
eq (V)
395
390
ed(V)
385
0
Francisco Huerta Sánchez
eqPCC (V)
50
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
edPCC (V)
ed (V)
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
time(s)
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0.6
0.7
0.8
0.9
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Control de convertidores conectados a redes eléctricas: diseño e implementación
Alcala University
Department of Electronics
Esquema
1. Introducción
2. Control de convertidores
3. Control de corriente
4. Control con filtro LCL
5. Control en redes débiles
6. Implementación digital
7. Control centralizado vs. distribuido
Francisco Huerta Sánchez
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Control de convertidores conectados a redes eléctricas: diseño e implementación
Implementación digital
Alcala University
Department of Electronics
Sistemas de control digitales en electrónica de potencia
Históricamente
DSP/microcontrolador de coma flotante (C2000 32- bit)
DSP/microcontrolador de coma fija (C2000 16 bits)
1996
1998
2000
2002
2004
2006
2008
DSP de coma flotante + FPGA
Francisco Huerta Sánchez
GEISER – DEPECA – Universidad de Alcalá
2010
2012
2014
2016
System on Chip (SoC)
•
DaVinci Processors de TI
•
Stratix, Arria y Cyclone de Altera
•
Zynq de Xilinx
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Control de convertidores conectados a redes eléctricas: diseño e implementación
Implementación digital
Alcala University
Department of Electronics
Herramientas de prototipado rápido
Opal-RT
dSPACE
HIL Typhoon
•
Muy potentes
•
Facilitan el desarrollo rápido de prototipos (es su contexto de uso)
•
Muy caras
•
No se usan en la fase de industrialización
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Implementación digital
Alcala University
Department of Electronics
DSP coma flotante + FPGA
DSP TMS320C6713 + FPGA Spartan 3E
•
Muy buena opción si se emplea FPGA de nueva generación.
•
Limitaciones de transferencia de datos (velocidad) entre procesadores al no ser una
solución en un solo chip
•
Necesario añadir chips dedicados o cores en la FPGA para las comunicaciones
E.J.Bueno, Á.Hernández, F.J.Rodríguez, C.Girón, S.Cóbreces, “A DSP- and FPGA- Based Industrial Control With High-Speed Communication Interfaces for Grid
Converters Applied to Distributed Power Generation Systems”, IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 56, no. 3, March 2009, pp. 654-669.
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Implementación digital
Alcala University
Department of Electronics
DSP / Microcontrolador
Modelos TI para convertidores AC/DC: µC 28335, µC 28377 o DSP 28M56
TMS320F28335
TMS320F28377D
•
Aplicaciones de bajas prestaciones
•
Para controlar un inversor en aplicaciones convencionales es necesario añadir una FPGA
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Implementación digital
Alcala University
Department of Electronics
FPGA (1/2)
Recursos en FPGAs modernas
Alternativas al HDL (Hardware description language)
System generator (Simulink/Matlab)
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Vivado HLS (C/C++)
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Implementación digital
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Department of Electronics
FPGA (2/2)
Comparativa entre HLD y HLS
(*) % of total resources for a xc3s1600e
•
Vivado HLS proporciona un mayor nivel de abstracción
•
Consumo de recursos vs time de diseño justifica el uso de herramientas HLS
•
Vivado HLS (frente a Coregen) facilita la implementación de datapaths en coma flotante
•
En HLS la migración de código entre modelos y dispositivos es casi directa
•
HLS mejora la mayoría de métricas tradicionales frente a HDL
 Dificultad para implementar de forma sencilla controladores y máquinas de estado
 Necesidad de añadir un procesador de altas prestaciones integrado dentro del chip
para facilitar la implementación de algoritmos. Solución: system on chip (SoC)
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Implementación digital
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Department of Electronics
SoC (1/4)
Zynq: Integran la programabilidad software de un procesador
ARM con la programabilidad hardware de la FPGA
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Implementación digital
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SoC (2/4)
Low-end Zynq boards
ZYBO ($189)
MicroZed ($199)
ZedBoard ($395)
High-end Zynq boards
ZC702 ($895)
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Zynq MMP ($1295)
Mini-ITX ($1950)
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ZC706 ($2495)
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Implementación digital
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Department of Electronics
SoC (3/4)
SW
HW
Herramientas de desarrollo
• Platform Studio and the Embedded Development Kit (EDK)
2 herramientas
 XPS para diseño HW. Para crear la arquitectura HW del SoC
 SDK para desarrollo SW. Basada en Eclipse
• Xilinx Vivado® Design Software
 Orientado a reutilizar IPs desarrollados por terceras partes
 Permite diseñar HW usando C/C++
 Posibilita el diseño HW a programadores sin conocimiento HW
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Control de convertidores
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SoC (4/4)
 Los dispositivos SoC son una solución óptima para el control de inversores, incluso en aplicaciones de bajas y
medias potencias.
 La integración en el mismo chip de varios procesadores y una FPGA, permite implementar controladores cuasianalógicos
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Control de convertidores conectados a redes eléctricas: diseño e implementación
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Department of Electronics
Esquema
1. Introducción
2. Control de convertidores
3. Control de corriente
4. Control con filtro LCL
5. Control en redes débiles
6. Implementación digital
7. Control centralizado vs. distribuido
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Control de convertidores conectados a redes eléctricas: diseño e implementación
Control centralizado vs. distribuido
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Control centralizado vs. distribuido
Importante en convertidores de media tensión con muchos IGBTs (e.g. MMC o CHB)
Centralizado
Distribuido
P.D.Burlacu, L.Mathe, R.Teodorescu, “Synchronization of the distributed PWM carrier waves for Modular Multilevel Converters”, International Conference on Optimization of Electrical and Electronic
Equipment (OPTIM), 2014, pp. 553-559.
Francisco Huerta Sánchez
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