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“Propuestas de Tesis para la Maestría en Ingeniería Eléctrica” Generación 2020

Investigador Título de la Propuesta

Dr. Víctor Manuel Cárdenas Galindo

1.- Inversor Interactivo Fotovoltaico con capacidad de Filtro Activo para Operación en Mircorredes Inteligentes;

2.- Integración de un Simulador Eólico Interconectado a una Microrred Eléctrica Experimental.

Dr. Homero Miranda Vidales

1.- Modelado y control de un microinversor para aplicaciones de generación solar fotovoltaica;

2.- Esquemas de control para un convertidor formador back to back NPC en microrredes.

Dr. Juan Segundo Ramírez

1.- Modelo de admitancia nodal en el dominio de Laplace de un sistema fotovoltaico para estudios de transitorios electromagnéticos de grandes parques fotovoltaicos;

2.- Control oscilaciones de potencia usando plantas fotovoltaicas y eólicas;

3.- Efecto del equivalente de red y del ancho de banda del PLL en la estabilidad armónica de inversores PWM;

4.- Análisis de fallas asimétricas y simétricas en aerogeneradores tipo IV.

Dra. Elvia Ruth Palacios Hernández 1.- Estudio comparativo de controladores para convertidores cd-cd que utilizan celdas de combustible como fuente de entrada.

Dr. Mario Arturo González García 1.- Estudio de Algoritmos de Seguimiento del Punto de Máxima Potencia en Inversores Fotovoltaicos Interconectados.

Dr. Jorge Alberto Morales Saldaña

1.- Estudio dinámico de convertidores conmutados redundantes;

2.- Procedimientos de sintonización de controladores para convertidores conmutados de alto orden;

3.- Aplicación de Convertidores Conmutados usando el concepto de procesamiento parcial de potencia en fuentes de energía renovables.

Dra. Nancy Visairo Cruz y

Dr. Ciro Alberto Núñez Gutiérrez

1.- Análisis y diseño de observadores no lineales para la estimación del estado de carga en baterías;

2.- Modelado y simulación del tren de potencia de un vehículo eléctrico;

3.- Realización y síntesis de un controlador no lineal para un convertidor de electrónica de potencia para almacenamiento de energía.

Dr. Ricardo Álvarez Salas

1.- Control predictivo de aerogeneradores;

2.- Estudio comparativo de técnicas de control no lineal en motores síncronos de imanes permanentes.

Dr. César Fernando Méndez Barrios

1.- Control no lineal de un convertidor elevador de CD-CD con alta ganancia;

2.- Esquemas de control basados en retardos para convertidores cd-cd con aplicaciones a sistemas de energía renovables;

3.- Diseño del Máximo Decaimiento Exponencial para Sistemas con Retardos a través de Controladores PI.

Dr. Emilio Jorge González Galván y

Dr. César Fernando Méndez Barrios

1.- Síntesis de controladores fraccionarios, aplicados al control de un sistema multiagente.

“Presentación Propuestas de Tesis para la Maestría en Ingeniería Eléctrica” Generación 2020

Edificio P

Sala de Video Conferencias del CIEP Miércoles 11 de marzo de 2020

Investigador Horario

Dr. Víctor Manuel Cárdenas Galindo 16h00-16h30 Dr. Homero Miranda Vidales 16h30-17h00 Dr. Juan Segundo Ramírez 17h10-18h10

Dra. Elvia Ruth Palacios Hernández 18h10-18h25 Dr. Jorge Alberto Morales Saldaña 18h25-19h10

Jueves 11 de marzo de 2020

Investigador Horario Dr. Mario Arturo González García 16h00-16h15

Dra. Nancy Visairo Cruz Dr. Ciro Alberto Núñez Gutiérrez 16h15-17h00

Dr. Emilio Jorge González Galván Dr. César Fernando Méndez Barrios 17h00-17h45

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Propuesta de Tesis de Maestría 2020

Posgrado en Ingeniería Eléctrica, UASLP

Dr. Víctor Manuel Cárdenas Galindo

Introducción General al Tema La Electrónica de Potencia (EP) forma parte de múltiples sistemas y aplicaciones tecnológicas modernas, que abarcan campos tan diversos como fuentes de energía renovables, sistemas de tracción eléctrica, aplicaciones médicas y control de motores, entre muchas otros. Inclusive la EP proporciona las herramientas necesarias para poder aprovechar nuevos esquemas de generación de energía eléctrica, permitiendo la incorporación de funciones ampliadas a tecnologías ya existentes, así como el desarrollo de nuevas tecnologías como la cosecha de energía y vehículos eléctricos autónomos, e integrar las denominadas funciones Smart (inteligentes) en la generación distribuid y su aplicación.

En diversas aplicaciones es común emplear convertidores de electrónica de potencia para acoplar sistemas de corriente directa (CD) a sistemas de corriente alterna (CA). Por ejemplo, un driver para regular la velocidad de un motor de inducción cuenta con una etapa de conversión CA/CD para acoplarse a la red eléctrica. También es necesario el uso de convertidores con la función inversa, como pueden ser los convertidores CD/CA para acoplar la energía generada por un sistema de paneles solares a la red eléctrica. Estos convertidores pueden operar desde unos cuantos watts hasta MW.

Figura 1. Interconexión de sistemas eléctricos empleando convertidores de CA y CD, para la formación de redes y microrredes inteligentes.

CA

CAFuente

FuenteCarga

Carga

Fuente

Carga

CA

CD

CA

CD

AlmacénFuente

Frecuencia variable

Frecuencia fijaConversión

Conversión Conversión

Bus de CD

Bus de CA2Bus de CA1

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Los convertidores de electrónica de potencia pueden formar estructuras complejas como los convertidores back-to-back, los convertidores multinivel, u otros sistemas que integran funciones de filtrado activo de potencia, compensación de potencia reactiva, respaldo eléctrico, etc. De aquí que estos sistemas se han convertido en un elemento clave de las denominadas Redes y Micorredes Eléctricas Inteligentes.

Los convertidores CA/CD o CD/CA deben tener capacidad de operación ante condiciones en el sistema eléctrico que se desvían de los parámetros ideales (tensión, frecuencia, potencia, etc.). Y el sistema de control debe proporcionar las estrategias de operación para garantizar que el equipo desarrolle su función de forma óptima. Una forma de resolver el reto anterior es usando plataformas flexibles de control de alto desempeño (DSP y/o FPGA) para poder implementar los algoritmos de control.

Las siguientes propuestas de investigación se encuentran enmarcadas en el desarrollo del proyecto:

• Premio PRODETES – Banco Mundial – Secretaría de Energía – Fondo para el Medio Ambiente Mundial, “Piloto de una Planta Virtual Fotovoltaica basada en Inversores Inteligentes y una Nube Digital”. 1 de noviembre 2018 – 31 de octubre de 2021. UASLP – Transformadores Inteligentes de México SAPI de CV. Responsable UASLP: Víctor Manuel Cárdenas Galindo.

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Propuesta de tema de tesis 1 Inversor Interactivo Fotovoltaico con capacidad de Filtro Activo para Operación

en Mircorredes Inteligentes

Director: Dr. Víctor Manuel Cárdenas Galindo Áreas de interés: Electrónica de Potencia, Sistemas Fotovoltaicos, Calidad de Energía, Sistemas de

Control Opciones del posgrado: EP-FAE, CA. Antecedentes La tecnología para el aprovechamiento de energías solar fotovoltaica y eólica se ha desarrollado notablemente en las últimas décadas, permitiendo su incorporación de forma masiva en esquemas de generación distribuida, tanto en sistemas de gran potencia (superiores a 100 MW), como en sistemas de baja potencia (<10 kW). Los convertidores de electrónica de potencia permiten acoplar la generación de energía en paneles solares y generadores eólicos a la red eléctrica, manteniendo altos niveles de calidad de suministro eléctrico, y cada vez con mayores niveles de eficiencia y confiabilidad. El concepto de redes y microrredes eléctricas inteligentes se ha visto fortalecido con la integración de fuentes de energía renovable en un esquema distribuido, impulsando una gestión activa de los sistemas fotovoltaicos y eólicos, incorporando una participación activa de los usuarios finales y de los equipos conectados a estas redes. La operación de redes y microrredes eléctricas con una alta penetración de generación de energía renovable distribuida, ha generado nuevos retos de operación, gestión y desarrollo de tecnología para garantizar la calidad de suministro eléctrico, así como la operación óptima desde diferentes conceptos: técnico, económico, de eficiencia y confiabilidad, entre otros. Las microrredes aisladas e interconectadas son hoy una realidad en un escenario donde las fuentes de energía renovables, la generación distribuida y los sistemas de almacenamiento se pueden conjugar e integrar a la red eléctrica. La variación natural en la generación de potencia de algunas fuentes de energía renovable como los sistemas fotovoltaicos y eólicos, implican un reto operativo al ser incorporadas en la generación distribuida. Además, cuando la red principal de suministro falla, una microrred interconectada puede continuar operando como una red autónoma a partir de la generación local distribuida y el almacenamiento de energía. Para lograr estas funciones, los convertidores de electrónica de potencia son elementos fundamentales para conformar la operación de la microrred. Estos convertidores pueden tener diferentes roles operativos: hay un convertidor que desarrolla la función central de fijar la tensión en el bus de CA de la microrred, estabilizando la tensión y la frecuencia (inversor formador), mientras que los demás convertidores tienen una función de inyectar potencia a la microrred (inversor alimentador). Sin embargo estos convertidores pueden cambiar su rol de operación entre un inversor alimentador y un inversor formador, desarrollando funciones de soporte a la microrred de forma interactiva. Así mismo, dadas las condiciones operativas de las cargas se pueden presentar corrientes armónicas que afectan la operación de la microrred, y que pudieran ser compensadas por el inversor interactivo. En este trabajo de tesis se plantea el desarrollo de un inversor interactivo para operar en una microrred experimental existente en el laboratorio. Objetivo

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Desarrollar un inversor interactivo con capacidad operativa de convertidor formador, convertidor alimentador y filtro activo para corrientes armónicas en microrredes aisladas. Contribución La contribución del trabajo está enfocada al desarrollo de convertidores para operación en microrredes eléctricas con generación distribuida, almacenamiento de energía y su gestión bajo un esquema de operación inteligente y su gestión. En la figura 2 se muestra el esquema propuesto para su estudio e implementación en una microrred existente. La microrred está integrada por dos sistemas fotovoltaicos, un sistema de almacenamiento de energía, cargas eléctricas y un emulador eólico. La microrred está conectada a la red eléctrica, y existe un mecanismo de desconexión (interruptor estático de transferencia) para su operación en forma aislada.

Figura 2. Integración del inversor interactivo en la Microrred de CA del LABCEECM.

Alcances y objetivos particulares • Analizar e integrar un inversor interactivo para operación en una microrred eléctrica. El inversor

tendrá capacidad de operar como inversor formador estableciendo las condiciones de frecuencia y tensión en la microrred, o inversor alimentador, inyectando potencia a una microrred operativa.

• Analizar e integrar funciones de filtro activo para compensación de corrientes armónicas en la microrred.

• Desarrollar el sistema de control basado en un DSP • Evaluar el desempeño del inversor interactivo considerando una estrategia de control adecuada. • Construcción y validación experimental de un prototipo de laboratorio a escala. La potencia nominal

del sistema será de 2.5 kW, 127 V, 60 Hz. • Integrar el inversor interactivo en la microrred existente en el laboratorio.

CD

CAInterruptor estático de

transferencia

Red Eléctrica

Carga eléctrica

Carga eléctrica

Carga eléctrica

Paneles solares

Red de CA

Microrred de Laboratorio

Inversor fotovoltaico

(convencional)CA

CDCA

CA

CD

Red de CA

Convertidor BTB

TESISCA

CD

1 hi i+

2i

Almacenamiento de energía

I hIi i+

Inversor Interactivo

μredv

• Inyectar Potencia

• Regular Tensión

• Filtro Activo

CA

CD

Paneles solares

Emulador Eólico

Inversor fotovoltaico (funciones

autónomas)

Paneles solares

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Duración del proyecto y conocimientos necesarios El tema de tesis está planteado para desarrollarse en 17 meses; las herramientas que el estudiante deberá conocer o aprender con apoyo del asesor son: • Teoría de control aplicada, control digital de sistemas electrónicos. • Electrónica de potencia: funcionamiento de convertidores CA/CD, CD/CA, CD/CD, y CA/CA con

aislamiento en media frecuencia. • Principios de operación de convertidores conectados a red, redes inteligentes y generación

fotovoltaica distribuida. • Simulación en PSIM, PSPICE de Cadence, y Simulink. • Conocimientos de electrónica analógica y electrónica digital. • Inglés (lectura y escritura de documentos técnicos). • El trabajo se desarrollará en el Laboratorio de Calidad de Energía Eléctrica y Control de Motores, y el

financiamiento del prototipo será con cargo a los proyectos del asesor. • Compromiso y ganas de trabajar (>50 hrs/semana)

Actividades y calendario propuesto La distribución del trabajo será de la siguiente forma:

Aspectos de diseño de convertidores, simulación y modelado: 20 % Diseño e implementación del esquema de control: 20 % Diseño y puesta en operación del convertidor: 20 % Evaluación experimental: 40%

Las actividades consideradas son:

1. Análisis y búsqueda bibliográfica. 2. Cubrir cursos académicos. 3. Análisis de convertidores fotovoltaicos para operación en microrredes y basados en estructuras

CD/CA 4. Análisis de condiciones de operación para integrar un inversor interactivo a la microrred. 5. Síntesis de estrategias de operación del inversor interactivo. 6. Diseño, desarrollo y construcción del inversor interactivo integrado a la microrred. 7. Programación del sistema de control del inversor interactivo. 8. Evaluación experimental. 9. Escritura de artículo de congreso y/o revista internacional. 10. Escritura de documentos de avance de tesis y del documento de tesis. 11. Presentación de avances de tesis, examen previo y examen de grado.

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Tabla 1. Calendario de Actividades.

Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago 1 X X X X X X X X 2 X X X X X X X X 3 X X X X X 4 X X X X 5 X X 6 X X X X 7 X X X 8 X X X X X 9 X X

10 X X X X X X 11 X X X X Referencias 1. Blaabjerg, F.; Iov, F.; Kerekes, T.; Teodorescu, R.; “Trends in Power Electronics and Control of

Renewable Energy Systems”, Power Electronics and Motion Control Conference (EPE/PEMC), 2010 14th International, pp. K-1- K-19.

2. Wan, Cheng; Huang, Meng, K. Tse, Chi, Ruan, Xinbo, “Stability of interacting grid-connected power converters”, J. Mod. Power Syst. Clean Energy, Vol. 1, Issue: 3, 2013, pp. 249-257.

3. Aganza-Torres, A; Cárdenas, V; Miranda-Vidales, H; Alcalá, J.; “Decoupling capacitor minimization in HF-link single-phase cycloconverter based microinverter,” Solar Energy, vol. 105, July 2014, pp. 590-602.

4. A. Aganza-Torres, V. Cárdenas, M. Pacas, “Single-Phase MISO HF-link Isolated Grid-Connected Inverter for Renewable Energy Sources Applications,” International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management PCIM 2015, Nuremberg, Germany, pp. 1-8, 19 – 21 May 2015.

5. J. L. Duarte, M. Hendrix and M. G. Simoes, "Three-Port Bidirectional Converter for Hybrid Fuel Cell Systems," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 22, no. 2, pp. 480-487, March 2007.

6. C. Zhao, S. D. Round and J. W. Kolar, "An Isolated Three-Port Bidirectional DC-DC Converter With Decoupled Power Flow Management," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 23, no. 5, pp. 2443-2453, Sept. 2008.

7. V. Nag Someswar Rao Jakka; A. Shukla; G. Demetriades, "Dual-Transformer based Asymmetrical Triple-Port Active Bridge (DT-ATAB) Isolated DC-DC Converter," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017. Accepted for publication.

8. V. N. S. R. Jakka and A. Shukla, "A triple port active bridge converter based multi-fed power electronic transformer," 2016 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Milwaukee, WI, 2016, pp. 1-8.

9. R. Kasashima, S. Nakagawa, K. Nishimoto, Y. Kado and K. Wada, "Power loss analysis of 10kW three-way isolated DC/DC converter using SiC-MOSFETs as a power routing unit for constructing 400V DC microgrid systems," IECON 2016 - 42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Florence, 2016, pp. 1394-1399.

10. H. Kim, T. Yu and S. Choi, " Indirect Current Control Algorithm for Utility Interactive Inverters in Distributed Generation Systems," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 23, no. 3, pp. 1342-1347, May 2008.

11. D. S. Ochs, B. Mirafzal and P. Sotoodeh, " A Method of Seamless Transitions Between Grid-Tied and Stand-Alone Modes of Operation for Utility-Interactive Three-Phase Inverters," in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 50, no. 3, pp. 1934-1941, May 2014.

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12. Juan Carlos Coronado Vázquez. “Sistema de Almacenamiento de Energía con Enlace en Media Frecuencia Basado en el Convertidor de Doble Puente Activo”. Maestría en Ingeniería Eléctrica. UASLP, 14 de diciembre de 2018.

13. Fernando Isidoro Quiroz Vázquez. “Desarrollo de un Inversor Fotovoltaico con Funciones Autónoma para Generación Eléctrica Distribuida”. Maestría en Ingeniería Eléctrica. UASLP, 13 de diciembre de 2019.

14. Juan Alejandro González Rivera. “Desarrollo de Implementación de una Microrred Aislada con Generación Fotovoltaica”. Maestría en Ingeniería Eléctrica. UASLP, 27 de febrero de 2020.

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Propuesta de tema de tesis 2

Integración de un Simulador Eólico Interconectado a una Microrred Eléctrica Experimental

Director: Dr. Víctor Manuel Cárdenas Galindo

Áreas de interés: Electrónica de Potencia, Microrredes Eléctricas Inteligentes, Máquinas Eléctricas

Calidad de Energía, Sistemas de Control Opciones del posgrado: EP-FAE, CA. Antecedentes Hoy en día las microrredes eléctricas aisladas han llegado a ser una realidad en un escenario donde las fuentes de energía renovables, la generación distribuida y los sistemas de almacenamiento se pueden conjugar e integrar para la operación de los sistemas eléctricos. Estos conceptos se han desarrollado no sólo en los aspectos ambientales y sociales, sino también en las políticas económicas y energéticas de los países. La variación natural de algunas fuentes de energía renovable como los sistemas fotovoltaicos y eólicos, implican un reto operativo al ser incorporadas en la generación distribuida. Es posible predecir la potencia que se puede obtener a partir de estas fuentes de energía, pero no hay certeza de que se conseguirá día a día el nivel de generación deseado. De aquí que sea fundamental el conocer y entender los mecanismos de operación adecuados para garantizar la operación de microrredes eléctricas con múltiples sistemas de generación distribuida, con particular atención en los sistemas de energía renovable y almacenamiento de energía. En este trabajo de tesis se plantea la puesta en operación del sistema de control de un convertidor de electrónica de potencia para integrar un simulador eólico en un microrred experimental de baja tensión. Objetivo Desarrollar e implementar el sistema de control de un convertidor Back to Back (BTB) para operar un simulador eólico basado en una máquina doblemente alimentada y su interconexión a una microrred eléctrica de CA. Contribución La contribución del trabajo está enfocada a apoyar el desarrollo de una microrred eléctrica experimental basada en sistemas eólicos, fotovoltaicos y con almacenamiento de energía, profundizando en el conocimiento de sus retos operativos de gestión y operación. En la figura 3 se muestra el esquema propuesto para su estudio e implementación. Se parte de la base de una máquina doblemente alimentada acoplada a un motor de corriente directa para emular perfiles de generación eólica y acoplar su funcionamiento a una microrred de CA. La microrred está integrada por sistemas fotovoltaicos, un sistema de almacenamiento de energía y un grupo de cargas eléctricas. La microrred está conectada a la red eléctrica principal del laboratorio, y existe un mecanismo de desconexión (interruptor estático de transferencia) para su operación en forma aislada.

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Fig. 3. Integración del simulador eólico empleando un convertidor Back to Back a la Microrred de CA del LABCECCM.

Alcances y objetivos particulares • Desarrollar los algoritmos de control para un convertidor Back to Back para operar un simulador

eólico. • Determinar los mecanismos necesarios para el control y balance de energía. • Programar los algoritmos de control en un banco de pruebas, a través de su implementación en un

sistema de control basado en Dspace y un DSP. • Evaluar el desempeño de operación del sistema puesto en marcha e interconectado a una microrred. • Generar un banco de pruebas que permita desarrollos posteriores en el área de convertidores de

electrónica de potencia para operación en microrredes inteligentes. La implementación del banco de pruebas integra un equipo ya existente en el Laboratorio. El trabajo considera la puesta en operación del sistema empleando resultados de investigación de trabajos ya desarrollados a través de trabajos de tesis previos. Se cuenta con un par motor CD – generador CA doblemente implementado, así como una microrred de CA a nivel laboratorio. La potencia nominal del convertidor BTB es de 3 kW, 220 Vrms, 60 Hz, trifásico. El sistema de gestión y control de energía en el convertidor BTB estará basado en un esquema ya reportado en la literatura, y se empleará como plataforma de control un sistema basado en un DSP y Dspace.

CD

CAInterruptor estático de

transferencia

Red Eléctrica

Carga eléctrica

Carga eléctrica

Carga eléctrica

Paneles solares

Red de CA

Microrred de Laboratorio

Inversor fotovoltaico

(convencional)CA

CDCA

CA

CD

TESIS

CA

CD

1 hi i+

2i

Almacenamiento de energía

I hIi i+

Inversor Interactivo

μredv• Perfiles de

viento• Generación

potencia activa

CA

CD

Paneles solares

Emulador Eólico

Inversor fotovoltaico (funciones

autónomas)

Paneles solares

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Duración y conocimientos necesarios El tema de tesis está planteado para desarrollarse en 17 meses; las herramientas que el estudiante deberá conocer o aprender con apoyo del asesor son: • Teoría de control aplicada, control digital de sistemas electrónicos. • Electrónica de potencia: principios de funcionamiento de convertidores CA/CD, CD/CA, CD/CD, y

CA/CA con aislamiento en media frecuencia. • Principios de operación de convertidores conectados a red, redes inteligentes y máquinas eléctricas. • Simulación en PSIM, Altium, PSPICE de Cadence, y Simulink. • Conocimientos de electrónica analógica y electrónica digital. • Inglés (lectura y escritura de documentos técnicos). • El trabajo se desarrollará en el Laboratorio de Calidad de Energía Eléctrica y Control de Motores, y el

financiamiento del prototipo será con cargo a los proyectos del asesor. • Compromiso y ganas de trabajar (>50 hrs/semana)

Actividades y calendario propuesto La distribución del trabajo será de la siguiente forma:

Aspectos de diseño de convertidores, simulación y modelado: 20 % Diseño e implementación del sistema de control: 30 % Puesta en operación del convertidor BTB con la máquina doblemente alimentada: 15 % Evaluación experimental: 35%

Las actividades consideradas son:

1. Análisis y búsqueda bibliográfica. 2. Cubrir cursos académicos. 3. Análisis de convertidores CA/CD/CA para control de máquinas doblemente alimentadas. 4. Análisis de condiciones de operación para integrar el sistema BTB a la microrred del laboratorio. 5. Síntesis de estrategias de operación y control del convertidor BTB para reproducir perfiles de viento. 6. Programación del sistema de gestión de energía. 7. Integración de los algoritmos de control en el convertidor BTB 8. Evaluación experimental. 9. Escritura de artículo de congreso y/o revista internacional. 10. Escritura de documentos de avance de tesis y del documento de tesis. 11. Presentación de avances de tesis, examen previo y examen de grado.

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Tabla 2. Calendario de Actividades.

Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago 1 X X X X X X X X 2 X X X X X X X X 3 X X X X X 4 X X 5 X X X X 6 X X X X 7 X X X 8 X X X X X 9 X X

10 X X X X X X 11 X X X X Referencias 1. Blaabjerg, F.; Iov, F.; Kerekes, T.; Teodorescu, R.; “Trends in Power Electronics and Control of

Renewable Energy Systems”, Power Electronics and Motion Control Conference (EPE/PEMC), 2010 14th International, pp. K-1- K-19.

2. Wan, Cheng; Huang, Meng, K. Tse, Chi, Ruan, Xinbo, “Stability of interacting grid-connected power converters”, J. Mod. Power Syst. Clean Energy, Vol. 1, Issue: 3, 2013, pp. 249-257.

3. J. L. Duarte, M. Hendrix and M. G. Simoes, "Three-Port Bidirectional Converter for Hybrid Fuel Cell Systems," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 22, no. 2, pp. 480-487, March 2007.

4. C. Zhao, S. D. Round and J. W. Kolar, "An Isolated Three-Port Bidirectional DC-DC Converter With Decoupled Power Flow Management," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 23, no. 5, pp. 2443-2453, Sept. 2008.

5. R. Kasashima, S. Nakagawa, K. Nishimoto, Y. Kado and K. Wada, "Power loss analysis of 10kW three-way isolated DC/DC converter using SiC-MOSFETs as a power routing unit for constructing 400V DC microgrid systems," IECON 2016 - 42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Florence, 2016, pp. 1394-1399.

6. Juan Carlos Coronado Vázquez. “Sistema de Almacenamiento de Energía con Enlace en Media Frecuencia Basado en el Convertidor de Doble Puente Activo”. Maestría en Ingeniería Eléctrica. UASLP, 14 de diciembre de 2018.

7. I. López-García, G. Espinosa-Pérez, V. Cárdenas, “Power Control of a Doubly-fed Induction Generator Connected to The Power Grid,” International Journal of Control, vol. 92, pp. 1471-1480. Jul. 2019.

8. J. Almaguer, V. Cárdenas, A. Aganza-Torres, M. González, J. Alcalá, "A Frequency-Based LCL Filter Design and Control Considerations for Three-Phase Converters for Solid State Transformer Applications," Electrical Engineering, vol. 101, pp. 545-558. Jun 2019

9. A. Aganza-Torres, V. Cárdenas, M. Pacas, "Generalized Average Model for High-Frequency Link Multiport Grid-Connected DC/AC Converters," International Journal of Electrical Power and Energy Systems, vol. 107, pp. 344-351. May 2019.

Propuesta de Tema de Tesis de Maestría en Ingeniería EléctricaOpción: Electrónica de Potencia - Control Automático

Modelado y control de un microinversor para aplicaciones de generación

solar fotovoltaica.

Director de Tesis:Dr. Homero Miranda Vidales,

[email protected]

Áreas de interés: Electrónica de Potencia, Convertidores Modulares Multinivel, Calidad de la Energía, Modelado y

Simulación de Sistemas Electrónicos de Potencia, Control lineal, Control no lineal.

Propuesta

Los sistemas de generación solar fotovoltaica han ganado cada vez más popularidad dentro delos esquemas de generación renovable. En los últimos años la capacidad instalada ha crecido sustan-cialmente, principalmente por la reducción de costos en los módulos-paneles fotovoltaicos. Tradicio-nalmente los sistemas de generación fotovoltaica se clasifican en cuatro grandes grupos: sistema conconvertidor centralizado, de convertidores en cadena o multicadena, y los basados en microinversores.Esta última consiste en un convertidor dedicado a un módulo o panel fotovoltaico con capacidad deintegración directa a red; mejorando el máximo punto de extracción de potencia dado que se manejade forma individual ante nublados parciales. En esta propuesta de tesis se plantea realizar el mode-lado y control de un convertidor con enlace en media frecuencia para sistemas de generación solarfotovoltaica.

Propuesta de Tema de Tesis de Maestría en Ingeniería EléctricaOpción: Electrónica de Potencia - Control Automático

Esquemas de control para un convertidor formador back to back NPC en

microrredes.

Director de Tesis:Dr. Homero Miranda Vidales,

[email protected]

Áreas de interés: Electrónica de Potencia, Convertidores Modulares Multinivel, Calidad de la Energía, Modelado y

Simulación de Sistemas Electrónicos de Potencia, Control lineal, Control no lineal.

Propuesta

Los convertidores multinivel están formados por un arreglo de semiconductores y condensado-res como fuentes de alimentación o fuentes de tensión reguladas basadas en rectificadores con diodos.La forma de onda de salida está formada de varios niveles de tensión y mediante los diferentes estadosde conmutación en los interruptores permiten una suma secuencial de los niveles de tensión de cadaarreglo. La forma de onda en las terminales del convertidor puede ser de alta tensión, mientras quelos interruptores soportan sólo la tensión de la fuente de cd. La forma de onda que los convertidoresmultinivel es de baja distorsión armónica por lo que el filtro que se conecta a la salida del mismo tienea ser menor por lo que la respuesta dinámica del mismo incrementa.

De lo anterior en esta propuesta de tesis se plantea realizar el estudio, modelado y control de unconvertidor formador BTB–NPC con filtro LCL de salida para la interconexión de microrredes asíncro-nas.

Las microrredes comprenden sistemas de distribución en baja tensión junto con fuentes de ge-neración distribuida, así como dispositivos de almacenamiento. La microrred puede ser operada tantoen modo no autónomo como autónomo.

La operación de sus elementos puede proporcionar beneficios globales al sistema si se gestionany coordinan de manera eficiente. Dentro de la óptica de la red principal una microrred puede obser-varse como una entidad controlada que puede ser operada como sí de una única carga o generadoragregado se tratase y que, si fuera económicamente viable, podría funcionar como fuente de energíaa incorporar a la red o como un medio para proporcionar servicios auxiliares que contribuyese a laestabilidad y regulación de la red principal. Además el impacto externo de la microrred en la red dedistribución externa es mínimo siempre que dentro de la microrred se consiga el equilibrio entre ge-neración y consumo, a pesar de disponer de un nivel de generación potencialmente significativo defuentes de energía intermitentes. Así pues, con la adopción del sistema de microrredes se incremen-ta la penetración de las energías renovables dentro del sistema de distribución. Las microrredes secomponen básicamente de los siguientes elementos:

Una red de distribución en baja tensión en la que se conectan una serie de fuentes de energíadistribuidas para proporcionar electricidad a un conjunto de consumidores

Infraestructura de comunicación local

Sistema de control jerárquico y de gestión

Sistemas de almacenamiento de energía

Controladores inteligentes para cargas y consumos

Modelo de admitancia nodal en el dominio de Laplace de un sistema fotovoltaico para estudios de transitorios electromagnéticos de grandes parques fotovoltaicos.


Introducción La interacción entre los sistemas de generación que requieren inversores controlados y la red eléctrica produce fenómenos que atípicamente se presentan en redes convencionales. Esto es debido, entre otras cosas, a que estos sistemas de generación no tienen intrínsecamente la capacidad de almacenamiento de energía como los grandes generadores convencionales a través sus inercias combinadas ni la disponibilidad de la fuente primaria de energía. Asimismo, debido a la poca inercia de estos nuevos sistemas, se presentan constantes de tiempo muy pequeñas que excitan grandes anchos de banda del sistema eléctrico, lo que a su vez puede llevar a excitar modos de oscilación inestables de alta frecuencia; además de los de baja frecuencia [1]–[4]. Estas diferencias entre los sistemas de generación convencionales y los sistemas de generación con interfases de electrónica de potencia llevan también a diferentes comportamientos en estado estacionario y transitorio.

Es específico el estudio de transitorios electromagnéticos, es común hacerlo en el dominio del tiempo debido a que los simuladores profesionales de redes eléctricas y electrónicas están desarrollados en ese dominio; los modelos de transitorios electromagnéticos requieren anchos de banda de hasta 50 MHz. La mayoría de los simuladores comerciales usan enfoques de modelado basados en los equivalentes Norton propuestos por H. Dommel [5]. La razón principal es que bajo este enfoque se pueden construir fácilmente los modelos dinámicos del sistema utilizando el ampliamente conocido enfoque nodal [6]. Un problema de este enfoque en el dominio del tiempo, es que los componentes con parámetros distribuidos y dependientes de la frecuencia deben ser representados con aproximaciones mediante funciones racionales, y en algunos casos también con retardos múltiples; por ejemplo, del modelo digital de la línea propuesto por H. Dommel en 1969 [5] al modelo actualmente considerado como el más completo de línea de transmisión propuesto por Morched et al. [7] pasaron 30 años. Sin embargo, este requiere de las aproximaciones antes mencionadas.

Para el estudio de transitorios electromagnéticos, tales como energizaciones, reenergizaciones, cortocircuito serie y paralelo, por mencionar algunos, una alternativa es el modelado y solución directamente en el dominio de la frecuencia, para su posterior conversión al dominio del tiempo a través de la transformada rápida de Fourier inversa con

funciones amortiguadas. Este algoritmo es conocido como la transformada numérica de Laplace [8], [9], y es un herramienta muy rápida y flexible para los estudios antes mencionados.

Una ventaja del modelar sistemas eléctricos directamente en el dominio de la frecuencia es que puede recurrirse a la formulación nodal por medio de la matriz de admitancias nodales y que no se requieren aproximaciones de sus funciones, que comunmente no son racionales. En este enfoque, la construcción del modelo es sistemática y pueden aplicarse reducciones de red a través del método de Kron, lo que significa que puede aplicarse a redes de gran escala con cientos o miles de nodos sin pérdidas de información en el proceso debido a aproximaciones [10].

En esta propuesta de tesis se busca desarrollar un modelo de admitancia en el dominio de Laplace de un sistema fotovoltaico conectado a la red eléctrica, orientado al estudio de transitorios electromagnéticos de sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica en media y alta tensión. Este proyecto de tesis se realizará dentro de las actividades de trabajo del IEEE-PES Task Force on Frequency Domain Methods for Electromagnetic Transient Studies [11].

Objetivo general Modelar en el dominio de Laplace por medio del modelo de admitancia un sistema fotovoltaico trifásico conectado a la red, incluyendo el panel, los convertidores, los filtros pasivos y todos los controles asociados para su posterior aplicación a grandes parques fotovoltaicos.

Objetivos particulares Obtener un modelo de admitancia en el dominio de Laplace de un sistema

fotovoltaico que permita incorporar retardos de comunicación en los sistemas de control, retardos debidos a los tiempos de viaje de las ondas viajeras en los conductores de potencia, y parámetros distribuidos dependientes de la frecuencia.

Comparar el modelo con las soluciones dadas por programas comerciales de simulación, tales como PSCAD, simulink, ATP, RSCAD, entre otros.

Aplicar el modelo a un sistema con múltiples unidades de generación fotovoltaica y evaluar su desempeño contra las soluciones convencionales en el dominio del tiempo.

Realizar un estudio estadístico de transitorios electromagnéticos debidos a la conexión y desconexión de la red eléctrica y evaluar su desempeño computacional contra los enfoques de solución tradicionales.

Metodología 1. Obtener el modelo dinámico de un sistema de generación fotovoltaico en dominio

del tiempo con sus controles asociados. 2. Llevar al dominio del Laplace el sistema del paso anterior. Considerar cada uno de

los componentes explícitamente representados. 3. Formular un modelo de admitancia nodal en el dominio de Laplace del sistema del

paso anterior. 4. Evaluar el desempeño del modelo del paso anterior contra simuladores

profesionales. 5. Desarrollar una metodología para la integración masiva de unidades de generación

fotovoltaica en el modelo de admitancia nodal en el dominio de Laplace. 6. Realizar el estudio estadístico de sobrevoltajes de conmutación debidos a la

conexión y desconexión de la red del sistema de fotovoltaico.

Bibliografía [1] J. Segundo-Ramirez, A. Bayo-Salas, M. Esparza, J. Beerten, and P. Gómez, “Frequency Domain Methods

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[4] J. Segundo-Ramírez, A. Medina, A. Ghosh, and G. Ledwich, “Stability boundary analysis of the dynamic voltage restorer in weak systems with dynamic loads,” Int. J. Circuit Theory Appl., vol. 40, no. 6, pp. 551–569, 2012, doi: 10.1002/cta.742.

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[6] J. Grainger and W. Stevenson, Power System Analysis, Edición: 1. New York: McGraw-Hill Education, 1994.

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[8] P. Gómez and F. A. Uribe, “The numerical Laplace transform: An accurate technique for analyzing electromagnetic transients on power system devices,” Int. J. Electr. Power Energy Syst., vol. 31, no. 2–3, pp. 116–123, Feb. 2009, doi: 10.1016/j.ijepes.2008.10.006.

[9] P. Moreno and A. Ramirez, “Implementation of the Numerical Laplace Transform: A Review,” IEEE Trans. Power Deliv., vol. 23, no. 4, pp. 2599–2609, 2008, doi: 10.1109/TPWRD.2008.923404.

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[11] “IEEE PES Task Force on Frequency Domain Methods for Electromagnetic Transient Studies | IEEE PES Task Force on Frequency Domain Methods for Electromagnetic Transient Studies.” [Online]. Available: https://site.ieee.org/pes-fdmets/. [Accessed: 08-Mar-2020].

Control oscilaciones de potencia usando plantas fotovoltaicas y eólicas


Introducción Las generación fotovoltaica y eólica se interconecta a la red eléctrica por medio de inversores de electrónica de potencia. Estos inversores tienen como objetivos principales el flujo de potencia activa y reactiva. Con el flujo de potencia reactiva se pueden alcanzar indirectamente otros objetivos como la regulación del voltaje o del factor de potencia en el nodo de interconexión [1]–[4].

Durante los horarios en que no se genera debido a la ausencia de viento o irradiancia, los inversores no aportan ni potencia activa ni reactiva a la red eléctrica; sin embargo, tienen capacidad de seguir intercambiando reactivos con la red eléctrica. Por ejemplo, durante horarios de no generación y de baja demanda los inversores pueden demandarle reactivos a la red para contrarrestar las elevaciones de voltaje debidas a la baja carga. Por otro lado, también puede inyectar reactivos a la red para compensar las caídas de tensión debidas a grandes demandas. En estos horarios de no generación, el inversor puede usar toda su capacidad nominal para estos propósitos de compensación [5].

Durante los horarios de generación, los inversores pueden también intercambiar reactivos con la red eléctrica; sin embargo, solo lo pueden hacer parcialmente. Durante algunos horarios de generación, ésta requiere de toda la capacidad de los inversores, por lo que no se tiene capacidad para estas funciones extras de compensación.

Un efecto colateral en la operación del sistema eléctrico de potencia debió a la interconexión de este tipo de sistemas de generación es la pérdida de su porcentaje de inercia respecto a la capacidad de generación instalada [6], [7]. Esto lleva a que los sistemas con incorporación de grandes bloques de generación con interconexión a través de inversores presenten oscilaciones de potencia con amortiguamiento pobre o no amortiguadas, en el peor de los casos.

El propósito de esta tesis es incluir la función POD (power oscillation damping, por sus siglas en inglés) en un parque fotovoltaico o eólico y evaluar el desempeño del sistema por medio de análisis matemáticos y simulaciones digitales [8]–[11]. Este proyecto surge de una necesidad específica del sistema eléctrico mexicano y se desarrollará en colaboración con el Departamento de Estudios Especializados del Centro Nacional de Control de Energía

(CENACE). En específico, el POD es un modo de operación que se debe integrar a los controles nominales para que los inversores de la plantas fotovoltaicas o eólicas puedan aportar servicios auxiliares para apoyar a la red eéctrica brindando soporte dinámico de reactivos para mitigar rápidamente oscilaciones de potencia. Además del POD, debe diseñarse un selector que automáticamente elija el modo de operación de las plantas y diseñar también una estratégia para incorporar esta función a plantas ya instaladas.

Objetivo general Incluir la función de amortiguamiento de oscilaciones de potencia en un parque eólico o fotovoltaico.

Objetivos particulares Controlar los inversores coordinadamente de manera que se comporten como un

equivalente. Proponer de qué manera pudiera agregarse esta función a los parques que ya

están en operación.

Metodología 1. Implementar a nivel simulación una planta eólica o fotovoltaica con cada uno de

sus inversores explícitamente representados para poder considerar la asincronía entre ellos y su efecto en desempeño del POD.

2. Desarrollar un control POD para oscilaciones de baja y alta frecuencia. 3. Desarrollar un algoritmo selector para la elección automática del modo de

operación del parque. 4. Implementar lo desarrollado en los pasos 2 y 3 en el paso 1. 5. Evaluar estadísticamente la efectividad del POD.

Bibliografía [1] A. Esparza, J. Segundo, C. Nuñez, N. Visairo, E. Barocio, and H. García, “Transient Stability Enhancement

Using a Wide-Area Controlled SVC: An HIL Validation Approach,” Energies, vol. 11, no. 7, p. 1639, Jul. 2018, doi: 10.3390/en11071639.

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Efecto del equivalente de red y del ancho de banda del PLL en la estabilidad armónica de inversores PWM


Introducción La integración de fuentes de energía renovable a la red eléctrica se realiza por medio de inversores de electrónica de potencia. Estos a su vez requieren de esquemas de control para la sincronización con la red eléctrica de corriente alterna. Estos controles con conocidos como PLL (phase-locked loop, por sus siglas en inglés). Algunos resultados preliminares sugieren que este sistema de control es uno de los eslabones más débiles en el sistema completo de control de las unidades de generación interconectadas con inversores PWM [1]–[6].

Por otro lado, el equivalente de red varía constantemente durante el día y a lo largo del año, debido a las variaciones de carga durante el día, a la reconfiguración del sistema de transmisión y distribución, y debido a los cambios de demanda en las diferentes estaciones del año. Se ha reportado ampliamente en la literatura que estas variaciones del equivalente de la red tienen efectos adversos en la estabilidad de baja frecuencia y en la calidad de la energía de este tipo de sistemas [7]–[14].

En esta propuesta de tesis se busca evaluar cualitativa y cuantitativamente el efecto del equivalente de red y del PLL en la estabilidad armónica del sistema, a través del análisis parámetros de los elementos del equivalente de red y del PLL. Se busca con esto, determinar qué parámetros son los que más influyen negativamente y su relación con los objetivos y referencias de operación.

Objetivo general Determinar las consideraciones pragmáticas que permiten el ajuste del PLL para una operación libre de oscilaciones de alta y baja frecuencia dentro de una región específica del equivalente de red.

Objetivos particulares Determinar la relación entre la velocidad de respuesta del PLL, su estabilidad, su

retroalimentación de armónicos de conmutación y de fondo, y el equivalente de red.

Determinar las consideraciones para la correcta sintonización del PLL en redes rígidas, débiles y muy débiles.

Metodología 1. Definir y modelar un sistema de estudio por medio de ecuaciones diferenciales y

que incluya un equivalente de red dependiente de la frecuencia, un PLL y un sistema de control del inversor. El sistema será trifásico y se considerará balanceado.

2. Implementar a nivel simulación este modelo, tanto en ABC como en dq, con y sin armónicos.

3. Aplicar análisis de pequeña señal y el cálculo de diagramas de bifurcaciones para la realización de los análisis de estabilidad armónica.

4. Comparar los resultados del paso anterior con un análisis estadístico basado en múltiples corridas en el dominio del tiempo.

Bibliografía [1] C. Zhang, X. Wang, and F. Blaabjerg, “Analysis of phase-locked loop influence on the stability of single-

phase grid-connected inverter,” in 2015 IEEE 6th International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG), 2015, pp. 1–8, doi: 10.1109/PEDG.2015.7223089.

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[3] J. Xu, Q. Qian, B. Zhang, and S. Xie, “Harmonics and Stability Analysis of Single-Phase Grid-Connected Inverters in Distributed Power Generation Systems Considering Phase-Locked Loop Impact,” IEEE Trans. Sustain. Energy, vol. 10, no. 3, pp. 1470–1480, Jul. 2019, doi: 10.1109/TSTE.2019.2893679.

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[6] J. Z. Zhou, H. Ding, S. Fan, Y. Zhang, and A. M. Gole, “Impact of Short-Circuit Ratio and Phase-Locked-Loop Parameters on the Small-Signal Behavior of a VSC-HVDC Converter,” IEEE Trans. Power Deliv., vol. 29, no. 5, pp. 2287–2296, Oct. 2014, doi: 10.1109/TPWRD.2014.2330518.

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[9] J. Segundo-Ramírez, A. Medina, A. Ghosh, and G. Ledwich, “Stability boundary analysis of the dynamic voltage restorer in weak systems with dynamic loads,” Int. J. Circuit Theory Appl., vol. 40, no. 6, pp. 551–569, 2012, doi: 10.1002/cta.742.

[10] J. Segundo-Ramírez, A. Medina, A. Ghosh, and G. Ledwich, “Non-linear Oscillations Assessment of the Distribution Static Compensator Operating in Voltage Control Mode,” Electr. Power Compon. Syst., vol. 38, no. 12, pp. 1317–1337, Sep. 2010, doi: 10.1080/15325001003670936.

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[12] J. Sun, “Impedance-Based Stability Criterion for Grid-Connected Inverters,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 26, no. 11, pp. 3075–3078, Nov. 2011, doi: 10.1109/TPEL.2011.2136439.

[13] D. Yang, X. Wang, F. Liu, K. Xin, Y. Liu, and F. Blaabjerg, “Symmetrical PLL for SISO Impedance Modeling and Enhanced Stability in Weak Grids,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 35, no. 2, pp. 1473–1483, Feb. 2020, doi: 10.1109/TPEL.2019.2917945.

[14] D. Yang, X. Wang, and F. Blaabjerg, “Fast Power Control for VSCs to Enhance the Synchronization Stability in Ultra-Weak Grids,” in 2018 IEEE Power Energy Society General Meeting (PESGM), 2018, pp. 1–6, doi: 10.1109/PESGM.2018.8586308.

Análisis de fallas asimétricas y simétricas en aerogeneradores tipo IV

Introducción Los aerogeneradores son conectados a la red eléctrica a través de transformadores elevadores ∆Y, a veces con la conexión Y del lado del aerogenerador. Por medio de alimentadores, líneas de transmisión o cables, la potencia es llevada a una subestación en la que se concentra la de todos los aerogeneradores, para interconectarse a la red eléctrica por medio de otro trasformador elevador ∆Y, con la conexión Y del lado de la red. Esto deja sin referencia de tierra al circuito de media tensión que va de los aerogeneradores a la subestación. Para remediar este problema, en este circuito se suele conectar un transformador zig-zag y bancos de compensación.

El propósito de este tema de tesis es evaluar las componentes simétricas instantáneas y de estado estacionario de voltajes y corrientes ante condiciones de cortocircuito simétrico y asimétrico. Además, determinar los límites teóricos de sobrevoltaje ante fallas asimétricas que involucren tierra. En específico se considera solo analizar los generadores de imanes permanentes tipo 4. Algunas referencias importantes sobre el tema son [1]–[6]. En la referencia [7] se presenta un interesante y simple análisis sobre las corrientes de cortocircuito en inversores, que comúnmente son utilizados para interconectar aerogeneradores a la red eléctrica.

Problema y alcances Debido a que los generadores síncronos de imanes usados en aerogeneradores son ligeros, se espera que su voltaje de nodo interno pueda cambiar durante los primeros ciclos después de la falla. Entonces, se busca determinar las corrientes de cortocircuito balanceadas y desbalanceadas en un parque eólico con aerogeneradores síncronos de imanes permanentes con configuración tipo 4, así como los voltajes durante condiciones de cortocircuito. El modelado del sistema se hará en la plataforma de simulación digital PSCAD [8] y/o RSCAD [9], y se utilizarán modelos detallados.

Objetivo general Determinar el comportamiento de las corrientes de cortocircuito simétricas y asimétricas en plantas de generación con máquinas síncronas de imanes permanentes con configuración tipo 4.

Objetivos particulares Determinar si los aerogeneradores se pueden modelar como una fuente de nodo interno

fijo en serie con una reactancia equivalente ante condiciones de cortocircuito. En sudefecto, proponer un modelo apropiado para el cálculo de la corriente de cortocircuitousando la teoría de componentes simétricas.

Evaluar el comportamiento de las corrientes y voltajes en condiciones de cortocircuitoante diferentes conexiones de los transformadores y diferentes aterrizamientos.


Metodología Implementar un sistema de prueba de tres generadores interconectados a la red. Realizar un análisis numérico de diversas fallas simétricas y asimétricas en el lado de CA,

entre el convertidor del lado de la red y la subestación concentradora. Aquí el análisis sedeberá hacer utilizando la teoría de componentes simétricas.

Verificar si el aerogenerador se puede modelar igual que una máquina síncrona antecondiciones de falla.

En caso de que no, proponer un modelo de aerogenerador para estudios de cortocircuito.

Referencias [1] A. Golieva, “Low Short-Circuit Ratio Connection of Wind Power Plants,” 91, 2015. [2] A. K. Elnaggar, J. L. Rueda, and I. Erlich, “Comparison of short-circuit current contribution of

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Estudiocomparativodecontroladoresparaconvertidorescd-cdqueutilizanceldasdecombustiblecomofuentedeentrada

Asesores:

Dra.ElviaRuthPalaciosHernándezDr.LuisHumbertoDíazSaldierna(IPICYT)

AntecedentesLasceldasdecombustiblehansurgidocomograndescandidatasparaproveerenergíaeléctricaen un futuro cercano. La alta eficiencia de conversión, alta densidad de corriente, bajatemperaturadeoperación,dimensionamientoreducidoybajaemisióndecontaminantessonlasprincipalesventajasde las celdasdecombustible. Laceldadecombustibleesuna fuentequeutilizahidrogenoyoxígenoparagenerarenergíaeléctrica.LasdesventajasquepresentasonunbajoynoreguladoniveldevoltajedeCDenlasalida,unadinámicalentaynopermitealtosrizosenlacorrientedemandada,entreotras.Deacuerdoconloanterior,esnecesariolautilización de convertidores de CD-CD que actúen como interfaz para el procesamiento deenergíageneradaporlaceldadecombustible.Lasprincipalescaracterísticasquedebentenerlos convertidores de CD-CD son un amplio rango de conversión, alta eficiencia, rizos decorrientedeentradareducidosyunadinámicaadecuadaparacompensarladinámicalentadela celda de combustible. El controlador diseñado debe ser capaz de compensar erroresdinámicos y estáticos. Los controladores son diseñados comúnmente utilizandométodos decontrollinealclásico,endondeseusaelmodelolinealpromedioaproximadodelsistema,loscualestienesalgunasrestriccionesparalosdesempeñosdeseados.Tambiénsehanmejoradoestos desempeños utilizando control no lineal, los cuales ya establecieron propiedades deestabilidad,perolamayoríaesdifícilestablecersusméritosydesventajasdeestosesquemas.Eneste trabajode tesis, se realizaráunestudio comparativo (simulación y experimental) decontroladores lineales y no lineales para configuraciones de convertidores de CD-CD queutilizanunaceldadecombustiblecomofuentedeentrada.

Objetivogeneral

Realizar un estudio comparativo de al menos 4 controladores (lineales y no lineales) paraconvertidorescd-cdbásicosqueprocesen laenergíageneradaporunaceldadecombustiblecomoalimentación.

ÁreasdeinterésSistemasdecontrol,convertidoresdeCD-CD.

1

Universidad Autónoma de San Luis Potosí (UASLP) Posgrado en Ingeniería Eléctrica. Facultad de Ingeniería.

Tema de Tesis de Maestría

Estudio de Algoritmos de Seguimiento del Punto de Máxima Potencia en Inversores Fotovoltaicos Interconectados

Asesor Dr. Mario Arturo González García

[email protected]

Planteamiento del Problema

La integración de energías renovables a las redes eléctricas se está incrementando considerablemente a nivel mundial. Varios países enfocan sus esfuerzos para reducir el uso de combustibles fósiles y las emisiones de gases de efecto invernadero. No obstante, existen varios aspectos a considerar en la integración de estas energías, tales como la intermitencia, afectaciones en la calidad de la energía, tecnologías eficientes de electrónica de potencia, gestión de energía, el control inteligente de las redes y la confiabilidad en la operación de dichos sistemas.

Las topologías básicas de inversores empleadas para sistemas fotovoltaicos se encuentran bien definidas y pueden consultarse en [1]. Actualmente existen diversos fabricantes comerciales tales como SMA, Fronius, Huawei, SolarEdge, SunGrow, ABB, Enphase y Scheneider Electric, que comercializan inversores para emplearse en instalaciones fotovoltaicas, que van desde equipos que sirven para convertir la energía proporcionada por 1 o 2 paneles (200W-500W), los que manejan arreglos de 4 a 40 paneles (1kW-10kW) para aplicaciones residenciales, los que procesan 10kW-100kW en aplicaciones comerciales, hasta los que están dedicados a convertir grandes cantidades de potencia para plantas generadoras (100kW a 3MW). Los inversores comerciales cuentan ya con un grado de madurez tecnológica, cumpliendo con normas internacionales eléctricas de seguridad y de calidad. Sin embargo, actualmente existen diversos aspectos que aún se encuentran bajo investigación para mejorar el aprovechamiento de la energía solar fotovoltaica y optimizar su desempeño al interactuar con la red eléctrica. Entre ellos se puede mencionar el incrementar la eficiencia, aumentar su confiabilidad y durabilidad, agregarles funciones auxiliares, maximizar la potencia extraída de los paneles ante diferentes condiciones climatológicas y de sombreado, y el dotarlos de capacidades de gestión de energía para poder operar en redes eléctricas inteligentes.

Comúnmente, un inversor fotovoltaico debe proporcionar la máxima potencia disponible en el arreglo de paneles de acuerdo a la irradiancia solar que esté presente. Esto se logra controlando al inversor mediante un algoritmo de extracción de máxima potencia (MPPT), el cual siempre ubica el punto de operación óptimo en la curva I-V del arreglo de paneles instalado. Entre los algoritmos más empleados se encuentran el perturba-observa y el de conductancia incremental, aunque existen una diversidad de algoritmos [2]-[6]. No obstante, en las denominadas redes eléctricas inteligentes que serán necesarias en el futuro (Figura 1), se vuelve necesaria la capacidad de operar dentro de sistemas operadores de gestión de energía, con lo cual se pretende controlar los flujos de energía entre generadores, almacenamientos de energía, cargas y redes eléctricas de manera tal que se logre un fin específico, como por ejemplo maximizar o minimizar la energía generada, almacenamiento

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programado en distintos horarios, accionamiento horario de cargas, y control dirigido del consumo en cargas. Por lo tanto, dependiendo de las condiciones de operación de la red, es posible que a un inversor fotovoltaico se le demande que no inyecte la potencia máxima disponible, sino un porcentaje más bajo de acuerdo con las necesidades de gestión de energía en la red. Este trabajo de tesis tiene la finalidad de abordar esta temática, al estudiar los algoritmos MPPT existentes y realizar una propuesta que sea capaz de operar con las características mencionadas.

Fig. 1. Esquema de una microrred que contiene inversores fotovoltaicos con capacidades de gestión de energía.

Objetivo de la tesis

Realizar un estudio comparativo de los algoritmos de seguimiento del punto de máxima potencia más comunes en inversores fotovoltaicos, y en base a éste proponer un algoritmo modificado para operar en microrredes eléctricas con gestión de energía, que sea capaz de operar en el punto de máxima potencia y en puntos de extracción de potencia parcial.

Objetivos particulares

- Seleccionar una topología de inversor básica para aplicación residencial en baja tensión y desarrollar las estrategias de control para su operación.

- Realizar un estudio comparativo de las técnicas MPPT más comunes implementadas en la topología seleccionada, considerando al menos las denominadas perturba-observa y conductancia incremental.

- Proponer la modificación a un algoritmo MPPT para dotar al inversor con la capacidad de operar tanto en el punto de máxima potencia y como en puntos de extracción de potencia parcial.

- Obtener validación por simulación y mediante pruebas experimentales en un prototipo de laboratorio, tanto del estudio comparativo de los algoritmos MPPT, como de la propuesta generada.

Conocimientos y herramientas a emplear

• Control clásico y control digital• Electrónica de potencia• Técnicas de modulación PWM• Simuladores Matlab y/o PSIM• Manejo de plataforma digital DSP

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Cronograma de Actividades Propuesto (Mayo 2020 – Agosto 2021)

1- Revisión del estado del arte. 2- Selección de una topología de inversor. 3- Desarrollo de la estrategia de control para el sistema. 4- Estudio comparativo de técnicas de seguimiento de máxima potencia. 5- Propuesta de un algoritmo MPPT modificado. 6- Validación mediante simulación del inversor bajo distintos niveles de irradiancia solar. 7- Validación experimental. 8- Escritura de un artículo. 9- Redacción de tesis. 10- Examen previo y final de grado.

May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago 12345678910

Referencias

[1] S. Kjaer, J. Pedersen, F. Blaabjerg, “A review of single-phase grid connected inverters for photovoltaic modules”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 41, No. 5, pp. 1292-1306, Sep/Oct. 2005.

[2] H. Nademi, A. Elahidoost, and L. E. Norum, “Comparative Analysis of Different MPPT Schemes for Photovoltaic Integration of Modular Multilevel Converter”, IEEE 17th International Workshop on Control and Modeling for Power Electronics COMPEL, 27-30 Jun. 2016.

[3] S. Kundu, N. Gupta, and P. Kumar, “Review of solar photovoltaic maximum power point tracking techniques”, IICPE 7th India International Conference on Power Electronics, 17-19 Nov 2016, India.

[4] N. Zinelaabidine, M. Karim, B. Bossoufi, and M. Taoussi, “MPPT algorithm control for grid connected PV module”, International Conference on Advanced Technologies for Signal and Image Processing (ATSIP), 22-24 May 2017, Morocco, pp. 1–6.

[5] W. Xiao, A. Elnosh, V. Khadkikar, and H. Zeineldin, “Overview of maximum power point tracking technologies for photovoltaic power systems”, IECON - 37th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 7-10 Nov. 2011, Australia, pp. 3900–3905.

[6] R. Teodorescu, M. Liserre, and P. Rodriguez, Grid converters for photovoltaic and wind power systems. Hoboken, N.J: IEEE Press.

Propuesta de Tesis 1

Estudio dinámico de convertidores conmutados redundantes.

Dr. Jorge Alberto Morales Saldaña, Facultad de Ingeniería, UASLP.

Objetivo.- Realizar el análisis de convertidores conmutados redundantes en donde sedeterminaran los aspectos dinámicos de estos sistemas.

Justificación.- El desarrollo de topologías de convertidores conmutados basados en el principio deprocesamiento de potencia redundante reducida ha resultado en varias familias de convertidorespara un gran número de aplicaciones actuales. Sin embargo, solo se han presentado aspectos deoperación, características de diseño y algunos esquemas de control. Sin embargo, la obtención delos aspectos dinámicos de este tipo de convertidores pueden aportar los escenarios másconvenientes para el control de estos sistemas.

Metas.- i) Establecer las propiedades estructurales de los convertidores redundantes quesean útiles para el diseño de controladores.

ii) Establecer el escenario de comparación entre topologías basadas enconvertidores redundantes y esquemas tradicionales de convertidores desde unpunto de vista del comportamiento dinámico.

iii) Desarrollar y consolidar la línea de investigación de convertidores conmutadosredundantes y su probable extensión en estudios de doctorado.

iv) Que el alumno adquiera los conocimientos y habilidades relacionadas con

a. El modelado y análisis de convertidores conmutados CD-CD.b. Análisis de Sistemas.c. Análisis e Ingeniería de control aplicada a sistemas.

v) Elaboración de un artículo para revista indexada o congreso internacional onacional

Metodología. a) Operación y Modelado de convertidores redundantes.

b) Análisis no lineal

c) Análisis lineal.

d) Esquemas de control

e) Simulaciones y desarrollo experimental.


Procedimientos de sintonización de controladores para convertidores conmutados de alto

orden.


Objetivo.- Realizar un estudio de los diferentes esquemas de sintonización de controladoresaplicados a convertidores conmutados de alto orden.

Justificación.- el diseño de esquemas de control para convertidores conmutados de CD-CD ha sidoampliamente tratado en la literatura especialidad en donde el enfoque bajo técnicas lineales espredominante. Sin embargo, con el desarrollo de nuevas topologías de convertidores que ofrecenmayores prestaciones tales como ganancias de transformación elevadas, altas eficiencias, reducciónen el procesamiento de potencia, los modelos de las topologías resultantes presentan grandesdesafíos dado que resultan en sistemas de alto orden y con predominancia de ceros en el ladoderecho del plano. De aquí la necesidad de establecer diferentes esquemas de control así comoprocedimientos de sintonización de controladores (procedimientos ampliamente usados enaplicaciones industriales). Esto dará como resultados esquemas de control que permiten asegurarla estabilidad y regulación de los convertidores así como establecer premisas de robustez y rechazode perturbaciones.

Meta.- i) Realizar una revisión de los diferentes esquemas de control y sus procesos desintonización en la literatura especializada.

ii) establecer los criterios de clasificación de los diferentes procedimientos de diseño.

iii) Establecer el escenario para realizar ele estudio comparativo los controladorespropuestos.


a. El modelado y análisis de convertidores conmutados CD-CD.b. Procedimientos de Sintonización de Controladores.c. Consolidar la línea de investigación de convertidores conmutados y su

probable extensión en estudios de doctorado.v) Elaboración de un artículo para revista indexada o congreso internacional o

nacional

Metodología. a) Modelado y esquemas de control para convertidores conmutados.

b) Herramientas de análisis de robustez paramétrico y estructurado.

c) Marco general de análisis.

d) Simulaciones y posible desarrollo de prototipos.


Aplicación de Convertidores Conmutados usando el concepto de procesamiento parcial de

potencia en fuentes de energía renovables.


Dr. Luis Humberto Díaz Saldierna, IPICYT

Objetivo.- Realizar el análisis y control de convertidores conmutados desarrollados bajo elconcepto de procesamiento parcial de potencia aplicado a fuentes de energía renovables.

Justificación.- El desarrollo de topologías de convertidores conmutados basados en el concepto deprocesamiento parcial de potencia ha permitido obtener sistemas muy atractivos para elprocesamiento de potencia en sistemas de alimentación basados en fuentes de energía renovable.De aquí el interés en desarrollar el análisis dinámico de al menos una topología de este tipo deconvertidor, así como establecer el esquema de control para asegurar la regulación de tensión y/osatisfacer los requerimientos de operación de una fuente de alimentación de energía renovable. Coneste fin, se propone implementar un sistema de alimentación basado en celdas de combustible, estodebido a los desafíos relacionados con la dinámica lenta que presentan, asi como los requierimeintosde bajo rizo en los niveles de corriente y tensión en la salida.

Metas.- i) Realizar el estudio y análisis dinámico de una topología de convertidor basado enel procesamiento parcial de potencia.

ii) Establecer el escenario de operación, así como las especificaciones dedesempeño adecuadas a la celda de combustible.

iii) Desarrollar y consolidar la línea de investigación de convertidores conmutados ysu probable extensión en estudios de doctorado.


a. El modelado y análisis de convertidores conmutados CD-CD.b. Análisis de Sistemas.c. Análisis e Ingeniería de control aplicada a sistemas.

v) Elaboración de un artículo para revista indexada o congreso internacional onacional

Metodología.

a) Operación y Modelado de convertidores Conmutados.

b) Análisis no lineal.

c) Análisis lineal.

d) Esquemas de control.

e) Simulaciones y desarrollo experimental.

Bibliografía

Tse, C.K., Chow, M.H.L., Cheung, M.K.H.: ‘A family of PFC voltage regulator configurations with reduced

redundant power processing’, IEEE Trans. Power Electron., 2001, 16, (6), pp. 794–802

R. Loera-Palomo, J.A. Morales-Saldaña and J. Leyva-Ramos “Signal Flow Graphs for Modelling of SwitchingConverters with Reduced Redundant Power Processing”, IET POWER ELECTRONICS, 2012, 5(7), pp. 1008-1016.

R. Loera-Palomo, J.A. Morales-Saldaña and E. Palacios-Hernandez, “Quadratic Step-down DC-DCConverters based on Reduced Redundant Power Processing Approach”, IET POWER ELECTRONICS, 2013,

(6), 1, pp. 136-145

J.A. Morales-Saldaña, R. Loera-Palomo and E. Palacios-Hernandez, “Modeling and Control of DC-DCQuadratic Boost Converter with R2P2”, IET POWER ELECTRONICS, 2014, 7(1), pp. 11-22

R. Loera-Palomo, J.A. Morales-Saldaña, R. Peña-Gallardo and C. Delgado-Antillón, “Switching regulatorusing a DC–DC stepdown non-cascading converter”, IET Power Electronics, 2017, Vol. 10, No. 4, April 2017,ISSN 1755-4535, Factor de Impacto 3.547.

Analisis y diseno de observadores no lineales parala estimacion del estado de carga en baterıas

Dra. Nancy Visairo Cruz y Dr. Ciro Alberto Nunez GutierrezPosgrado en Ingenierıa Electrica

8 de marzo de 2020

1. Planteamiento del problema

En los ultimos anos, la investigacion relacionada con la supervision y monitoreo debancos de baterıas ha cobrado importancia debido a su amplio numero de aplicacionestales como vehıculos electricos, sistemas de almacenamiento de energıa alimentados porplantas de energıas renovables e interconectados a la red electrica, aplicaciones estacio-narias y moviles y sistemas de alimentacion ininterrumpible, entre otras [5], [4]. Tambien,ya que un banco de baterıas representa uno de los subsistemas de mayor inversion yuno de los mas sensibles, se vuelve relevante contar con un sistema de supervision paragarantizar su disponibilidad y buen funcionamiento para alcanzar la vida util especificadapor el fabricante. Dado el gran interes en el desarrollo de esquemas de supervision ymonitoreo, la comunidad cientıfica ha propuesto principalmente esquemas para la esti-macion del estado de carga (SOC por sus siglas en ingles) y del estado de salud (SOHpor sus siglas en ingles) ası como esquemas de diagnostico de fallas en sus sensoresprincipalmente [5] y fallas causadas por variacion de la resistencia interna de la baterıaen un banco [1], basados en el modelo de circuito electrico equivalente.

En este contexto, esta propuesta de tesis esta enfocada en desarrollar un esquemade observadores no lineales para identificar el estado de carga de bancos de baterıaspara aplicaciones estacionarias y que pueda ser implementado en una plataforma digitalpara la aplicacion de respaldo en subestaciones electricas.

2. Antecedentes

Esta ampliamente documentado que las reacciones electroquımicas en baterıas pue-den ser modeladas a traves de un circuito electrico equivalente [4], [8], [6], [7].

El Control Automatico es una disciplina que ha mostrado resultados relevantes en eldesarrollo de esquemas de supervision utilizando la teorıa de observadores, de identi-ficacion de parametros y de relaciones redundantes, para sistemas lineales y no linea-les [3], [2].

Desde 2015 el grupo de trabajo realiza investigacion relacionada con sistemas desupervision para bancos de baterıas. Actualmente, esta en desarrollo un esquema de

identificacion de SOC y SOH basado en un circuito electrico equivalente y de deteccionde anomalıas basado en reglas de toma de decisiones.

Con relacion a la identificacion del estado de carga se han desarrollado esquemasde observadores lineales, y en esta propuesta se plantea explorar la factibilidad de uti-lizar observadores no lineales considerando la complejidad en la programacion en unacomputadora industrial y su ejecucion.

3. Objetivos

Disenar e implemantar un esquema de observadores no lineales para la identificaciondel estado de carga de bancos de baterıas.

3.1. Objetivos particulares

Para alcanzar el objetivo general se proponen los siguientes objetivos particularescorrespondientes:

1. Analizar los principios basicos electroquımicos (reacciones de anodo-catodo-electrolito)de una baterıa en condiciones normales y su modelo traves de un circuito electricoequivalente.

2. Proponer, disenar y evaluar observadores no lineales para la identificacion del SOCen bancos de baterıas.

3. Validar y evaluar el desempeno del esquema propuesto en un banco de baterıaspara pruebas de factibilidad.

4. Metas

Las metas estan ordenadas de forma cronologica para dar cumplimiento a los objeti-vos particulares.

Identificar las reacciones electroquımicas de una baterıa en condiciones normalesen un circuito electrico equivalente.

Desarrollar una simulacion del modelo matematico de una baterıa de forma general,esto es, considerando distintas tecnologıas y capacidades de baterıas.

Proponer el esquema de observadores no lineales para la identificacion del SOC.

Validar el esquema de observadores a traves de simulaciones.

Acondicionar el banco de baterıas en el laboratorio para evaluar el esquema deidentificacion del SOC.

Desarrollar pruebas de laboratorio para la validacion del esquema propuesto.

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5. Metodologıa

La tesis esta disenada para ser desarrollada en 18 meses como sigue:Semestre 1. Se realizara un estudio del estado del arte del comportamiento electro-

quımico y su equivalencia electrica. Ya que se desea desarrollar un esquema general, seconsideraran investigaciones desarrolladas para distintas aplicaciones, diferentes tiposde baterıas y diferentes capacidades de baterıa y bancos de baterıas.

Semestre 2. Se desarrollara el analisis y el diseno de esquemas de observadoresno lineales. Primeramente se realizara el analisis de cada parametro y elemento delcircuito electrico equivalente. La segunda tarea sera estudiar y evaluar observadores nolineales y su factibilidad para ser implementados. La tercera tarea sera el diseno delesquema de los observadores no lineales. La ultima tarea sera su validacion por mediode simulaciones.

Semestre 3. Evaluar experimentalmente el modelo seleccionado de la baterıa y elesquema de identificacion del SOC en un banco de baterıas. Para esto, sera necesarioseleccionar la tecnologıa y capacidad del banco de baterıas, ası como determinar losparametros del modelo matematico. Se utilizara uno de los bancos de baterıas existentesen el ”Laboratorio de vehıculos electricos” de la UASLP.

6. Soporte e infraestructura

Este trabajo estara soportado financieramente por el proyecto de ciencia basica deCONACYT A1-S-29705 Analisis y modelado de sistemas dinamicos para diagnostico defallas con aplicacion a bancos de baterıas, del 2019 al 2022.

Las actividades de implementacion seran llevados a cabo en el laboratorio de Vehıcu-los Electricos de la Facultad de Ingenierıa L-53. Se cuenta con un banco de baterıas dedimensiones reales para esta aplicacion y 2 plataformas digitales para la validacion deltrabajo.

Referencias

[1] CHEN, W., CHEN, W.-T., SAIR, M., LI, M.-F., AND WU, H. Simultaneous fault isolationand estimation of lithium-ion batteries via synthesized design of luenberger anslearning observers. IEEE Transactions on Control Systems Technology 22 (2014),290–298.

[2] DE-PERSIS, C., AND ISIDORI, A. A geometric approach to nonlinear fault detectionand isolation. IEEE Transactions on Automatic Control 46 (2001), 853–865.

[3] DING, S. X. Model-based fault diagnosis techniques. Springer, Berlin, Alemania,2008.

[4] LI, Y., VILATHGAMUWA, D. M., FARRELL, T. W., CHOI, S. S., AND TRAN, N. T. Anequivalent circuit model of li-ion battery based on electrochemical principles usedin grid-connected energy storage applications. 2017 IEEE 3rd International FutureEnergy Electronics Conference and ECCE Asia, pp. 959–964.

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[5] LIU, Z., HE, H., AHMED, Q., AND RIZZONI, G. Structural analysis based fault detec-tion and isolation applied for a lithium-ion battery pack. vol. 48, 9th IFAC Sympo-sium on Fault Detection, Supervision andSafety for Technical Processes SAFE-PROCESS 2015, pp. 1465–1470.

[6] PLETT, G. L. Battery Management Systems, Volume I: Battery modeling. Artech Hou-se Publishers, USA, 2015.

[7] PLETT, G. L. Battery Management Systems, Volume II: Equivalent-Circuit Methods.Artech House Publishers, USA, 2016.

[8] SEAMAN, A., DAO, T.-S., AND MCPHEE, J. A survey of mathematics-basedequivalent-circuit and electrochemical battery models for hybrid and electric vehi-cle simulation. Journal of Power Sources 256 (2014), 410–423.

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MODELADO Y SIMULACIÓN DEL TREN DE POTENCIA DE UN VEHÍCULO ELÉCTRICO.

Objetivo general: Realizar un modelo en simulación de un vehículo eléctrico para propósitos de supervisión en las fuentes de energía.

El tren de potencia de un vehículo eléctrico está compuesto de dos etapas principales:

1. Sistema de tracción.2. Sistema de almacenamiento de energía.

La configuración de interés para desarrollar se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Tren de potencia.

Si desean más información no duden en buscarnos [email protected] y [email protected] o en la oficina.

REALIZACIÓN Y SÍNTESIS DE UN CONTROLADOR NO LINEAL PARA UN CONVERTIDOR DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA

PARA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA

Objetivo general: Evaluar de forma experimental el desempeño del sistema en lazo cerrado de la etapa de entrada de un esquema de electrónica de potencia en modo cargador.

En la Figura 1 se muestran las etapas de un sistema de almacenamiento basado en baterías interconectado a la red eléctrica. De manera específica, este trabajo se centra en la segunda etapa.

Figura 1. Sistema de almacenamiento basado en baterías.

Si desean más información no duden en buscarnos [email protected] y [email protected] o en la oficina.

Propuesta de Tema de Tesis de Maestría en Ingeniería Eléctrica Control predictivo de aerogeneradores

Asesor: Ricardo Alvarez Salas Coasesor: Jorge Isaac González Torres E-mail: [email protected], [email protected]

Marzo 2020

Areas de interés: Aerogeneradores, control predictivo, DFIG.

Antecedentes

La generación de electricidad a partir del viento (energía eólica) utilizando aerogeneradores ocupa actualmente un lugar importante entre las opciones existentes para producir energía eléctrica de forma renovable y limpia. Para el año 2018 se tenía una capacidad instalada en el mundo de 591 GW (un crecimiento del 9% en comparación con 2017), de la cual la energía eólica continental fue de 46.8 GW, y la no continental de 4.5 GW. Las principales partes de un aerogenerador son las palas o álabes, la góndola, la torre y los cimientos. Los álabes, que normalmente son tres, tienen la función de transformar la energía eólica en energía mecánica. Los álabes captan la energía del viento y mueven un eje que está conectado mecánicamente a una caja de engranajes que se encarga de transformar esa energía mecánica, pasando de baja velocidad y par alto a alta velocidad y par bajo. De esta forma la energía llega a un generador que transforma la energía mecánica a eléctrica, el generador se conecta a la red eléctrica por medio de distintos arreglos, ya sea de manera directa o a través de un convertidor de electrónica de potencia. En la figura 1 se muestran los elementos que componen un aerogenerador.

Figura 1. Componentes de la góndola de un aerogenerador.

En el caso de los aerogeneradores para la transformación de energía mecánica a eléctrica se utilizan generadores eléctricos, por ejemplo generadores de inducción doblemente alimentados (DFIG, por sus siglas en inglés) como se muestra en la figura 2.

mailto:[email protected]


Figura 2. Diagrama esquemático del sistema de generación eólica con un convertidor de electrónica de potencia Back-to-Back (BTB).

Los convertidores de electrónica de potencia que integran el convertidor BTB del sistema de generación eólica tienen las siguientes funciones: El convertidor del lado del rotor debe controlar la potencia activa y reactiva que sale del rotor del DFIG y el convertidor del lado de la red debe controlar la tensión del enlace de CD y la potencia reactiva a la salida del convertidor. Estos objetivos de control se pueden logran mediante un esquema de control adecuado. Una de las técnicas de control avanzadas con amplia aceptación en el sector industrial es el llamado Control Predictivo basado en Modelo (MPC, por sus siglas en inglés). Esta estrategia también se conoce como control por horizonte deslizante, por ser ésta la forma en la que se calculan las secuencias de control. El control predictivo tiene como objetivo resolver de forma efectiva, problemas de control y automatización de procesos industriales que se caractericen por presentar un comportamiento dinámico complicado, multivariable, y/o inestable. La estrategia de control en que se basa este tipo de control, utiliza el modelo matemático del proceso a controlar para predecir el comportamiento futuro de dicho sistema, y en base a este comportamiento futuro calcula predice la secuencia de señales de control futuras. El MPC integra disciplinas como el control óptimo, control estocástico, control de procesos con tiempos muertos, control multivariable y control con restricciones. El MPC se puede definir como una estrategia de control que se basa en la utilización de forma explícita de un modelo matemático interno del proceso a controlar (modelo de predicción), el cual se utiliza para predecir la evolución de las variables a controlar a lo largo de un horizonte temporal de predicción especificado por el operador, de este modo se puede calcular las variables manipuladas futuras (señal de control futura) para lograr que en dicho horizonte, las variables controladas converjan en sus respectivos valores de referencia. El MPC se enmarca dentro de los controladores óptimos, es decir, aquellos en los que la acción de control responde a la optimización de un criterio. El criterio a optimizar, o función de costo, está relacionado con los futuros errores del sistema, que se predice gracias al modelo dinámico del mismo, denominado modelo de predicción. El intervalo de tiempo futuro que se considera en la optimización se denomina horizonte de predicción. Dado que el comportamiento futuro del sistema depende de las acciones de control que se aplican a lo largo del horizonte de predicción, son éstas las variables de decisión respecto a las que se optimiza el sistema.

Objetivo

En esta propuesta se plantea diseñar un algoritmo de control predictivo para aerogeneradores con generadores de tipo DFIG en diversos regímenes de operación, la evaluación en simulación y la comparación del desempeño respecto a un controlador convencional.

Actividades

Para lograr los objetivos mencionados se proponen las siguientes actividades: • Revisión bibliográfica.• Estudio de los principios de funcionamiento de los aerogeneradores.• Estudio del Control Predictivo basado en Modelo.• Evaluación en simulación del esquema de controlador desarrollado.• Comparación del desempeño del controlador propuesto con un controlador convencional en

diversos regímenes de operación.• Escritura de un artículo de revista/congreso.• Redacción de la memoria de tesis.

La duración del trabajo de tesis está planteada para que se desarrolle en 12 meses.

Propuesta de Tema de Tesis de Maestría en Ingeniería Eléctrica Estudio comparativo de técnicas de control no lineal en

motores síncronos de imanes permanentes Asesor: Ricardo Alvarez Salas

E-mail: [email protected] Marzo 2020

Areas de interés: Motores eléctricos, análisis y control no lineal, seguimiento de trayectorias, DSPs.

Antecedentes Los avances recientes en la electrónica de potencia y en materiales para imanes permanentes conocidos como tierras raras, han abierto nuevas perspectivas en el diseño, construcción y aplicación de motores síncronos de imanes permanentes (PMSM, por sus siglas en inglés). Servomecanismos con PMSMs alimentados con inversores de estado sólido están encontrando aplicaciones a una mayor escala. Comercialmente, los PMSMs están disponibles en potencias de hasta cerca de 1 MW. Los motores de mayor potencia son utilizados tanto en aplicaciones de baja velocidad (propulsión de barcos) como a velocidad elevada (bombas y compresores). Este tipo de motores tienen ventajas sobre los motores de CD convencionales (con escobillas) y los motores de inducción, como lo es su alta respuesta dinámica, alta eficiencia y confiabilidad, larga vida de operación (no existe erosión debido a escobillas), operación silenciosa, rangos altos en la velocidad de operación y reducción en la interferencia electromagnética (EMI). Adicionalmente, la relación del par generado con el tamaño del motor es mayor, haciéndolo útil en aplicaciones donde el espacio y peso son factores críticos, especialmente en aplicaciones aeroespaciales. El control por interconexión y asignación de amortiguamiento basado en pasividad (IDA-PBC, por sus siglas en inglés) fue introducido en 2002 por R. Ortega y sus colaboradores para combinar las propiedades de los sistemas Hamiltonianos de puerto controlado (PCH, por sus siglas en inglés) con el control por interconexión y basado en la energía. Se ha aplicado a sistemas mecánicos, de balance de masa, de levitación magnética, maquinas eléctricas, convertidores de potencia, etc. La idea principal es utilizar la estructura Hamiltoniana para resolver la ecuación diferencial parcial (EDP) asociada a una ecuación de balance de energía requerida por el PBC, considerando una selección apropiada de una matriz de interconexión, de una matriz de disipación y de una función de energía del sistema en lazo cerrado. Debido al número de variables que intervienen en la EDP existen diversos métodos para resolver este problema. El IDA no parametrizado, el IDA algebraico, IDA parametrizado y el IDA algebraico combinado con parametrizado. Sin embargo, el IDA-PBC se ha utilizado principalmente para resolver el problema de regulación en sistemas subactuados, como lo es el PMSM, el seguimiento de trayectorias es un problema abierto para el caso general. Por otra parte, una técnica ampliamente utilizada para controlar los PMSMs en los variadores de frecuencia comerciales es el control por campo orientado (FOC por sus siglas en inglés), sin embargo ésta es una técnica que no tiene una prueba de estabilidad en lazo cerrado; aunque en la práctica exhibe un desempeño elevado.


Objetivo

Realizar un estudio comparativo del desempeño de los algoritmos de control IDA-PBC y FOC para motores síncronos de imanes permanentes (PMSMs) en tareas de seguimiento de trayectorias de par, velocidad y posición utilizando una plataforma digital basada en un DSP.

Desarrollo

Para lograr los objetivos mencionados se proponen las siguientes actividades: • Revisión bibliográfica. • Estudio de los principios de funcionamiento del PMSM y de su modelado. • Estudio del IDA-PBC y del FOC. • Síntesis de los controladores IDA-PBC y FOC para el PMSM para seguimiento de trayectorias. • Evaluación en simulación de los esquemas de control. • Evaluación experimental del controlador en un banco de pruebas de PMSM utilizando un

sistema de control digital basado en un DSP. • Escritura de un artículo de revista/congreso. • Redacción de la memoria de tesis. La duración del trabajo de tesis está planteada para que se desarrolle en 12 meses.

Propuesta de tema de tesis de Maestrıa en Ingenierıa Electrica.Facultad de Ingenierıa, UASLP.

Control no lineal de un convertidor elevador de CD-CD con altaganancia

Asesor: Cesar F. F. Mendez Barrios, Co-asesor: Diego Langarica Cordobae-mail: [email protected], [email protected]

Areas de interes: control automatico, sistemas dinamicos, electronica de potencia, convertidores

de CD-CD.

1. Antecedentes

Existe un amplio interes en la actualidad por los convertidores electronicos de potencia conalta razon de conversion. Esto se debe al surgimiento de nuevas necesidades en el area deenergıas renovables y transportacion electrica. En consecuencia, en la literatura se reportaun gran numero de configuraciones disponibles para la elevacion de voltaje [1]. Entre lascategorıas mas comunes se encuentran los convertidores de tipo: aislados o no aislados, uni-direccionales y bidireccionales, de fase mınima y no mınima, alimentados por voltaje o porcorriente. Por otro lado, se ha reportado diferentes tecnicas de elevacion de voltaje, entre lasque destacan: capacitor conmutado [2, 3], inductor conmutado [4], capacitor e inductor con-mutado [5], multiplicador de voltaje, acoplamiento magnetico y de multiples etapas, [6, 7].En este sentido, este trabajo de investigacion propone utilizar una configuracion unidirec-cional no aislada alimentada por voltaje, con el proposito de procesar energıa por parte deuna fuente renovable.

Por otro lado, con respecto al modelado dinamico de convertidores electronicos de poten-cia, existen dos enfoques: modelado tradicional mediante las leyes de Kirchhoff y modeladoen base a la energıa del convertidor. Ambos metodologıas han sido ampliamente utilizadaspara la sıntesis de controladores [8, 9]. Es por esto que este trabajo de investigacion pre-tende abordar ambas tecnicas de modelado. Finalmente debido a la naturaleza no lineal delos convertidores con accion elevadora, se propone explorar tecnicas de control capaces deexplotar las no linealidades del sistema y asegurar estabilidad asintotica frente a incerti-dumbre parametrica y perturbaciones exogenas. Para este fın diversas estategias de control(backstepping, pasividad, etc.) seran revisadas.

2. Objetivo

Disenar un esquema de control no lineal para lograr la correcta operacion de un convertidorelevador de CD-CD con alta razon de conversion ante incertidumbre parametrica y cambiosen la carga.

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3. Objetivos particulares

Seleccionar una topologıa elevadora de voltaje.

Obtener un modelo dinamico del convertidor electronico de potencia que sea afın alcontrol.

Sintetizar una la ley de control que asegure estabilidad asintotica del sistema anteincertidumbre parametrica y perturbaciones externas .

Obtencion de resultados numericos del sistema en lazo cerrado.

Si es posible, obtencion de resultados experimentales del sistema en lazo cerrado.

Reporte de resultados (artıculo(s), tesis).

4. Metodologıa

Revision del estado del arte sobre convertidores de CD-CD de alta ganancia. Revisionde estrategias de control no lineal para sistemas electronicos de potencia.

En base a criterios de operacion, seleccion de la topologıa correspondiente.

Analisis y modelado dinamico de la topologıa seleccionada mediante el enfoque tradi-cional y la formulacion de sistemas Hamiltonianos controlados por puerto.

Desarrollo del algoritmo de control y analisis de estabilidad correspondiente.

Obtencion de resultados en lazo cerrado.


La duracion del trabajo de tesis esta planteada para que se desarrolle en 16 meses a partirde marzo 2020.

Referencias

[1] M. Forouzesh, Y. P. Siwakoti, S. A. Gorji, F. Blaabjerg, and B. Lehman, “Step-up dc-dc converters: A comprehensive review of voltage-boosting techniques, topologies, andapplications,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, no. 12, pp. 9143–9178,Dec 2017.

[2] R. Mota-Varona, M. G. Ortiz-Lopez, D. Langarica-Cordoba, and J. Leyva-Ramos, “Swit-ching regulator based on a high-voltage gain dc-dc converter with non-pulsating in-put/output currents,” IET Power Electronics, vol. 11, no. 7, pp. 1248–1256, 2018.

2

[3] J. Leyva-Ramos, R. Mota-Varona, M. G. Ortiz-Lopez, L. H. Diaz-Saldierna, andD. Langarica-Cordoba, “Control strategy of a quadratic boost converter with voltagemultiplier cell for high-voltage gain,” IEEE Journal of Emerging and Selected Topics inPower Electronics, vol. 5, no. 4, pp. 1761–1770, Dec 2017.

[4] L. Yang, T. Liang, and J. Chen, “Transformerless dc-dc converters with high step-upvoltage gain,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 56, no. 8, pp. 3144–3152, Aug 2009.

[5] M. A. Salvador, T. B. Lazzarin, and R. F. Coelho, “High step-up dc-dc converter withactive switched-inductor and passive switched-capacitor networks,” IEEE Transactionson Industrial Electronics, vol. 65, no. 7, pp. 5644–5654, July 2018.

[6] N. Elsayad, H. Moradisizkoohi, and O. A. Mohammed, “A single-switch transformerlessdc–dc converter with universal input voltage for fuel cell vehicles: Analysis and design,”IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 68, no. 5, pp. 4537–4549, May 2019.

[7] N. Elsayad, H. Moradisizkoohi, and O. Mohammed, “Analysis and design of a high step-up transformerless dc-dc converter with an integrated l2c3d2 network,” in 2019 IEEEApplied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), March 2019, pp. 1301–1306.

[8] R. Cisneros, M. Pirro, G. Bergna, R. Ortega, G. Ippoliti, and M. Mo-linas, “Global tracking passivity-based pi control of bilinear systems: Ap-plication to the interleaved boost and modular multilevel converters,” Con-trol Engineering Practice, vol. 43, pp. 109 – 119, 2015. [Online]. Available:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S096706611500129X

[9] Y. A. Zuniga-Ventura, D. Langarica-Cordoba, J. Leyva-Ramos, L. H. Dıaz-Saldierna, andV. M. Ramırez-Rivera, “Adaptive backstepping control for a fuel cell/boost convertersystem,” IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 6,no. 2, pp. 686–695, June 2018.

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Propuesta Tesis Maestrıa en Ingenierıa Electrica

Esquemas de control basados en retardos para convertidores cd-cdcon aplicaciones a sistemas de energıa renovables

Asesor: Cesar Fernando Mendez-Barrios. E-mail: [email protected]: Adrian Ramırez. E-mail: [email protected]

Areas de interes: Sistemas con retardos, sistemas de energıa renovables.

1. Antecedentes

Las celdas de combustible de intercambio protonico (PEMFC, por sus siglas en ingles) hanatraıdo gran atencion en quımica e ingenierıa por mas de seis decadas [1]. La razon principalde esto es que las PEMFCs son altamente eficientes y tienen el potencial de impactar posi-tivamente al ambiente, por ejemplo, reduciendo emision de gases de invernadero asociadosa medios de transporte [2]. Otras aplicaciones incluyen sistemas portatiles y estacionariosde generacion de energıa en donde los sistemas basados en celdas de combustible puedenemplearse en una gran variedad de areas como en cogeneracion de energıa para uso residen-cial, en fuentes de alimentacion ininterrumpida en la industria, e incluso en alimentacion dedispositivos electricos para fines militares [3].

En general, los sistemas de generacion de energıa basados en celdas de combustible constande tres componentes principales: una celda de combustible de hidrogeno, un convertidorcd-cd y las cargas electricas asociadas a diversas aplicaciones, incluyendo vehıculos ligeros,kits educativos y unidades de potencia auxiliar. En este tipo de sistemas, los convertidorescd-cd son de importancia fundamental ya que modulan la energıa electrica entregada por laPEMFC a un nivel apropiado para la carga. En otras palabras, los convertidores cd-cd son lainterfaz entre el banco de celdas de combustible y la carga. Por lo tanto, el diseno y controlde la etapa de potencia en esta clase de sistemas requieren atencion especial.

La funcion principal de un convertidor cd-cd es regular su voltaje de salida a un valorconstante a pesar de variaciones, por ejemplo, en el voltaje de salida de la PEMFC y/o enla carga, mientras se mantiene alta eficiencia y baja distorsion armonica. Con el objetivode cumplir los requisitos anteriores, se han propuesto en la literatura varias topologıas deconvertidores cd-cd para aplicaciones de celdas de combustible [4]. Entre estas topologıas,los convertidores aislados tipo buck y boost son los mas populares [5]. Sin embargo, lograralta eficiencia es un desafıo debido a la necesidad de aislar los transformadores, y aun mas,se requieren esquemas de control extremadamente complejos para hacer frente a posiblesperturbaciones [6].

En vista de lo anterior, en esta propuesta de tesis, se estudiaran dos alternativas de controlbajo la premisa de que el uso intencional de retardos en el tiempo favorece la simplicidad


estructural del controlador y permite una implementacion transparente y sin complicacionespara el usuario final. Estos esquemas de control, llamados controlador proporcional retardado(PR) y controlador proporcional integral retardado (PIR), dados respectivamente por:

u(t) = kpe(t) − kre(t− τ) y u(t) = kpe(t) + ki

∫ t

0

e(s)ds− kre(t− τ), (1)

se implementaran en convertidores cd-cd basicos para mejorar la respuesta dinamica de unsistema de generacion de energıa basado en una celda de combustible con el objetivo principalde compensar variaciones en el voltaje entregado por la PEMFC y/o cambios repentinos decarga. En (1), los parametros kp, ki y kr son las ganancias proporcional, integral y retardada,respectivamente, τ > 0 es el retardo y e(t) es el error del sistema bajo analisis.

Los controladores PR y PIR en (1) pertenecen a la clase de controladores basados en retardos[7, 8, 9, 10]. Sin embargo, su implementacion en el contexto de sistemas de generacion deenergıa con celdas de combustible nunca se ha considerado en la literatura. Los controladoresbasados en retardos, en esencia, utilizan retardos en el tiempo como un parametro de disenoque es capaz de brindar ciertas ventajas en terminos de estabilidad y robustez para el sistemaen lazo cerrado. Investigaciones en esta direccion se remontan a los trabajos en [8, 7], ymas recientemente, los estudios en [9, 11, 12], demuestran una base analıtica para disenarrigurosamente este tipo de controladores. Dados los resultados prometedores reportados paracontroladores PR y PIR, en esta propuesta de tesis estamos interesados en su uso parasistemas de generacion de energıa basados en celdas de combustible en donde cambios en lacarga generan variaciones en el voltaje de entrada debido al fenomeno de falta de combustibleen la PEMFC [13].

2. Objetivo

Desarrollar criterios de estabilidad para la sıntesis de controladores de tipo PR y PIR apli-cados a sistemas de generacion de energıa con celdas de combustible.


Los objetivos particulares en este trabajo de tesis son:

Obtener un modelo del sistema de generacion de energıa.

Desarrollo de criterios de estabilidad para sistemas con retardos.

Sıntesis de leyes de control PR y PIR.

Validacion experimental en el prototipo existente.


2.2. Infraestructura

Dentro de la infraestructura especıfica para este proyecto se cuenta con lo siguiente:

Cubıculo (compartido)

Disponibilidad de herramientas, mesas de trabajo y equipos en el laboratorio de Electroni-ca.

Disponibilidad de un modulo de celda de combustible Nexa de Heliocentrics.

2.3. Metodologıa

La metodologıa a seguir se propone de la siguiente manera:

Revision de la literatura sobre convertidores cd-cd.

Revision de la literatura sobre estabilidad de sistemas con retardos.

Desarrollo de criterios de estabilidad para controladores de orden reducido.

Implementacion de los algoritmos desarrollados en una plataforma experimental.


La duracion del trabajo de tesis esta planteada para que se desarrolle en 16 mesesa partir de marzo 2020.

Referencias

[1] Y. Wang, K. S. Chen, J. Mishler, S. C. Cho, and X. C. Adroher, “A review of polymerelectrolyte membrane fuel cells: Technology, applications, and needs on fundamentalresearch,” Applied energy, vol. 88, no. 4, pp. 981–1007, 2011.

[2] A. Rodrıguez-Castellanos, J. Dıaz-Bernabe, S. Citalan-Cigarroa, and O. Solorza-Feria,“Development and applications of portable systems based on conventional pem fuelcells,” in Portable Hydrogen Energy Systems. Elsevier, 2018, pp. 91–106.

[3] W. Vielstich, A. Lamm, and H. A. Gasteiger, Handbook of fuel cells: fundamentalstechnology and applications. Wiley New York, 2003, vol. 2.

[4] V. Das, S. Padmanaban, K. Venkitusamy, R. Selvamuthukumaran, F. Blaabjerg, andP. Siano, “Recent advances and challenges of fuel cell based power system architecturesand control–a review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 73, pp. 10–18,2017.


[5] M. Nymand, R. Tranberg, M. E. Madsen, U. K. Madawala, and M. A. Andersen, “Whatis the best converter for low voltage fuel cell applications-a buck or boost?” in 2009 35thAnnual Conference of IEEE Industrial Electronics, 2009, pp. 962–970.

[6] Y. A. Zuniga-Ventura, D. Langarica-Cordoba, J. Leyva-Ramos, L. H. Dıaz-Saldierna,and V. M. Ramırez-Rivera, “Adaptive backstepping control for a fuel cell/boost con-verter system,” IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics,vol. 6, no. 2, pp. 686–695, 2018.

[7] I. H. Suh and Z. Bien, “Proportional minus delay controller,” IEEE Transactions onAutomatic Control, vol. 24, no. 2, pp. 370–372, 1979.

[8] C. Abdallah, P. Dorato, J. Benites-Read, and R. Byrne, “Delayed positive feedbackcan sabilize oscillatory systems,” in American Control Conference, San Francisco, USA,1993, pp. 3106–3107.

[9] A. Ramırez, R. Garrido, and S. Mondie, “Velocity control of servo systems using anintegral retarded algorithm,” ISA Transactions, vol. 58, pp. 357–366, 2015.

[10] A. Ramırez, R. Garrido, R. Sipahi, and S. Mondie, “On delay-based control of low-orderlti systems: A simple alternative to PI/PID controllers under noisy measurements,”IFAC-PapersOnLine, vol. 49, no. 10, pp. 188–193, 2016.

[11] A. Ramırez, S. Mondie, R. Garrido, and R. Sipahi, “Design of proportional-integral-retarded (PIR) controllers for second-order LTI systems,” IEEE Transactions on Au-tomatic Control, vol. 61, no. 6, pp. 1688–1693, 2016.

[12] A. Ramirez, R. Sipahi, S. Mondie, and R. Garrido, “An analytical approach to tuningof delay-based controllers for lti-siso systems,” SIAM Journal on Control and Optimi-zation, vol. 55, no. 1, pp. 397–412, 2017.

[13] P. Thounthong, B. Davat, S. Rael, and P. Sethakul, “Fuel starvation,” IEEE IndustryApplications Magazine, vol. 15, no. 4, pp. 52–59, 2009.

Propuesta Tesis Maestrıa en Ingenierıa Electrica 1 ANTECEDENTES

Propuesta de Tema de Tesis de Maestrıa en Ingenierıa ElectricaOpcion: Control Automatico

Diseno del Maximo Decaimiento Exponencial para Sistemascon Retardos a traves de Controladores PI

Asesor: Cesar Fernando Mendez-Barrios Co-asesor: Adrian Ramıreze-mail: [email protected]; [email protected]

Areas de interes: robotica, controladores de orden reducido, sistemas con retardos.

1. Antecedentes

Los controladores Proporcional-Integral (PI) han tenido una buena aceptacion en apli-caciones industriales, tal y como se afirma en [1], en donde se menciona que al menos el 95 %de los lazos de control en la industria son de este tipo. Esta popularidad se puede atribuir asus caracteristıcas distintivas: simplicidada y facil implementacion.Por otro lado, en muchos procesos industriales, ası como en otras areas (telerobotica, sis-temas de transmision, sistemas de comunicacion, etc.) se suele presentar el fenomeno delretardo o tiempo muerto. En general, el retardo en los lazos de control ha sido consideradocomo un fenomeno “indeseable”que asocia bajo desempeno, sensibilidad del ancho de banda,oscilaciones, y hasta inestabilidad. No obstante, existen algunos casos en las que el retar-do puede inducir estabilidad, como ejemplo de motivacion se puede considerar el siguientesistema (vease [2], para mayores detalles):

G (s) =1

s2 + ω20

. (1)

En este caso, se puede concluir que no existe ninguna ley de control de tipo proporcionalu (t) = −ky (t) que estabilice el sistema (1). Sin embargo, si en lugar de la ley de control an-terior se considera una accion de control proporcional retardada u (t) = ky (t− τ), entoncessi la ganancia k y el retardo τ satisfacen las siguientes desigualdades:

0 < k <1 + 4n

1 + 4n+ 8n2ω20

2nπ√ω20 − k

< τ <(2n+ 1) π√ω20 + k

donde n ∈ N ∪ {0}, se tiene que el sistema (1) es asıntoticamente estable en lazo cerrado.

Las observaciones anteriores muestran la importancia de considerar el efecto de los retardosen el tiempo en lazos de control. Es decir, en algunos casos un retardo pequeno puede ayudara estabilizar a un sistema, pero en otros casos, podrıa deteriorar el desempeno del mismoe incluso destruir su estabilidad. En efecto, el analisis de estabilidad de sistemas dinamicos

1

Propuesta Tesis Maestrıa en Ingenierıa Electrica 2 OBJETIVO

considerando esquemas de control de orden reducido ha sido desarrollada por varios autores,entre ellos se puede mencionar: Niculescu y Michiels [5] derivaron condiciones necesarias ysuficientes para garantizar la estabilidad asintotica de cadenas de integradores, Kharitonovet al. [3] establecieron condiciones necesarias para la estabilizacion de osciladores utilizandomultiples retardos. Mas recientemente, utilizando esta misma idea Ramırez et al. [4] desa-rrollaron un control proporcional integral retardado para un sistema de segundo orden.

Es importante destacar que en la literatura abierta no existe a la fecha un diseno holısticoque permita considerar la interaccon entre el retardo, la estabilidad y el desempeno de unaclase de sistemas lineales, y que al mismo tiempo pueda hacer frente a perturbaciones acota-das, incertidumbres en el retardo y fragilidad del controlador. Motivado por los argumentosanteriores, este tema de tesis aborda el diseno de controladores de tipo PI, dado por:

u (t) = kpe (t) + kide (t)

dt,

para sistemas lineales con retardos inciertos y en presencia de ruido en las mediciones. Elobjetivo principal es garantizar ciertas carcaterısticas de desempeno para el sistema en lazocerrado. Adicional a las pruebas de estabilidad, se validara el diseno por medio de pruebasen un banco experimental.

2. Objetivo

Desarrollar criterios de estabilidad para la sıntesis de controladores robustos de tipo PIaplicados a sistemas lineales con retardos.


Desarrollo de criterios de estabilidad para sistemas con retardos.

Deteccion automatica de regiones de estabilidad.

Sıntesis de leyes de control robustas para un esquema PI.

Validacion experimental en un prototipo robotico.



tres unidades hapticas PHANTOM.

cubıculo (compartido).

disponibilidad de herramientas, mesas de trabajo y equipos en el laboratorio de Electroni-ca y Robotica (posgrado).

2

Propuesta Tesis Maestrıa en Ingenierıa Electrica REFERENCIAS

2.3. Metodologıa

Revision de la literatura sobre sistemas con retardos.

Revision de la literatura sobre el diseno de maximo decaimiento exponencial.

Desarrollo de criterios de estabilidad de controladores PI considerando.

Implementacion de los algoritmos desarrollados.


La duracion del trabajo de tesis esta planteada para que se desarrolle en 16 mesesa partir de abril 2020.

Referencias

[1] A. O’Dwyer, Handbook of PI and PID Controller Tuning Rules, Imperial College Press;3 edition, 2009.

[2] C. Abdallah, P. Dorato, J. Benitez-Read and R. Byrne, “Delayed positive feedback canstabilize oscillatory systems”, In Proc. American Contr. Conf., 2-4 June 1993, San Fran-cisco, pp.3106–3107, 1993.

[3] V.L. Kharitonov, S.I. Niculescu, J. Moreno and W. Michiels, Static Output FeedbackStabilization: Necessary Contitions for Multiple Delays Controllers, IEEE Trans. Aut.Control, vol. 50, 2005, pp.82-86.

[4] Adrian Ramırez, Sabine Mondie, Ruben Garrido, and Rifat Sipahi “Design ofproportional-integral-retarded (PIR) controllers for second-order LTI systems ”, IEEETransactions on Automatic Control, vol. 61(6), pp. 1688–1693, 2016.

[5] S.-I. Niculescu and Wim Michiels, “Stabilizing a chain of integrators using multiple de-lays”, IEEE Trans. Aut. Control, vol.49, pp.802–807, 2004.

3

Propuesta Tesis Maestrıa en Ingenierıa Electrica 1 OBJETIVO

Propuesta de Tema de Tesis de Maestrıa en Ingenierıa ElectricaOpcion: Control Automatico

Sıntesis de controladores fraccionarios, aplicados al control deun sistema multiagente.

Asesor: Emilio Jorge Gonzalez Galvan Co-asesor: Cesar-Fernando Mendez-Barriose-mail: [email protected], [email protected]

Areas de interes: robotica, controladores fraccionarios.

1. Objetivo

Desarrollar criterios para la sıntesis de controladores de tipo PIλDµ aplicados al control enun plano de un conjunto de robots, cuya posicion sera determinada por medio de un sistemade vision monocular.


Obtener un modelo del sistema de robots y la medicion de su ubicacion en un planopor medio de un sistema de vision.

Desarrollo de criterios de estabilidad para sistemas fracionarios.

Sıntesis de leyes de control PIλDµ.

Validacion experimental en el prototipo existente.



unidades de robots lego.

cubıculo (compartido)

disponibilidad de herramientas, mesas de trabajo y equipos en el laboratorio de Roboti-ca (posgrado).

1.3. Metodologıa

Revision de la literatura sobre teleoperacion.

Revision de la literatura sobre estabilidad de sistemas fraccionarios.

Desarrollo de criterios de estabilidad de controladores PIλDµ.

Implementacion de los algoritmos desarrollados.


1

Propuesta Tesis Maestrıa en Ingenierıa Electrica REFERENCIAS

La duracion del trabajo de tesis esta planteada para que se desarrolle en 17meses a partir de marzo 2020.

Referencias

[1] Mohammadi, A. and Tavakoli, M. and Jazayeri, A., “Phansim: A Simulink Toolkit forthe Sensable Phantom Haptic Device”, Proceedings of the 23rd CANCAM, 2008.

[2] Kim, K. and Park, J. and Lee, H. and Song K., ”Teleoperated Cleaning Robots for Usein a Highly Radioactive Environment of the DFDF”, Proc. SICE-ICASE InternationalJoint Conference, Busan, Korea, 2006.

[3] Hashtrudi-Zaad, K. and Salcudean, S. E., Transparency in Time-Delayed Systems andthe Effect of Local Force Feedback for Transparent Teleoperation, IEEE Transactions onRobotics ans Automation, Vol.18(1), pp.31-38, 2002.

[4] Tavakoli, M. and Patel, R. V. and Moallem, M. and Aziminejad, A., Haptics for Tele-operated Surgical Robotic Systems, World Scientific Publishing Company, 2003.

[5] Yang Quan Chen, Tripti Bhaskaran and Dingyu Xue, “Practical Tuning Rule Develop-ment for Fractional Order Proportional and Integral Controllers”, J. Comput. NonlinearDynam., vol.3(2):021403, 2008.

[6] Podlubny, I., “Fractional-order systems and fractional-order controllers”, Inst. Exp. Phys.Slovak. Acad. Sci., 1994.

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