Download Estado del Arte de Proyecto de Titulación - UTFSM

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA
DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA
Estado del Arte de Proyecto de Titulación
“Predictive Control of Quasi-Z-Source Inverter
for Photovoltaic Systems”
Presentado por:
ROL USM:
Profesor guía:
Fecha:
Freddy Toledo Urrutia
201121008-5
Sr. Samir Kouro Renaer
21/06/2016
Proyecto de Titulación
TÓPICOS A TRATAR
El control predictivo basado en modelo (MPC) tiene como objetivo resolver de forma
efectiva, problemas de control y automatización de procesos industriales que se caractericen por
presentar un comportamiento dinámico complicado, multivariable, y/o inestable. La estrategia de
control en que se basa este tipo de control, utiliza el modelo matemático del proceso a controlar
para predecir el comportamiento futuro de dicho sistema, y en base a este comportamiento futuro
puede predecir la señal de control futura. El MPC se enmarca dentro de los controladores
óptimos, es decir, aquellos en los que las actuaciones responden a la optimización de un criterio.
El criterio a optimizar, o función de costo, está relacionado con el comportamiento futuro del
sistema que se predice gracias al modelo dinámico del mismo. El intervalo de tiempo futuro que
se considera en la optimización se denomina horizonte de predicción.
Una de las propiedades más atractivas del MPC es su formulación abierta, que permite la
incorporación de distintos tipos de modelos de predicción, sean lineales o no lineales,
monovariables o multivariables, y la consideración de restricciones sobre las señales del sistema.
Estas características han hecho del MPC una de las escasas estrategias de control avanzado con
un impacto importante en problemas de ámbito industrial. Actualmente puede encontrarse en
diversas áreas: metalúrgica, automotriz, procesamiento de pulpa y papel, alimentos, robótica, etc.
El “Quasi-Z Source Inverter” (qZSI) es una topología derivada del tradicional “Z-Source
Inverter” (ZSI). El qZSI tiene todas las ventajas del ZSI, es decir, realiza la función “buck/boost”
(reductor y elevador), inversión y acondicionamiento de potencia en una sola etapa con relativa
confiabilidad. Adicionalmente, el qZSI tiene la ventaja única de tener menores valores de
componentes y una corriente constante de entrada. Todos los métodos de control “boost” que han
sido desarrollados con ZSI pueden ser usados con qZSI. El qZSI tiene un amplio rango de
ganancia de voltaje, lo cual es adecuado para aplicaciones en sistemas fotovoltaicos, por el hecho
que la salida de las celdas fotovoltaicas varían en gran medida con la temperatura y la radiación
solar.
Ilustración 1: Topología Quasi-Z Source Inverter.
1
Proyecto de Titulación
En la última década, MPC se ha establecido como un atractivo algoritmo de control para
aplicaciones en electrónica de potencia. Particularmente el “Finite Control Set” (FCS) MPC o
“Direct MPC” (DMPC) ha sido muy usado, gracias a su simplicidad en el diseño; los switches del
convertidor son directamente manipulados sin requerir un modulador. Más aun ha sido probado
que DMPC es particularmente efectivo en sistemas de multiples entradas y multiples salidas
(MIMO) con dinámicas complejas y no lineales. La razón es que todos los objetivos de control
pueden ser abordados en una etapa, ya que han sido incorporados en un solo criterio de
desempeño, esta es, la función de costo.
Hoy en día, solo unos pocos trabajos de investigación han sido basados en MPC para
ZSI/qZSI, además, dichos trabajos usan un horizonte de predicción de un paso. Sin embargo, usar
el MPC con un paso de horizonte de predicción no es suficiente para conseguir un buen
desempeño del sistema, especialmente aplicado a sistemas complejos como el qZSI. Por lo tanto,
el objetivo es realizar una mejora en el rendimiento del qZSI con control DMPC, ampliando el
horizonte de predicción y aplicando técnicas para reducir el cálculo computacional.
Ilustración 2: DMPC con seguimiento de referencia para la topología qZSI.
2
Proyecto de Titulación
TRABAJOS RELACIONADOS CON LOS TEMAS A TRATAR
Los papers [1], [2] y [3] serán los trabajos guías para mi memoria, ya que son los
documentos entregados por mi profesor guía en la Universidad Técnica de Múnich, y son los
trabajos que debo estudiar en profundidad, simular y mejorar.
El trabajo [1] “Direct Model Predictive Current Control of Quasi-Z Source Inverters”
propone un MPC de corriente con un gran horizonte de predicción para lograr un alto rendimiento
en el control de la topología qZSI, la mejora en el rendimiento se debe a un menor THD de la
corriente de salida. Como la complejidad del cálculo computacional crece exponencialmente con
el largo del horizonte de predicción, es requerida una estrategia para balancear el intercambio entre
el largo del horizonte de predicción y el cálculo computacional. Para mantener la complejidad
computacional modesta, es empleada un técnica de branch-and-bound combinada con un “Move
Blocking Scheme” que produce un horizonte de predicción que no es trivial.
Primero se encuentra el modelo continuo del qZSI teniendo en cuenta los estados “nonshoot-through” y “shoot-trough” del inversor, luego se transforma el modelo continuo a un modelo
discreto para encontrar una expresión de las variables futuras del sistema, a continuación se define
la función de costo que abarca el error (entre las referencias y las variables estimadas) y un control
de la frecuencia de conmutación, luego se aplican las técnicas ya mencionadas para reducir el
cálculo computacional, finalmente se muestran los resultados de las simulaciones.
El trabajo [2] “A comparison of quasi-Z-source inverter and traditional two-stage inverter
for photovoltaic application”, como su nombre lo indica, se realiza una comparación entre el
recientemente propuesto “Quasi-Z-Souce Inverter” y el inversor tradicional de dos niveles para
aplicaciones fotovoltaicas. Se realizan comparaciones sobre el estrés de voltaje en los IGBT, la
respuesta en el transiente y en estado estacionario, el voltaje “Third Armonic Distorsion”, y la
eficiencia del inversor. Los resultados muestran que el qZSI tiene mayor estrés de voltaje en los
IGBT que el inversor tradicional, sin embargo, este estrés de voltaje aun es aceptable. Los
resultados experimentales comprueban que el qZSI muestra menor THD y mayor eficiencia que el
inversor de dos niveles tradicional. Además, las pruebas que son realizadas sobre la capacidad de
los inversores a respuestas lo suficientemente rápidas a cambios de carga y voltaje de entrada,
muestran que la respuesta en el transiente y en estado estacionario son comparables para ambos
inversores. Por lo tanto, los resultados verifican que el qZSI es una alternativa para el inversor
tradicional de dos niveles para aplicaciones fotovoltaicas, y adicionalmente se obtienen varias
ventajas.
3
Proyecto de Titulación
El trabajo [3] “Direct Model Predictive Control of Quasi-Z-Source Inverter Compared
with the Traditional PI-based PWM Control”, compara el algoritmo “Direct MPC” con el control
tradicional basado en PI con modulación PWM para el control de corriente del Quasi-Z-Source
Inverter. La comparación está realizada en términos de la habilidad de seguimiento, el transiente y
la operación en estado estacionario, la frecuencia de conmutación requerida y la distorsión
harmónica total (THD). Se observó que considerando un tiempo de muestreo de 10[us], el DMPC
presenta un seguimiento más rápido a la referencia de corriente y con menor riple que el control
con PI, sin embargo, el DMPC requiere un mayor voltaje en el DC-link para que el error en estado
estacionario sea cero. Otra ventaja del DMPC es que puede incluir más de una variable de control
usando factores de peso en la función de costo, sin necesidad de un modulador o lazos internos, de
esta forma, ambos lados del qZSI son simultáneamente controlados. Por otro lado, con control
tradicional PI, el lado DC y el lado AC del qZSI requieren dos lazos de control con PI
independientes con un modulador. En caso de suficiente tiempo de muestreo, DMPC es una simple
y atractiva solución para el control del qZSI
4
Proyecto de Titulación
BIBLIOGRAFÍA
[1] A. Ayad, P. Karamanakos, R. Kennel “Direct Model Predictive Current Control of Quasi-Z
Source Inverters”.
[2] A. Ayad, S. Hanafiah, and R. Kennel, “A comparison of quasi-Z-source inverter and
traditional two-stage inverter for photovoltaic application”.
[3] A. Ayad, R. Kennel, “Direct Model Predictive Control of Quasi-Z-Source Inverter Compared
with the Traditional PI-based PWM Control”.
[4] Yuan Li, “Quasi-Z-Source Inverter for Photovoltaic Power Generation Systems”.
[5] Michigan State University “Z-Source Inverters for Advanced Power Conditioning of
Alternate Energy Systems”.
Web link: http://www.egr.msu.edu/pelab/projects/ZSource%20Inverters%20for%20Advanced%20Power%20Conditioning%20of%20Alternate
%20Energy%20System.pdf
[6] Introducción al control predictivo.
Web link: http://www.ilustrados.com/tema/9320/Introduccion-control-predictivo.html
[7] Control predictivo basado en modelo con restricciones
Web link: http://www.cifasis-conicet.gov.ar/feroldi/objetos/MPC_clases.pdf
[8] Perspectiva general del control predictivo min-max
Web link: http://www.esi2.us.es/~danirr/CursoDoct.pdf
[8] Control predictivo de sistemas no lineales con restricciones: estabilidad y robustez
Web link: http://www.esi2.us.es/~limon/papers/LimonPHD02.pdf
5