Control linealmente desacoplado de un restaurador dinámico de voltaje sin almacenamiento de energía
Autores: Merchan-Villalba, Luis Ramon; Lozano-Garcia, Jose Merced; Avina-Cervantes, Juan Gabriel; Estrada-Garcia, Hector Javier; Pizano-Martinez, Alejandro; Carreno-Meneses, Cristian Andres
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2020
Acceso abierto
Artículo científico
2020
Control linealmente desacoplado de un restaurador dinámico de voltaje sin almacenamiento de energía
Categoría
Matemáticas
Subcategoría
Matemáticas generales
Palabras clave
Diseño
Estrategia de control
Convertidor matricial
Calidad de energía
Compensación
Simulación
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 24
Citaciones: Sin citaciones
Este artículo presenta el diseño de una estrategia de control lineal desacoplado para un Restaurador Dinámico de Voltaje (DVR) que utiliza un Convertidor Matricial (MC) como su elemento central y obtiene la energía de compensación directamente del sistema eléctrico. Este DVR está destinado a hacer frente a problemas de calidad de energía presentes en los voltajes del sistema de suministro, como variaciones equilibradas y desequilibradas (caídas y aumentos), y distorsión armónica. El modelo dinámico del sistema completo que incluye el Convertidor Matricial, los filtros de entrada y la red eléctrica, se realiza en el marco de referencia síncrono (), para tener señales constantes en la frecuencia fundamental, con el fin de diseñar la estrategia de control lineal propuesta. El acoplamiento en las señales de salida de los componentes del sistema causado por la Transformación de Park, se elimina mediante un cambio de variable propuesto para el diseño del controlador, dando lugar a un control lineal desacoplado. De esta manera, la estrategia desarrollada permite establecer una respuesta transitoria adecuada para el convertidor en términos de velocidad de convergencia y magnitud de sobrepico, además de garantizar la estabilidad del sistema en lazo cerrado bajo condiciones de funcionamiento acotadas. A diferencia de otras propuestas que utilizan estrategias de modulación complejas para controlar el MC bajo condiciones adversas en los terminales de entrada, en este caso, la capacidad de generar voltajes de salida totalmente controlables, independientemente de la condición de las señales de entrada, es proporcionada por el controlador lineal diseñado. Esto permite el desarrollo de un compensador multifuncional con un control simple que podría ser de fácil implementación. Para verificar el rendimiento de la estrategia de control desarrollada y la efectividad del DVR propuesto para mitigar los problemas de calidad de energía ya mencionados, se presentan varios estudios de caso. La capacidad operativa del MC se demuestra mediante los resultados de simulación obtenidos, que revelan claramente la capacidad del DVR para eliminar aumentos de voltaje de hasta el 50% y caídas de menos del 50%. El límite de compensación alcanzado para las caídas es del 37%. En relación con la compensación de variaciones de voltaje desequilibradas, el DVR logra reducir el desequilibrio de voltaje del 11.11% al 0.37%. Finalmente, en cuanto a la operación del DVR como filtro activo de voltaje, el compensador es capaz de reducir un THD del 20% calculado en el voltaje de suministro, a un valor del 1.53% medido en los terminales de carga. En los dos últimos casos, el DVR mitiga las perturbaciones a un nivel por debajo de los criterios establecidos en la norma IEEE para la calidad de energía. Los resultados obtenidos de simulaciones numéricas realizadas en MATLAB/Simulink sirven para validar la propuesta, dado que para cada condición analizada, el MC generó con éxito los voltajes de compensación adecuados, corroborando así la robustez y efectividad de la estrategia de control desarrollada en esta propuesta.
Descripción
Este artículo presenta el diseño de una estrategia de control lineal desacoplado para un Restaurador Dinámico de Voltaje (DVR) que utiliza un Convertidor Matricial (MC) como su elemento central y obtiene la energía de compensación directamente del sistema eléctrico. Este DVR está destinado a hacer frente a problemas de calidad de energía presentes en los voltajes del sistema de suministro, como variaciones equilibradas y desequilibradas (caídas y aumentos), y distorsión armónica. El modelo dinámico del sistema completo que incluye el Convertidor Matricial, los filtros de entrada y la red eléctrica, se realiza en el marco de referencia síncrono (), para tener señales constantes en la frecuencia fundamental, con el fin de diseñar la estrategia de control lineal propuesta. El acoplamiento en las señales de salida de los componentes del sistema causado por la Transformación de Park, se elimina mediante un cambio de variable propuesto para el diseño del controlador, dando lugar a un control lineal desacoplado. De esta manera, la estrategia desarrollada permite establecer una respuesta transitoria adecuada para el convertidor en términos de velocidad de convergencia y magnitud de sobrepico, además de garantizar la estabilidad del sistema en lazo cerrado bajo condiciones de funcionamiento acotadas. A diferencia de otras propuestas que utilizan estrategias de modulación complejas para controlar el MC bajo condiciones adversas en los terminales de entrada, en este caso, la capacidad de generar voltajes de salida totalmente controlables, independientemente de la condición de las señales de entrada, es proporcionada por el controlador lineal diseñado. Esto permite el desarrollo de un compensador multifuncional con un control simple que podría ser de fácil implementación. Para verificar el rendimiento de la estrategia de control desarrollada y la efectividad del DVR propuesto para mitigar los problemas de calidad de energía ya mencionados, se presentan varios estudios de caso. La capacidad operativa del MC se demuestra mediante los resultados de simulación obtenidos, que revelan claramente la capacidad del DVR para eliminar aumentos de voltaje de hasta el 50% y caídas de menos del 50%. El límite de compensación alcanzado para las caídas es del 37%. En relación con la compensación de variaciones de voltaje desequilibradas, el DVR logra reducir el desequilibrio de voltaje del 11.11% al 0.37%. Finalmente, en cuanto a la operación del DVR como filtro activo de voltaje, el compensador es capaz de reducir un THD del 20% calculado en el voltaje de suministro, a un valor del 1.53% medido en los terminales de carga. En los dos últimos casos, el DVR mitiga las perturbaciones a un nivel por debajo de los criterios establecidos en la norma IEEE para la calidad de energía. Los resultados obtenidos de simulaciones numéricas realizadas en MATLAB/Simulink sirven para validar la propuesta, dado que para cada condición analizada, el MC generó con éxito los voltajes de compensación adecuados, corroborando así la robustez y efectividad de la estrategia de control desarrollada en esta propuesta.