Simposio CEA-IC PK-jdoval05.ppt [Modo de compatibilidad] · Control de accionamientos polifásicos....

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XIII SIMPOSIO CEA DE INGENIERÍA DE CONTROL 12, 13 de marzo, 2015, Universidad del País Vasco, San Sebastián Técnicas de control de altas prestaciones de máquinas polifásicas mediante convertidores electrónicos de potencia y de su interconexión con la red eléctrica trifásica Jesús Doval Gandoy [email protected] http://webs.uvigo.es/jdoval

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XIII SIMPOSIO CEA DE INGENIERÍA DE CONTROL12, 13 de marzo, 2015, Universidad del País Vasco, San Sebastián

Técnicas de control de altas prestaciones de máquinas polifásicas mediante convertidores electrónicos de

potencia y de su interconexión con la red eléctrica trifásica

Jesús Doval [email protected]

http://webs.uvigo.es/jdoval

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Contenido Sinopsis del proyecto.

Ficha técnica.

Contexto.

Objetivos y resultados.

Control de accionamientos polifásicos.

Máquinas eléctricas polifásicas.

Armónicos en sistemas polifásicos.

Control de armónicos en máquinas polifásicas.

Identificación de parámetros de máquinas polifásicas.

Control de convertidor conectado a red

Identificación de parámetros de planta.

Sintonización del controlador para mejorar respuesta transitoria ante perturbación.

Mitigación de inestabilidad debida a resonancia.

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Contenido Sinopsis del proyecto.

Ficha técnica.

Contexto.

Objetivos y resultados.

Control de accionamientos polifásicos.

Máquinas eléctricas polifásicas.

Armónicos en sistemas polifásicos.

Control de armónicos en máquinas polifásicas.

Identificación de parámetros de máquinas polifásicas.

Control de convertidor conectado a red

Identificación de parámetros de planta.

Sintonización del controlador para mejorar respuesta transitoria ante perturbación.

Mitigación de inestabilidad debida a resonancia.

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Ficha técnica Proyecto individual/ Tipo B.

Área de gestión científico-técnica: Diseño y Producción Industrial (DPI).

Entidad: Universidad de Vigo.

Código: DPI2012-31283.

EPOs: ABB AB-HVDC, Gamesa, SAPA.

Financiación: 170.820 Euros.

Plazo ejecución: 2013-2015.

Investigadores.

5 investigadores doctores de la Universidad de Vigo.

3 investigadores en formación.

2 investigadores doctores de instituciones extranjeras.

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Contexto Proyecto liderado por grupo APET-UVIGO.

4 Prof. Tenure/Asoc., 1 Inv. Post-Doc., 4 Est. PhD, 8 Ing., en proyectoscon industria.

Financiación. Privada: transferencia de tecnología. Pública: generaciónde conocimiento y tesis PhD.

Transferencia de Tecnología. Desarrollo de actividades de I+D encolaboración con empresas de diferentes sectores.

Generación Conocimiento. Periodo 2008-2015: 38 artículos en revistasIEEE con más de 1200 citas, 6 Tesis Doctorales.

Journal Papers. 2008-2015

IEEE TPELS 11

IEEE TIE 14

IEEE TIA, IEEE TEC, IET… 13

Financiación. 2008-2015

Privada 55%

Pública 45%

Tesis Doctorales. 2008-2015

2015 2 Tesis con Mención Doct. Internacional.

2013 1 Tesis.

2011 1 Tesis con Mención Doct. Europeo.

2009 2 Tesis con Mención Doct. Europeo.

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Objetivos Proyecto orientado a generación de conocimiento.

Proyecto encadenado con proyectos previos.

DPI2003-01513, ENE2006-02930, DPI2009-07004.

Control y modulación de: convertidores conectados a red, convertidoresconectados a máquinas eléctricas, accionamientos/ generación, calidadde onda.

Objetivo principal de proyecto DPI2012-31283.

Investigación y desarrollo de técnicas de control de accionamientos develocidad variable polifásicos y de su interconexión con la red eléctricatrifásica, con el fin de dotar al sistema de mayor robustez, flexibilidad,tolerancia a fallos, fiabilidad y rendimiento.

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Objetivos concretos1. Incremento de rendimiento de los sistemas polifásicos mediante la

identificación y control de armónicos de corriente de orden bajo en planos x-y,que no contribuyen a la conversión electromecánica pero sí a las pérdidas.

2. Incremento de la fiabilidad y rendimiento de las máquinas polifásicas y lareducción de interferencias electromagnéticas mediante la reducción de losarmónicos de conmutación.

3. Obtención de sistemas más flexibles y fiables por medio del diseño detécnicas de control de máquinas polifásicas para tolerancia a fallos.

4. Obtención de sistemas electrónicos de potencia más robustos y fiables en suconexión a la red eléctrica trifásica en situaciones de falta en la red, así comoante la aparición de efectos no deseados debido a la interacción entre losconvertidores y la red eléctrica.

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Objetivo 1 Incremento de rendimiento de los sistemas polifásicos mediante la

identificación y control de armónicos de corriente de orden bajo en planos x-y, que no contribuyen a la conversión electromecánica pero sí a las pérdidas.

Ejecución de tareas asociadas durante 18 meses de las anualidades 1ª y 2ª.

[1] "Parameter Identification of Multiphase Induction Machines with Distributed Windings - Part 1: Sinusoidal Excitation Methods", IEEE Transactions on Energy Conversion.

[2] "Parameter Identification of Multiphase Induction Machines with Distributed Windings - Part 2: Time Domain Techniques", IEEE Transactions on Energy Conversion.

[3] "Graphical diagram for subspace and sequence identification of harmonics in symmetrical multiphase machines", IEEE Transactions on Industrial Electronics.

[4] "Tuning Method Aimed at Optimized Settling Time and Overshoot for Synchronous Proportional-Integral Current Control in Electric Machines", IEEE Transactions on Power Electronics.

[5] "Current Harmonics Compensation Based on Multi-Resonant Control in Synchronous Frames for Symmetrical n-Phase Machines", IEEE Transactions on Industrial Electronics.

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Objetivo 2 Incremento de la fiabilidad y rendimiento de las máquinas polifásicas y la

reducción de interferencias electromagnéticas mediante la reducción de losarmónicos de conmutación.

Ejecución de tareas asociadas durante 18 meses de las anualidades 2ª y 3ª.

[1] “Multilevel Multiphase Space Vector PWM Algorithm With Common-Mode Voltage Elimination”, IEEE Transactions on Industrial Electronics.

[2] “Identificación de secuencias de los armónicos de conmutación en convertidores polifásicos.”

[3] “Investigación sobre la distribución de los armónicos de conmutación en los diferentes sub-espacios de convertidores polifásicos.“

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Objetivo 3 Obtención de sistemas más flexibles y fiables por medio del diseño de

técnicas de control de máquinas polifásicas para tolerancia a fallos.

Ejecución de tareas asociadas durante 15 meses de las anualidades 2ª y 3ª.

[1] “Current Signature Analysis of Symmetrical Multiphase Squirrel Cage Motors Identification”, IEEE Transactions on Industrial Electronics.

[2] Estimation Method for Stator Winding Temperature of Dual Three-Phase Machines Based on DC-Signal Injection. IEEE Transactions on Power Electronics.

[3] Identificación de armónicos en máquinas polifásicas con desequilibrio estructural.

[4] Detección de rotura de barras rotóricas en motores polifásicos.

[5] Estimación de velocidad en máquinas polifásicas basado en armónicos debidos a barras de rotor.

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Objetivo 4 Obtención de sistemas electrónicos de potencia más robustos y fiables en su

conexión a la red eléctrica trifásica.

Ejecución de tareas durante 33 meses de las anualidades 1ª, 2ª y 3ª.

[1] "Assessment and Optimization of the Transient Response of Proportional-Resonant Current Controllers for Distributed Power generation Systems", IEEE Transactions on Industrial Electronics.[2] "Evaluation of Techniques for Cross-Coupling Decoupling Between Orthogonal Axes in Double Synchronous Reference Frame Current Control", IEEE Transactions on Industrial Electronics.[3] "Transient Response Evaluation of Stationary-Frame Resonant Current Controllers for Grid-Connected Applications", IET Power Electronics.[4] "A Quasi-Type-1 Phase-Locked Loop Structure", IEEE Transactions on Power Electronics.[5] "A Technique to Estimate the Equivalent Loss Resistance of Grid-Tied Converters for Current Control Analysis and Design", IEEE Transactions on Power Electronics.[6] "A Method for Identification of the Equivalent Inductance and Resistance in the Plant Model of Current-Controlled Grid-Tied Converters", IEEE Transactions on Power Electronics.[7] "Passivity-Based Stabilization of Resonant Current Controllers With Consideration of Time Delay", IEEE Transactions on Power Electronics.[8] "Passivity-Based Controller Design of Grid-Connected VSCs for Prevention of Electrical Resonance Instability", IEEE Transactions on Industrial Electronics.[9] "Tuning of Synchronous-Frame PI Current Controllers in Grid-Connected Converters Operating at a Low Sampling Rate by MIMO Root Locus", IEEE Transactions on Industrial Electronics.

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Contenido Sinopsis del proyecto.

Ficha técnica.

Contexto.

Objetivos y resultados.

Control de accionamientos polifásicos.

Máquinas eléctricas polifásicas.

Armónicos en sistemas polifásicos.

Control de armónicos en máquinas polifásicas.

Identificación de parámetros de máquinas polifásicas.

Control de convertidor conectado a red

Identificación de parámetros de planta.

Sintonización del controlador para mejorar respuesta transitoria ante perturbación.

Mitigación de inestabilidad debida a resonancia.

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Máquinas eléctricas polifásicas Máquina eléctrica polifásica con distribución sinusoidal de flujo.

n/2 +1 sub-espacios ortogonales. P planos.

(1) plano α-β. Conversión electromecánica.

(P-1) planos x-y. Pérdidas.

(1 or 2) ejes homopolares. Pérdidas.

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Modelo de máquina polifásica

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Control de máquinas polifásicas En máquinas sinusoidalmente distribuidas, independientemente del número

de fases, se necesitan dos corrientes para controlar el flujo y el par.

Las corrientes en el plano α-β controlan el flujo y el par.

Mediante el control de corriente en otros planos se puede conseguir.

Reducción de pérdidas.

Control de varias máquinas con un convertidor.

Detección de faltas.

Sistemas tolerantes a fallos.

Estimación de parámetros.

Estimación de velocidad.

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Armónicos en sistemas trifásicos

Homopolar axis

Positive-sequence+

Negative-sequence-

h0 =0, 3,6, 9…

hq =1, 4, 7,10…+

hq =2, 5, 8, 11…-

m=1

Plane p=1 ( )

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Armónicos en sistemas polifásicos

h+Plane p=1 ( )

Plane p=2 (xy)

h+Plane p=1 ( )

h- Plane p=2 (xy)

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Armónicos en sistemas polifásicosHomopolar

axis

Positive-sequence+

Negative-sequence-

Plane p=1 ( )

Plane p=2 (xy)

h0 =0, 5, 15…

h1q =1,11, 21…+

h1q =9,19…-

h2q =7,17…+

h2q =3,13,23…-

m=1

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Control de armónicos en sistemas polifásicos

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Control de armónicos en sistemas polifásicos

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Control de armónicos en sistemas polifásicos

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Control de armónicos en sistemas polifásicos

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Control de armónicos en sistemas polifásicos

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Control de armónicos en sistemas polifásicos MRC, menor uso de recursos.

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Identificación de parámetros Identificación de resistencia e inductancia de dispersión estatóricas. 2

opciones.

Ensayo con máquina parada “standstill”. Excitación sinusoidal en plano x-y.

Ensayo con máquina girando. Inyección de componente armónica de orden h enplano x-y.

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Contenido Sinopsis del proyecto.

Ficha técnica.

Contexto.

Objetivos y resultados.

Control de accionamientos polifásicos.

Máquinas eléctricas polifásicas.

Armónicos en sistemas polifásicos.

Control de armónicos en máquinas polifásicas.

Identificación de parámetros de máquinas polifásicas.

Control de convertidor conectado a red

Identificación de parámetros de planta.

Sintonización del controlador para mejorar respuesta transitoria ante perturbación.

Mitigación de inestabilidad debida a resonancia.

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Control de convertidores conectados a red eléctrica Controladores externos.

Controladores de corriente internos.

Factor de potencia.

Control de armónicos.

Rechazo a perturbación (faltas).

Respuesta transitoria.

Modelo de planta.

Parámetros de planta.

Estructura del controlador.

Sintonización del controlador.

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Modelo de planta

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Parámetros Es esencial conocer L y R para garantizar las prestaciones del lazo de

control, principalmente cuando las especificaciones son dadas en términosde respuesta transitoria.

Incertidumbre en los parámetros.

Impedancia de red en PCC.

Variación de parámetros con las condiciones de trabajo.

Importante modelar las pérdidas del convertidor.

Errores en las medidas.

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Identificación de parámetros. MRAS Identificación de parámetros. Técnica MRAS. Proceso iterativo.

AM. Modelo ajustable

RM. Modelo de referencia

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Identificación de parámetros. MRASK=1 Fin de estimación

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Respuesta transitoria de controladores de corriente resonantes

Cumplimiento de requerimientos dinámicos de códigos de red (LVRT and gridsupport), la respuesta transitoria del lazo de corriente es crucial.

Controladores resonantes son una buena opción para el control de corrienteen convertidores conectados a red.

Sintonización de controladores resonantes :

Ganancia proporcional: regla habitual (ancho de banda <10 % frecuencia demuestreo).

Ganancia integral: sintonización apoyada en aspectos cualitativos.

Selectividad Vs dinámica.

Omisión de efectos del retardo.

No orientada a mejora del rechazo a perturbación.

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Respuesta transitoria de controladores de corriente resonantes

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Respuesta transitoria de controladores de corriente resonantes

Metodología basada en la inspección del lugar de las raíces discreto del errorde corriente causado por los transitorios.

Transitorios en la referencia ∆i*(z)

Transitorios en la perturbación ∆vPCC (z)

Con fs =10 kHz elevada, controladores VPI dan lugar a mayores tiempos deestablecimiento que controladores PR, tanto para cambios en la referenciacomo ante perturbación.

Con fs = 2.5 kHz, respuestas transitorias similares.

VPI más estable con fs bajas.

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Convertidor y circuitos auxiliares deben tener comportamiento pasivo a lascomponentes de frecuencia con amortiguamiento insuficiente. (Parte real dela admitancia de entrada no negativa).

Métodos activos para amortiguamiento de resonancia

Feedforward+ filtro.

Resistencia activa. En LCL, realimentación de corriente por condensador.

Método para conseguir pasividad hasta la frecuencia de Nyquist.

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Prevención de inestabilidad debida a resonancia Convertidores conectados a red (AFE). Oscilaciones de frecuencias super-

síncronas (centenas de Hz) debidas a resonancias insuficientementeamortiguadas.

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Prevención de inestabilidad debida a resonancia Elección de H(s) para conseguir pasividad.

Elección de H(s) para conseguir pasividad.

Análisis con diferentes controladores, marco estacionario/ síncrono.

Control P Control PR

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Fin de la presentación

¿Preguntas?

Jesús Doval [email protected]

http://webs.uvigo.es/jdoval