Nuevas estrategias de control en fuente de corriente para inversores trifásicos conectados a red

Transcripción

1 S0nys5J Nevas estrategias e control en fente e corriente para inversores trifásicos conectaos a re Alexis B. Rey*, José M. Riz**, Miembro, IEEE, y Santiago e Pablo** *Departamento e Electrónica, Tecnología e Comptaoras y Proyectos, Universia Politécnica e Cartagena, alexis.rey@pct.es **Departamento e Tecnología Electrónica, Universia e Vallaoli, j_migel@tele.va.es, sanpab@eis.va.es Resmen La ecisión sobre el estao e los polos el inversor trifásico se realiza efectano n control en fente e corriente y en moo e eslizamiento en tiempo real; la sincronización con la re y el manejo el inversor trifásico se garantizan aplicano la transformación e Park. Se escriben tres nevas estrategias e control y se mestra la eqivalencia qe existe entre el control e las corrientes por fase y el control e las corrientes fase-fase. Palabras Clave Molación el ancho el plso, transformación e Park, control en moo e eslizamiento (sliing). L AS I. INTRODUCCIÓN técnicas e molación el ancho el plso (PWM) han sio estiaas en las últimas écaas el siglo pasao []. Estos métoos permiten n control simple y económico e los inversores, pero no garantizan n comportamiento óptimo cano se procen, por ejemplo, variaciones en la carga. Los inversores PWM en fente e corriente son ampliamente saos en el control e máqinas asíncronas trifásicas, rectificaores, y como aconicionaores e energía para fentes e CC qe operen en paralelo con la re. Pesto qe estos sistemas no se comportan linealmente, se han esarrollao iversas técnicas para s estio. En este artíclo se emplean la transformación e Park, y el control en moo e eslizamiento [], []. El primero aproxima too el sistema a no lineal, mientras qe el segno, formano parte e n control e estrctra variable (VSC), garantiza na mejor respesta transitoria [4], sieno insensible a variaciones e parámetros y pertrbaciones e la carga [5]. Dao qe la re será la carga el inversor, la mejor estrategia es controlarlo en fente e corriente. Para lograr la correcta sincronización inversor-re se tiliza n observaor e estao qe etermina la frecencia y fase e la misma. CC, conectaa al inversor a través e n conensaor e link, n filtro LC, y n transformaor e aislamiento. Ver figra. Fig.. Fente e energía, inversor, filtro LC, transformaor e aislamiento y re e istribción. III. ECUACIONES DEL SISTEMA Para poer controlar el inversor en fente e corriente, ebe estiarse la relación entre las tensiones e contina (U cc ) y alterna en los inctores (U ca ): v vw w RS ST TR N vn wn RN SN TN i = L t L i v = t L i w = t ( i iv) i v = L L t t ( i i v w) i = L L t t ( i i w ) i = L L t t vw w () () II. ESQUEMA ELÉCTRICO DEL INVERSOR La estrctra el inversor es la sal en este tipo e aconicionaor e energía: la fente e energía primaria e IV. CONTROL Y REGULACIÓN DEL INVERSOR La estrategia e control se basa en el error e corriente. En n sliing escalar, figra, la corriente real y s referencia se

2 S0nys5J comparan y la acción corresponiente en los polos se ejecta cano el error excea na bana e histéresis específica, qe es responsable e limitar la frecencia e conmtación. Tal comparación pee llevarse a cabo en caa fase por separao, pero ebe notarse qe, excepto en el caso qe el netro e alterna se conecte al pnto meio e batería (qe se enomina control en os niveles), las tensiones en caa fase no son inepenientes y sólo tienen os graos e liberta. Así, es necesario realizar na ecisión coorinaa el estao e los polos e potencia. Fig.. Representación e las variables trifásicas en el espacio e Park. x α = xβ 0 0 x x x (5) Fig.. Evolción temporal e la corriente controlaa en la fase (sliing escalar). x x q cosθ = sinθ sinθ x cosθ x V. CONTROL EN CINCO Y TRES NIVELES A. Transformación e Park Hasta aqí, el control e las corrientes trifásicas se ha Cano la sma instantánea e las tensiones y corrientes llevao a cabo e forma escalar. Sin embargo, en el caso e trifásicas es cero, se pee aplicar la transformación e Park qe se tenga el netro e alterna flotante, la sma e las (ec.) [5], también conocia como orientación en campo en el tensiones y corrientes fase-fase son ambas cero, sieno posible entorno e motores e CA, para manejar estas variables: entonces controlar las corrientes conjntamente sano la transformación e Park. Esta sitación conce a na ecisión coorinaa el estao e los polos e potencia trifásicos, es X = ( x + a x + a x) () ecir, conce a n sliing vectorial Así, el control el estao e los polos ofrecerá iferentes valores en U cc ( N, vn, wn ), qe significa iferentes one: evolciones en las corrientes e fase (i, i v, i w ), o iferentes valores en U cc ( v, vw, w ) qe significa iferentes X = Ucc, Vca, I evolciones en las corrientes fase-fase (i v, i vw, i w ). La primera x = N, v, vrn, vrs, iv, i se conoce con el nombre e control en cinco niveles, mientras x = vn, vw, vsn, vst, ivw, iv qe la segna se conoce como control en tres niveles, ver x,,,,, figras 4 y 5. = wn w vtn vtr iw iw a = e a = e j(π / ) j(4π / ) = = + j j (4) α β (6) Si las tres variables son senoies, X será n vector rotatorio en sentio anti-horario, con velocia anglar ω. Este vector pee expresarse en el plano complejo (espacio e Park) bien por meio e tres ejes fijos a,b,c, rotaos 0 entre sí, os ejes fijos: Re(α) e Im(β), y/o os ejes móviles:,q (ver figra, ec.5 y 6), caa no e ellos rotao 90 el otro. Fig. 4. U cc, control en cinco niveles (valores e s w, s v, s ).

3 S0nys5J Fig. 5. U cc, control en tres niveles (valores e s w, s v, s ). Sólo existen ocho posibles combinaciones para el estao e los polos e potencia, sieno 0 el polo abierto, y el polo en concción, y tenieno en centa qe los polos e caa fase operan e manera complementaria, caa combinación impone iferentes valores a las tensiones el inversor y, por tanto, iferentes evolciones en el vector corriente (ec. y ). El error entre las corrientes meias en caa fase y s referencia senoial asociaa, para el caso el control en tres niveles, se efine como: e = i i * v, vw, w v, vw, w (7),, La rotación exacta se prociría cano el ínice e molación fera cero, sitación imposible para sistemas reales ebio a la presencia e la re como carga el inversor. Realmente, el espectro e frecencias se va extenieno a meia qe el ínice e molación se incrementa. Por ejemplo, cano X mo = 0,66, es posible observar n espectro e frecencias bien centrao alreeor e la frecencia portaora PWM. Debio a este hecho, no sería necesario introcir na bana e histéresis aaptativa, para obtener na frecencia PWM fija, e la forma qe se hace salmente cano se opera con sistemas monofásicos [7]. Las tres acciones qe se toman en el semiplano erecho, para la estrategia e sliing irecta, tienen s =0, es ecir, es posible eciir el estao el polo e la primera fase ientificano solamente el signo e la componente el error sobre el eje a. La misma iea se aplica para eciir el estao e los polos e potencia en las fases restantes y es extensible e manera my similar para el resto e las estrategias propestas, sieno necesaria na rotación e 0 e los ejes en el caso e la estrategia e sliing óptima, concieno a e a,b,c. Esta característica ifiere e otras alternativas tilizaas en la literatra científica qe necesitan saber en qe sector se encentra el vector error e corriente [5]. La bana e histéresis se pee introcir fácilmente. Por ejemplo, los algoritmos e cálclo, tenieno en centa la bana e histéresis para la estrategia e sliing irecta, es como sige: Transformano este error en el espacio e Park y expresánolo en fnción e ss componentes en los tres ejes fijos a, b, c, como se ijo anteriormente, se tiene e a,b,c. If (e a >BH) then s = 0 else if (e a <-BH) then s = Diviieno el espacio e Park en seis sextantes, se compara el error transformao en caa fase con na bana e histéresis (BH) e acero a las tres estrategias mostraas en la figra 6, nombraas estrategias e sliing irecta, óptima e inversa, respectivamente. If (e b >BH) then s v = 0 else if (e b <-BH) then s v = If (e c >BH) then s w = 0 else if (e c <-BH) then s w = La bana e histéresis proce n hexágono en el cal la evolción el vector error e corriente es libre y epeniente sólo el estao anterior e los polos e potencia [8]. Fera el hexágono, el inversor impone la irección mostraa en la figra 7, asegrano convergencia y estabilia. (8) Fig. 6. Estrategias e sliing vectorial y valores e s w, s v, s. Como pee apreciarse en la figra anterior, las estrategias e sliing irecta e inversa, ejercen na ferza al vector error e corriente e tal forma qe lo hace girar en sentio horario para la primera, y en sentio anti-horario para la segna. Por el contrario, tal rotación no se proce si se emplea la estrategia e sliing óptima. Estos vectores rotatorios con velocia anglar ω y amplit constante K en el espacio e Park provocan tres senoies con velocia anglar ω y amplit constante K en el ominio el tiempo. Es ecir, las estrategias e sliing irecta e inversa garantizarán n espectro e frecencias centrao alreeor e la frecencia e conmtación PWM para las corrientes trifásicas controlaas [6]. Fig. 7. Hexágono procio por las banas e histéresis trifásicas. Estrategia e sliing óptima. Existe na relación binívoca entre las corrientes por fase y las corrientes fase-fase. Por lo tanto, no es importante si son controlaas las nas o las otras, o sea, no tiene ningna trascenencia ejercer n control en cinco niveles en lgar e

4 S0nys5J 4 no en tres niveles y viceversa: la sitación resltante será la misma. Ver figra 8. Más aún, ejercer n control en tres niveles evitará la necesia e tener en centa la inflencia e la tensión el netro e alterna. Para recir la frecencia e conmtación PWM, y por ene, las périas en los semiconctores, n reglaor integral moifica la bana e histéresis e acero con la iferencia entre las frecencias e conmtación meia y el valor meio e la eseaa [4]. Para lograr la sincronización inversor-re, se transforman las tensiones trifásicas e re al espacio e Park (V), ajstano el eje móvil con la primera fase. En este paraigma, se transforman también las corrientes trifásicas por el inversor en I, corresponieno la potencia activa con I y la reactiva con I q (ec. 9) [9]. I q se regla a cero o a na constante para obtener n factor e potencia estable e cara a la re. Mientras tanto, I se sa para reglar la tensión e contina por el conensaor e link con n reglaor PI y así extraer la máxima potencia instantánea isponible en la fente e CC primaria. Ver figra 9. Fig. 8. Relación binívoca entre las corrientes por fase y las corrientes fasefase, y eqivalencia entre los controles en cinco y tres niveles. P = ( V Q = ( V q I I + V V q I q) = V I I q) = V I q (9) Fig. 9. Diagrama e bloqes el inversor sano el control en moo e eslizamiento (sliing).

5 S0nys5J 5 VI. SIMULACIONES Se han realizao varias simlaciones qe mestran el correcto fncionamiento e las estrategias propestas, sano sliing en fente e corriente. Segiamente se consiera n inversor conectao en paralelo con la re y operano a na frecencia e conmtación e 0 khz y factor e potencia nitario. Las figras 0 y mestran la evolción e los vectores e corriente en el espacio e Park cano se ejercen los controles en cinco y tres niveles sobre las corrientes por fase y sobre las corrientes fase-fase, respectivamente. Se observa n comportamiento my similar, como era e esperar. Fig. 0. Evolción el vector corriente controlao en el espacio e Park. Control en cinco niveles. Fig.. Sitación resltante en el espacio e Park para la estrategia e sliing óptima. Fig.. Evolción el vector corriente controlao en el espacio e Park. Control en tres niveles. Las figras, y 4 mestran la sitación resltante en el espacio transformao e Park, para las estrategias e sliing óptima, irecta e inversa, respectivamente. En el caso e las estrategias irecta e inversa, peen apreciarse na menor istorsión armónica en baja frecencia (LFHD =,49%;,6%, respectivamente) e la corriente controlaa en la fase con relación a la istorsión qe se proce en el caso e tilizar la estrategia óptima (LFHD = 5,6%), y n espectro e frecencia relativamente centrao alreeor e la frecencia portaora. Fig.. Sitación resltante en el espacio e Park para la estrategia e sliing irecta.

6 S0nys5J 6 Las estrategias e sliing irecta e inversa centran el espectro e frecencias e las corrientes trifásicas controlaas alreeor e la frecencia portaora PWM y recen, por tanto, ss istorsiones armónicas en baja frecencia. Fig. 4. Sitación resltante en el espacio e Park para la estrategia e sliing inversa. VII. CONCLUSIONES El inversor se controla en fente e corriente y en moo e eslizamiento (sliing), sincronizánose con la re por meio e n observaor e estao y la transformación e Park. Se proponen tres nevas estrategias e sliing vectorial qe simplifican notablemente el cálclo el estao e los polos e potencia. La relación binívoca existente entre los controles en cinco y tres niveles hace qe sea intrascenente el so el no o el otro y ejercer n control en tres niveles en las corrientes fasefase evitará tener en centa la inflencia e la tensión el netro e alterna. REFERENCIAS [] J. Holtz. "Plsewith Molation - A Srvey", IEEE Transactions on Instrial Electronics, vol. IE-9, n 5, 99, pp [] J. Y. Hng, W. Gao an J. C. Hng "Variable Strctre Control: A Srvey", IEEE Trans. on Instrial Electronics, vol 40 no. Feb. 99, pp.-. [] W. Gao, an J. C. Hng. "Variable Strctre Control of Nonlinear Systems: A New Approach". IEEE Transactions on Instrial Electronics, Vol. 40, No., Febrary 99, pp [4] S. e Pablo, S. Lorenzo, J.A. Domíngez an S. Cáceres. "Real-time Voltage Control for Unbalance UPS", 7th Eropean Conference on Power Electronics an Applications (EPE'97), Tronheim (Norway), 997, pp. -4. [5] P. Koroni, H. Hashimoto. "Park Vector Base Sliing Moe Control of UPS with Unbalance an Nonlinear Loa", Workshop on Variable Strctre Systems VSS'98, 998. [6] Alexis B. Rey. "Control Digital Vectorial con Sliing en Fente e Corriente para convertiores CC/CA trifásicos conectaos a re", Ph. D. Thesis, University of Vallaoli, 000. [7] José M. Riz. "Investigación y Desarrollo e Estrctras e Control Óptimo en Sistemas e Alimentación Ininterrmpia Monofásicos", Ph. D. Thesis, University of Vallaoli, 989. [8] L. Marroyo. "Estio e la Inmnia e los Rectificaores con Control PWM Escalar frente a Pertrbaciones: Propesta e Nevos Esqemas e Control", Ph. D. Thesis, Pblic University of Navarra, Pamplona (Spain), 997. [9] J. A. Domíngez Vázqez. "Control e Sistemas Fotovoltaicos para Bombeo y Conexión a Re por meio e La Teoría e Campo Orientao". Ph. D. Thesis, University of Vallaoli, 996.