Control predictivo generalizado de inversores conectados a red

Abstract

En la inyección de energía a la red eléctrica, el control de corriente del inversor debe responder de forma rápida frente a los cambios en la red eléctrica, entregar la energía a la red eléctrica con una distorsión armónica aceptable y, al mismo tiempo, ser robusto frente a variaciones paramétricas del sistema. El Control Predictivo basado en Modelo (Model Predictive Control, MPC) es una técnica adecuada ya que cumple con estos requerimientos. El aporte principal de esta tesis es la aplicación de una estrategia de control MPC en una variante lineal conocida como Control Predictivo Generalizado (Generalized Predictive Control, GPC) a inversores conectados a red. En este sentido, se trabajó particularmente en el impacto del parámetro λ, que es el peso asignado a la dinámica del control en la función de costo del método, sobre la robustez frente a variaciones paramétricas y retardos de cálculo, y se mostró que con una correcta selección se puede mejorar la robustez del controlador. A partir de esta investigación se ideó un método de diseño para su aplicación en inversores conectados a red, que garantiza buen desempeño dinámico y robustez, manteniendo un bajo costo computacional. Los resultados experimentales mostraron que el GPC cumple con los estándares de calidad y supera a controladores clásicos como el control Proporcional Resonante (PR), tanto en la respuesta de régimen permanente como en la transitoria. Se obtuvo un valor de Distorsión Armónica Total (Total Harmonic Distortion, THD) en la corriente, THDi, de 2,7 %, en comparación con un 5,2 % resultante de un diseño sistemático subóptimo del PR. Esto refleja el hecho de que el controlador propuesto se encuentra bien por debajo de los máximos valores de THDi del 5 % impuestos por los estándares, en oposición al controlador PR que está levemente fuera de los límites. También los criterios de robustez del sistema resultaron coherentes con el proceso de diseño. Finalmente, se verificó el tiempo de cálculo del GPC que resultó 12,8 µs, menor que en otras estrategias MPC y también menor que el tiempo requerido por cualquiera de las contribuciones existentes en la bibliografía que presentan una THDi< 5 %. Por lo tanto, la técnica de GPC propuesta puede ser incluida como un controlador práctico en inversores conectados a red, incluso ante la ausencia de plataformas de hardware poderosas, en oposición a otras estrategias MPC computacionalmente demandantes. Adicionalmente, en base a un estudio de las técnicas de MPC más utilizadas en inyección a red, se propusieron una serie de mejoras. Más etalladamente, se mejoró la robustez del MPC de conjunto finito de estados (Finite Control Set MPC, FCS-MPC) mediante la inclusión de un observador de Luenberger en la estimación del valor futuro de corriente en la carga para su utilización en el algoritmo de optimización. Con esto se pudo mantener la THD aún con variaciones de hasta el 50 % en la inductancia de la carga. La calidad de la corriente inyectada fue mejorada mediante la utilización de un filtro digital en la función de costo, para lo que fueron evaluadas distintas alternativas de filtros digitales de Respuesta Finita al Impulso (Finite Impulse Response, FIR) y de Respuesta Infinita al Impulso (Infinite Impulse Response, IIR). Cuando la mayor restricción se encuentra en la carga computacional o en la eficiencia del convertidor, el filtro IIR demostró ser la mejor opción. Sin embargo, si se desea una mayor calidad en la energía, el filtro FIR de máxima planicidad mostró ser la elección óptima. Por último, si se desea minimizar la dispersión espectral, el filtro FIR equiripple fue el que mejor resultados obtuvo. De esta forma, se obtuvieron parámetros de evaluación para distintas alternativas de filtro digital que se ajustan a los requerimientos de cada aplicación.