UNIVERSIDAD UNIVERSIDAD DE CHILEDE CHILE

SISTEMA DE CONTROL RESONANTE PARA CONVERSORESSISTEMA DE CONTROL RESONANTE PARA CONVERSORESDE CUATRO PIERNAS ALIMENTANDO CARGAS

DESBALANCEADASDESBALANCEADAS

Roberto Cárdenas D.         Carlos Juri M.Departamento de Ingeniería Eléctrica

Universidad de Chile

VENTAJAS DE GENERADORES DIESEL OPERANDO AVELOCIDAD VARIABLEVELOCIDAD VARIABLE

Los generadores diesel habitualmenteoperan a velocidad fija, para suministrarp j , pseñales de 50Hz. a la red o carga aislada.

Esto produce baja eficiencia en términosEsto produce baja eficiencia en términosde combustible por kWh.

También se producen algunos problemasde mantenimiento, debido a lo cual se,recomienda operar el generador con unacarga mínimacarga mínima.

VENTAJAS DE OPERAR UN GRUPO MOTO‐D V VGENERADOR DIESEL A VELOCIDAD VARIABLE

1.6

r) speed=1p.u.

1.2

1.4

tion

(lt/h

r

1

cons

umpt

speed=0.9p.u.

d 0 8

0.6

0.8

Fuel

c speed=0.8p.u.

speed=0.7p.u.

0.2 0.4 0.6 0.8 10.4

Power (p.u.)

speed=0.6p.u.

Power (p.u.)

CURVA ÓPTIMA DE OPERACIÓN

 1

0.8pu)

0.6Spee

d( p

0 4

S

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10.4

Power (pu)owe (pu)

CARGA DESBALANCEADAGrupo Moto-Generador

Di lDieselSeñales de Frecuencia

Variable

Conversor deP t iPotencia

a b c

OSeñales de

CargaDesbalanceada

Con NeutroOuputFilter

Star connected

50Hz

Star-connectedload n

CONVERSOR DE CUATRO PIERNAS PWM FUENTE DEVOLTAJEVOLTAJE

Una de estas piernas actúa como neutro

El puente rectificador a b c nppuede reemplazarse por

otro conversor PWM(configuración back to back)

Carga desbalanceada

CONVERSOR MATRICIAL(OPERACIÓN SIMILAR A UN BACK TO BACK)(OPERACIÓN SIMILAR A UN BACK TO BACK)

• No posee DC link.Conversor Matricial

p

• Pequeño y portatil.A

IN   OUTA  ‐ aB  ‐ bB  ‐ cB  ‐ n

• Flujo de potencia

bidireccional.

B

• Razón de transformación

de tensión (hasta aprox.

C

a b c nFiltro de entrada

ade tensión (hasta aprox. 

un 86%).

Filtro de

 salida

• Amplio rango de 

operación en frecuencia.Carga conectada en estrella

APLICACIONES DE LOS CONVERSORES DE CUATROPIERNASPIERNAS

Generación Diesel.

Sistemas Eólico‐Diesel.

Reemplazar transformador en delta‐estrella tili d l t l í d l t ó iutilizados en algunas topologías de electrónica 

de potencia.

Eliminar la circulación de secuencia cero por d t f dgeneradores y transformadores

EJEMPLO DE APLICACIÓN

Generador de Imanes

ConversorMatricial Carga

CargaMáquinaDIESEL

de Imanes permanentes

Matricialde cuatro piernas

MC

Carga desbalanceada

CargaDIESEL

Control de

MC

MATRIXVelocidad

* +-

FILTRO

MATRIXCONVERTER

OR 4-Leg PWM VSI

FILTRO

rr +Algoritmo de Modulación

SVMTensión de entrada Corriente de salida

Cálculo de la

Curva óptimaPotencia-RPMPe

Control de tensión

SVMTensión de entrada Corriente de salida

Potencia de salida de CargaTensión de salida

ALGUNOS SISTEMAS DE CONTROL POSIBLESALGUNOS SISTEMAS DE CONTROL POSIBLES

Controlador Lazo CerradoLazo Cerrado

D‐q Resonante

D‐q convencional D‐q± D‐q‐0 Sintonizado 

en 50HzMúltiples 

sintonizaciones

Discutidos enDiscutidos en esta charla

CONTROLADOR RESONANTE (CR)CONTROLADOR RESONANTE (CR)

Se ubica un polo en la frecuencia deseada (en estecaso 50Hz) sobre el círculo unitario.

Se obtiene ganancia infinita si se sintoniza el polog padecuadamente, es decir se sintoniza la frecuenciade operación en la frecuencia de resonancia.p

22 2)( nn ss

KG js

22)(

o

nncc

sKsG

js

IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL RESONANTE EN UNAFASEFASE

V * + Resonant

SVM

RVPlant

V anV  an + ResonantController z‐1 ZOH

LfffL

L

RsLLCRsR

2

Va V an

‐

IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL RESONANTEv v v

Plant AA/D A/DA/D

vag vbg vcg

V *an +afffa

a

RsLLCRsR

2

Plant AVan

Grid Input Filt i

RCPhase a afffa

‐ Filtering

V * + bR

Plant BVbn

Phase a

RCPrism

Selection

TetrahedronSelection

V  bn +bfffb

b

RsLLCRsR

2bn

‐Pl t C

RCPhase b

Selection

Selection

Duty CycleCalculation

V *cn

cfffc

c

RsLLCRsR

2

Plant CVcnRC

Phase c+ cfffc RsLLCRs

‐ Phase c

SVM Algorithm

+

a)

SISTEMA RESONANTE DE MÚLTIPLES FRECUENCIAS

Resonant Controller

V *an +22

221

2o

nnc sssK

Fundamental+ z‐1

SVM

ZOHLfffL

LRsLLCRs

R2

VaPlant

‐ os

22 2 nnnnssKcn

nth harmonic:   :   :   :   :   :   :   :

0

V an

‐+

LfffL

+22

2on

nnnns

ssKcn

+

mth harmonic:   :   :   :   :   :   :   : +V an

2222 2

omnmnm

sssKcm

0 ‐

+

RESPUESTA DE FRECUENCIA DEL CONTROLADORRESONANTE

150

) 50

100 50Hza)

ude

(dB

)

50

0

Mag

nitu -50

101 102 103 104 105

100 150Hz 200Hz

M

20

60 50Hz100Hz

250Hz

-20

20

Frequency (rad/sec)102 104103

POLOS Y CEROS EN PLANO ZPOLOS Y CEROS EN PLANO‐Z

Output FilterZ

PlaneUnity

X

Output Filterpole

PlaneUnitycircle

X

ResonantpoleZero

Pole of the plant forthe no‐load case

Xo

Zero

Modulation

ωoTsxDelay

DISEÑO UTILIZANDO LUGAR DE LA RAÍZDISEÑO UTILIZANDO LUGAR DE LA RAÍZ

RESULTADOS EXPERIMENTALESSU OS S

PLATAFORMA EXPERIMENTAL

PLATAFORMA EXPERIMENTALPLATAFORMA EXPERIMENTAL

DISCONNECTION OF THE LOAD IN TWO PHASES

0

4 ia a)

-4

0

0

4 ib b)

ent (

A)

-4

0

Cur

re

0

4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

-4

c)Time (s)

c)

DISCONNECTION OF THE LOAD IN TWO PHASES

246

ent(

A)

a)

4-202

utra

l cur

re

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-6-4

Neu

V) 150

Volta

ge(V

75

150 b)

Load

Vo

-75

0

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3Time (s)

-150

Time (s)

ESCALÓN TRIFÁSICO EN LA CARGAESCALÓN TRIFÁSICO EN LA CARGA)

48

Load

rent

(A)

a)

0 0.5 1 1.5 2 2.50

LCu

rr

150

50

150

(V) b)

-50

Voltage

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-150Time (ms)

V

Time (ms)

CAMBIO DE LA FRECUENCIA DE OPERACIÓN(‘ ’)(‘ON THE FLY’)

50Hz 30Hz

0

50 50Hz 30Hz

-50

ge(V

)

a)

1.9 1.92 1.94 1.96 1.98 2 2.02 2.04 2.06 2.0850

ad V

olta

g 2.09

-50

0Loa

1.98 2 2.01 2.02 2.03

b)1.99

CAMBIOS CONTINUOS EN LA FRECUENCIA DEOPERACIÓN

V)

0

50

Volta

ge(V

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

-50Load

V

~50Hz ~0Hz

0

5

nt (A

)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

-5

0

Cur

re

V i ió ti d d d t lTime (s)

~50Hz ~0Hz

Variación continua es adecuada para droop control

OPERACIÓN A VELOCIDAD VARIABLEDSP‐basedControl and

Emulation system

Modulationand Resonant

Emulation system

FPGA Based

Speed

and ResonantControl Switching

AR

Host PC

pControl

3 3

A

B

C

R

R

4-leg Matrix

ConverterInput

C

a b c Output Filter

EncoderFilter

LoadnCage

MachinePM

Generator

n

RAMPAS ASCENDENTES Y DESCENDENTES CONIMPACTOS DE CARGAIMPACTOS DE CARGA

a)1800m)

a)

1400

1800

peed

(rpm

Velocidad del generador

1000

b)200

250

Sp

e(V

)

100

150

Volta

ge

Voltaje de entrada

5

7

rren

t(A

)

c) Corriente de entrada

0 1 2 3 4 5 6 73C

ur

Time(s)

c)

RAMPAS ASCENDENTES Y DESCENDENTES CONIMPACTOS DE CARGAIMPACTOS DE CARGA

a)60

80

(V)

40

60

Volta

ge

Voltaje de Carga

20

b)15

A)

5

10

Cur

rent

(A

Corriente de Carga5

c)0.7

Co Razón de Voltajes

0.5

Qra

tio Razón de Voltajes Entrada/Salida

0 1 2 3 4 5 6 70.3

Time(s)

VOLTAJE DE FASEVOLTAJE DE FASE

100

60

100Load Step

)

20

hase

a (v)

-20

Volta

geph

100

-60

V

2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8-100

Time (s)

CONTROL DE UNA CARGA ALTAMENTE NO LINEALCONTROL DE UNA CARGA ALTAMENTE NO LINEAL

A

B

C

Filtro de salida

C

a b c n

CargaNo Lineal

nNo Lineal

CORRIENTES Y TENSIONES A LAZO ABIERTO ALIMENTANDO UNACARGA NO LINEALCARGA NO LINEAL8

) ia ib

0

4

orrie

nte

(A) a b

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-8

-4Co

50

100

V) va vb

-50

0

Volta

je (

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-100

Ti ( )Tiempo (s)

CORRIENTES Y TENSIONES UTILIZANDO EL CONTROLADOR

10

RESONANTE MULTI SINTONIZADO

0

5

rient

e (A

)

ia ib

0 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 1-10

-5Cor

r

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1150

V) vbva

-50

50

Volta

je (V ba

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-150Tiempo (s)Tiempo (s)

CALIDAD DE ONDA BAJO CONDICIONES NO LINEALES

100 Lazo abierto,

-100

0

,THD = 14.6%

100

R t

-100

0Resonante, THD = 9.7%

100 Resonante

-100

0

eso a temúltiple,THD = 3%

FIGURAS EN ESPECTRO DE FRECUENCIASFIGURAS EN ESPECTRO DE FRECUENCIAS

20

Lazo abierto

5

10

15 Lazo abierto, THD = 14.6%

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

15

20

R t5

10

15 Resonante, THD = 9.7%

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

15

20

Resonante

0

5

10

15 eso a temúltiple,THD = 3%

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

VIDEOSVIDEOS

R t i t i d 50HResonante sintonizado en 50Hz.

Resonante sintonizado en 0‐50‐100Hz.

Resonante sintonizado en 0‐50‐100‐150‐200‐250Hz.

ANALISIS EN ESPECTRO DEANALISIS EN ESPECTRO DEFOURIER

Espectro de frecuenciasexpresadas en % de la fundamental

10

20

)a

e p esa as e % e a a e a

Lazo abiertoTHD = 14.6%

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

10

20

)bControl D-qTHD = 14 55%

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

10

20

)c

THD 14.55%

Control D-q+-THD 13 8%

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

10

20

)d

THD = 13.8%

Control D-q-0

200 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0

10 )d

)

qTHD = 12.1%

Control

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

10 )e

A ó i

Co t o ResonanteTHD = 9.7%

Armónicas

CONTROLADOR D-Q-0 Y CONTROLADORRRESONANTE SINTONIZADO EN 0-50-100-200-250

20

Espectro de frecuenciasexpresadas en % de la fundamental

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

10 )aControl D-q-0THD = 11.2%

10

200 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

)bControl ResonanteTHD = 6%

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

Armónicas

THD 6%

CONTROLADOR RESONANTE SINTONIZADOEN 0-50-100-150-200-250

Espectro de frecuenciasexpresadas en % de la fundamental expresadas en % de la fundamental

10

20

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

10

THD = 3%