PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE ESCUELA DE INGENIERÍA APLICACIÓN DE CONTROL PREDICTIVO A FILTRO ACTIVO PARALELO MULTINIVEL HERNALDO ENRIQUE SALDÍAS MOLINA Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería Profesor Supervisor: JUAN DIXON ROJAS Santiago de Chile, Abril, 2013 MMXIII, Hernaldo Saldías Molina. PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE ESCUELA DE INGENIERÍA APLICACIÓN DE CONTROL PREDICTIVO A FILTRO ACTIVO PARALELO MULTINIVEL HERNALDO ENRIQUE SALDÍAS MOLINA Tesis presentada a la Comisión integrada por los profesores: JUAN DIXON ROJAS ALDO CIPRIANO ZAMORANO LUIS MORÁN TAMAYO YADRAN ETEROVIC SOLANO Para completar las exigencias del grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería Santiago de Chile, Abril, 2013 A mi Madre que sacrificó los mejores años de su vida para enseñarme a ver y enfrentar el mundo. A mi Padre que, pese a todo, siempre estuvo presente. A mis Tíos, Primos y Amigos, que alegran mi vida y nunca me han dejado de apoyar. ii AGRADECIMIENTOS En primer lugar debo agradecer a mi profesor guía, Juan Dixon Rojas, al que debo el interés en el área de energía como también gran parte de mi modesto conocimiento en electrónica de potencia; por mostrarme que en ésta, como en otras áreas, es muy importante saber explicar las cosas de forma intuitiva y natural. Gracias por sus explicaciones expresivas y simples, logré entender cosas no triviales. Nunca olvidaré frases como “la corriente chiquitiiiita” (junto a su expresión corporal). Su apoyo, paciencia, consejos y retos durante este trabajo fueron decisivos para terminar con mi tesis. Su calidad humana es realmente admirable y lo hace una persona muy especial que difícilmente olvidaré. También quiero agradecer al Profesor Aldo Cipriano, por sus consejos relativos al desarrollo del controlador. A los muchachos del laboratorio de vehículos eléctricos, en especial a Javier Pereda por ayudarme a resolver dudas como también a Cristián Garcés por su ayuda y apoyo. A los funcionarios del departamento, en especial a Andrés Osorio por su ayuda en la confección de placas de circuito, a Eduardo Cea, por facilitarme equipos y componentes como también por alegrarnos con su particular sentido del humor. Quiero también agradecer a mi madre, Magdalena Molina Matus, una persona indispensable en mi vida, que nunca me ha dejado de apoyar, pese a mis tropiezos. Estoy seguro que sin ella, sus sacrificios y consejos nunca habría podido llegar a ser lo que soy. A mi Padre, Hernando Saldías Burgos, a quien debo gran parte de mi curiosidad y el gusto por los fierros. Agradezco su ayuda en la construcción del armazón en que se montaron las etapas de disparo y potencia del inversor. A mis tíos, Moisés y María Eugenia, por sus consejos y apoyo. A mis primos Benjamín y Javiera por darme momentos de alegría en los que podía volver a la infancia. iii ÍNDICE GENERAL Pág. DEDICATORIA........................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS .............................................................................................. iii ÍNDICE DE TABLAS ................................................................................................. 1 ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................ 2 RESUMEN ................................................................................................................... 8 ABSTRACT ................................................................................................................. 9 1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 10 1.1 Objetivos de la Investigación ................................................................... 16 1.2 Estructura del Documento ........................................................................ 17 2 Filtros Activos DE POTENCIA ....................................................................... 18 2.1 Filtros Activos Paralelos .......................................................................... 18 2.2 Filtros Activos Serie ................................................................................. 21 2.3 Filtros Activos Híbridos ........................................................................... 21 3 CONTROL PREDICTIVO BASADO EN MODELOS ................................... 23 3.1 Introducción ............................................................................................. 23 3.2 Formulación del MPC .............................................................................. 25 3.3 Ventajas y Desventajas del MPC ............................................................. 29 3.4 Control Predictivo con Estados Finitos (FS-MPC) .................................. 30 4 CONTROL PREDICTIVO A FILTRO ACTIVO MULTINIVEL .................. 34 4.1 Configuración del Sistema ....................................................................... 34 4.2 Inversor Multinivel Puentes H en Cascada (CHB) .................................. 35 4.3 Generación Referencia de Corriente ........................................................ 37 4.3.1 Caso Monofásico ........................................................................... 38 4.3.2 Caso Trifásico ................................................................................ 38 4.4 Controlador FS – MPC ............................................................................. 42 4.4.1 Modelo del Inversor ....................................................................... 43 4.4.2 Extensión del Modelo al caso de Conexión en Cascada ................ 49 4.4.3 Modelo Filtro Activo ..................................................................... 50 4.5 Función de Costo ...................................................................................... 54 4.6 Elección del Conjunto de Estados a considerar ....................................... 56 5 SIMULACIONES ............................................................................................. 59 5.1 Caso monofásico ...................................................................................... 59 5.1.1 Una Celda: Inversor tres Niveles ................................................... 62 5.1.2 Dos Celdas ..................................................................................... 65 5.1.3 Pruebas de Estabilidad ................................................................... 69 5.1.4 Análisis Armónico ......................................................................... 77 5.1.5 Mejoras al Controlador .................................................................. 78 5.1.6 Control con Reducción de Estados a evaluar ................................. 79 5.2 Caso trifásico ............................................................................................ 81 6 RESULTADOS EXPERIMENTALES ............................................................ 87 6.1 Implementación y Configuración del Controlador ................................... 87 6.2 Resultados Obtenidos ............................................................................... 90 7 CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO .................................................... 94 7.1 Conclusiones ............................................................................................ 94 7.2 Trabajo Futuro .......................................................................................... 95 BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................ 96 A N E X O S ............................................................................................................. 101 A. CIRCUITOS PARA LA IMPLEMENTACIÓN DEL FILTRO ACTIVO .... 102 Circuito de Potencia ........................................................................................ 102 Circuito de Disparo ......................................................................................... 103 Circuito de Mediciones ................................................................................... 104 Controlador ..................................................................................................... 110 B. IMPLEMENTACIÓN ALGORITMOS CON DSP F28335 Y MATLAB .... 112 Creación modelo Simulink ............................................................................. 113 Implementación en DSP ................................................................................. 120 1 ÍNDICE DE TABLAS Pág. Tabla 4-1. Señales de disparo para cada uno de los voltajes de salida para inversor 9 niveles CHB ......................................................................................................................... 37 Tabla 4-2. Tensión de salida y semiconductores activos para cada uno de los estados en un inversor puente H ............................................................................................................ 47 Tabla 4-3. Relación entre la corriente de entrada y las señales de disparo con el cambio en el voltaje del capacitor ..................................................................................................... 47 Tabla 5-1. Parámetros usados en simulaciones .................................................................... 61 Tabla 5-2. Multiplicadores Función objetivo para los casos a estudiar ............................... 61 Tabla 5-3. Resumen Análisis Armónico para las distintas configuraciones de filtro activo estudiadas ............................................................................................................................. 77 Tabla A-1. Valores R y C para Filtros Pasa bajos............................................................. 106 2 ÍNDICE DE FIGURAS Pág. Figura 2-1. Esquemas de operación para filtros activos paralelos. (a) Fuente de Voltaje. (b) Fuente de corriente. ........................................................................................................ 19 Figura 2-2. Diagrama filtro activo paralelo.......................................................................... 20 Figura 2-3. Principio de operación de un filtro activo ......................................................... 20 Figura 2-4. Esquemas de operación para Filtros Activos Serie. (a) Fuente de corriente. (b) Fuente de voltaje............................................................................................................. 21 Figura 2-5. Esquemas de operación más comunes para filtros activos híbridos .................. 22 Figura 3-1. Control predictivo. (a) Esquema del controlador. (b) Ejemplo de aplicación ... 24 Figura 4-1. Configuración del sistema para el caso monofásico. ........................................ 35 Figura 4-2. Inversor multinivel CHB con fuentes en relación 3:1 ....................................... 36 Figura 4-3. Generación corriente de referencia filtro activo monofásico. ........................... 38 Figura 4-4. Esquema para generación de referencia clásico, caso trifásico ......................... 41 Figura 4-5. Esquema para generación de referencia modificado ......................................... 42 Figura 4-6. Circuito puente H. ............................................................................................. 43 Figura 4-7. Estados posibles para un inversor puente H alimentando una carga inductiva . 46 Figura 4-8. Diagrama Filtro Activo Monofásico con Inversor de dos celdas ...................... 51 Figura 4-9. Esquemático del sistema para el caso Trifásico ................................................ 53 Figura 4-10. Diagrama de Flujo de los esquemas de control a implementar ....................... 58 Figura 5-1. Ejemplo Modelo Simulación Matlab - Simulink. ............................................. 60 Figura 5-2. Voltajes filtro activo monofásico de 3 Niveles. (Arriba) Voltaje capacitor. (Abajo) Voltaje de salida vs voltaje de red. ......................................................................... 62 3 Figura 5-3. Corrientes filtro activo monofásico de 3 niveles. (Arriba) Corriente en la carga no lineal. (Medio) Corriente filtro activo. (Abajo) Corriente en la red. ..................... 63 Figura 5-4. Análisis de distorsión armónica del voltaje salida para filtro activo monofásico de 3 niveles. ...................................................................................................... 64 Figura 5-5. Análisis de distorsión armónica de la corriente de la red para filtro activo monofásico de 3 niveles ....................................................................................................... 64 Figura 5-6. Voltajes filtro activo de 5 niveles. (Arriba) Voltaje capacitor 1. (Medio) Voltaje capacitor 2. (Abajo) Voltaje de salida vs voltaje de la red. ..................................... 65 Figura 5-7. Corrientes filtro activo 5 niveles. (Arriba) Corriente en la carga no lineal. (Medio) Corriente filtro Activo. (Abajo) Corriente de red. ................................................. 66 Figura 5-8. Voltajes filtro activo 7 niveles. (Arriba) Voltaje capacitor 1. (Medio) Voltaje capacitor 2. (Abajo) Voltaje de salida vs voltaje de la red. .................................................. 67 Figura 5-9. Corrientes filtro activo 7 niveles. (Arriba) Corriente en la carga no lineal. (Medio) Corriente filtro activo. (Abajo) Corriente de red. .................................................. 67 Figura 5-10. Voltajes filtro activo 9 niveles. (Arriba) Voltaje capacitor 1. (Medio) Voltaje capacitor 2. (Abajo) Voltaje de salida vs voltaje de la red. ..................................... 68 Figura 5-11. Corrientes filtro monofásico de 9 niveles. (Arriba) Corriente en carga no lineal. (Medio) Corriente filtro activo. (Abajo) Corriente de red. ....................................... 69 Figura 5-12. Voltajes filtro activo monofásico de 9 niveles ante cambio en forma de escalón ascendente en su voltaje de referencia en t=0.1s..................................................... 70 Figura 5-13. Corrientes filtro activo monofásico de 9 niveles ante un cambio en escalón ascendente en su voltaje de referencia en t=0.1s ................................................................. 70 4 Figura 5-14. Voltajes filtro activo monofásico de 9 niveles ante un cambio en escalón descendente en su voltaje de referencia en t=0.1s ............................................................... 71 Figura 5-15. Corrientes filtro activo monofásico de 9 niveles ante escalón descendente en el voltaje de referencia en t=0.1s ..................................................................................... 72 Figura 5-16. Voltajes filtro activo monofásico de 9 niveles ante un cambio en la carga no lineal en t=0.1s ..................................................................................................................... 73 Figura 5-17. Corrientes filtro activo monofásico de 9 niveles ante un cambio en la carga no lineal en t=0.1s ................................................................................................................ 73 Figura 5-18. Voltajes filtro activo cuando el valor de la inductancia y resistencia del inductor de acoplamiento es 20% mayor al ingresado en el algoritmo de optimización ..... 74 Figura 5-19. Corrientes filtro activo cuando el valor de la inductancia y resistencia del inductor de acoplamiento es 20% mayor al ingresado en el algoritmo de optimización ..... 75 Figura 5-20. Voltajes filtro activo cuando el valor de la capacitancia de los capacitores del filtro es 20% menor al ingresado en el algoritmo de optimización ................................ 76 Figura 5-21. Corrientes filtro activo cuando el valor de la capacitancia de los capacitores del filtro es 20% menor al ingresado en el algoritmo de optimización. ............................... 76 Figura 5-22. Ejemplo Controlador con límite de corriente en ............................ 79 Figura 5-23. Voltajes filtro activo monofásico de 9 niveles cuando se usa algoritmo que evalúa sólo 3 voltajes consecutivos...................................................................................... 80 Figura 5-24. Corrientes filtro activo monofásico de 9 niveles cuando se usa algoritmo que evalúa sólo 3 voltajes consecutivos ............................................................................... 81 Figura 5-25. Corrientes fase a, filtro activo trifásico 3 niveles. (Arriba) Corriente carga no lineal. (Medio) Corriente Filtro vs Referencia. (Abajo) Corriente de Red. .................... 82
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