Digital resonant current controllers for voltage source converters

Résumé

Regulación de corriente senoidal en convertidores en fuente de tensión es un aspecto fundamental para lograr un alto nivel de rendimiento en una gran variedad de aplicaciones, como pueden ser accionamientos de motores eléctricos, filtros activos de potencia, turbinas eólicas, inversores fotovoltaicos o rectificadores activos. Uno de los tipos de reguladores de corriente más extendidos son los controladores resonantes, que consiguen error nulo en régimen permanente a determinadas frecuencias, al tiempo que proporcionan una buena combinación de simplicidad y alto rendimiento. Sin embargo, hay ciertos aspectos en relación con estos controladores que no han sido abordados en la literatura técnica en el tema, y que deben ser investigados de cara a aprovechar todo su potencial. La mayoría de los estudios dedicados a controladores resonantes han sido desarrollados en el dominio continuo";" sin embargo, sus observaciones y conclusiones no pueden ser directamente aplicadas a dispositivos digitales, que trabajan en el dominio discreto. En los escenartios actuales, la mayoría de los controladores de corriente son implementados en plataformas digitales, de modo que la influencia del proceso de discretización no debe ser ignorado. Varias implementaciones en tiempo discreto de controladores resonantes han sido propuestas, pero una comparación del rendimiento obtenido por una amplia variedad deestrategias de discretización aplicadas a controladores resonantes no ha sido presentada. Una de las contribuciones de esta tesis consiste en una comparación en profundidad de los efectos de estrategias de discretización al ser aplicadas a controladores resonantes. Se prueba que el proceso de discretización es de gran importancia en estos reguladores, principalmente debido a sus características resonantes. Las alternativas de implementación en tiempo discreto óptimas son establecidas, en términos de su influencia sobre la posición del pico resonante y la respuesta de fase con respecto a frecuencia. Las implementaciones de controladores resonantes basadas en dos integradores son ampliamente utilizadas debido a su simplicidad en adaptación en frecuencia. Sin embargo, en esta tesis se prueba que estos esquemas requieren menor consumo de recursos, pero a costa de importantes inexactitues que empeoran considerablemente el rendimiento, excepto a muy bajas frecuencias resonantes y períodos de muestreo. Implementaciones alternativas basados en dos integradores se proponen en esta tesis, que alcanzar mayor rendimiento por medio de mayor exactitud en las posiciones de los picos resonantes y en la compensación de retardo, mientras se mantiene la ventaja en baja carga computacional y buena adaptación en frecuencia de los esquemas originales. El análisis y diseño de los controladores resonantes también es abordado. Los métodos existentes, que están basados principalmente en el criterio del margen de fase, presentan algunas limitaciones, especialmente cuando hay múltiples cruces por cero en la respuesta en ganancia con respecto a frecuencia. Esta situación surge en casos como control selectivo y cuando se requieren frecuencias resonantes relativamente altas con respecto a la frecuencia de commutación (por ejemplo, en convertidores de alta potencia, donde la frecuencia de conmutación debe ser baja para reducir las pérdidas de conmutación). En esta tesis, los controladores resonantes se analizan por medio de diagramas de Nyquist. Se prueba que la minimización del pico de sensitividad permite conseguir un mayor rendimiento y estabilidad que maximizando el margen de fase o de ganancia. Un método sistemático, apoyado por expresiones analíticas en forma cerrada, son propuestas para obtener la mayor estabilidad y rendimiento, incluso cuando existen múltiples cruces por cero.