Optimization and analysis of the current control loop of VSCs connected to uncertain grids through LCL filters

Abstract

La presente tesis está centrada en el diseño y análisis del control de convertidores en fuente de tensión (VSC) conectados a la red mediante filtros LCL. Particularmente se centra en redes que presentan incertidumbre en sus parámetros dinámicos intrínsecos y en su influencia sobre el lazo de control de menor nivel del los convertidores: el control de corriente. Con este objetivo, la tesis aborda el estudio a tres niveles diferentes. En primer lugar, la tesis estudia el modelo de red que en ella se considerará, sus parámetros inciertos y presenta una propuesta para estimarlos de manera recursiva. La estimación se basa en un proceso de optimización basado en mínimos cuadrados recursivos aplicados a las medidas obtenidas. El sistema de sincronización y la transformación a un sistema de referencia síncrono han sido específicamente diseñados para el sistema propuesto. El proceso de optimizatión se complementa con una función de evaluación de la estimación generada en tiempo real. El estudio de la influencia de la incertidumbre en los parámetros de la red sobre la estabilidad del control de corriente de convertidores conectados a red constituye la segunda línea de trabajo de la presente tesis. En el caso de controladores lineales, se propone una análisis basado en la aplicación de la teoría del valor singular estructurado µ sobre un modelo de incertidumbre paramétrica que se describe en el presente documento. El método propuesto extrae un intervalo seguro de los parámetros de la red a partir de una planta y un controlador previamente definidos. Son objeto de especial atención los aspectos ligados a la implementación práctica como el tratamiento de incertidumbre real pura y el análisis de sistemas muestreados. Con el objetivo de probar las capacidades del método propuesto, la propuesta esta ilustrada mediante su aplicación a tres ejemplos prácticos: un controlador diseñado con un enfoque SISO, un servo-controlador MIMO y un diseño robusto basado en técnicas H∞. Para el caso de controladores no lineales, la tesis presenta algunas conclusiones prácticas aplicables a controladores basados en comparadores con histéresis. Tras este análisis, la tesis se centra en el problema complementario: el diseño de un controlador robusto para convertidores conectados a la red mediante un filtro LCL cuya estabilidad esté garantizada para un intervalo de parámetros de red previamente conocido. A modo de paso previo, la tesis presenta un servo-controlador ´optimo LQ cuyo algoritmo puede ser complementado mediante el uso de observadores de estados. El control se afronta desde un marco de referencia síncrono y directamente controla las corrientes inyectadas en la red. Una vez que se ha establecido el entorno de trabajo, la tesis propone un diseño basado en conformado de lazo robusto H∞ complementado con la herramienta de análisis ν-gap.