aplicación de control predictivo a filtro activo paralelo multinivel

141 Pages·2013·4.16 MB·Spanish

by  Fernanda Kattan

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