Magíster en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica

En los últimos años, la electrónica de potencia ha experimentado un crecimiento significativo debido al desarrollo de las energías renovables y la aparición de tecnologías como la electromovilidad y los sistemas de transmisión HVDC. Esto ha impulsado el desarrollo de convertidores que sean capaces de satisfacer los diversos requisitos de estas aplicaciones. Los convertidores multinivel se han consolidado como una tecnología clave en este contexto, ya que permiten alcanzar los niveles de potencia, tensión y otros requisitos necesarios para estas tecnologías. El uso de estos convertidores requiere el empleo de técnicas de control avanzadas, lo que ha llevado al desarrollo de diversas estrategias para abordar este desafío. Uno de los métodos principales es el Model Predictive Control (MPC), el cual presenta varias ventajas que lo convierten en una opción sólida para los convertidores multinivel. Entre los principales beneficios de este esquema de control se encuentran su capacidad para incorporar no linealidades de manera sencilla y su habilidad para manejar el control multivariable sin que la formulación se vuelva excesivamente complicada. Sin embargo, es importante tener en cuenta que este tipo de estrategias puede tener un alto costo computacional cuando se utilizan en convertidores con un gran número de semiconductores, lo que podría limitar su viabilidad en algunos casos. En este estudio, se propone el desarrollo de un esquema de MPC con un costo computacional reducido al aprovechar las redundancias presentes en ciertas topologías de convertidores, específicamente en el Flying Capacitor Converter (FCC). Los resultados obtenidos serán validados mediante simulaciones y pruebas experimentales utilizando un FCC trifásico de 3 celdas con una potencia de 5 kW, alimentando una carga pasiva RL.

Power transference between energy sources and the power system must meet a long and rigorous list of technical and operational requirements. To this end, LCL filter grid–connected three–level neutral point clamped converters have become a popular configuration for medium–voltage high– power applications, such as integrating distributed energy resources. The presence of the LCL filter increases the complexity of the control system when using traditional linear control schemes, so model predictive control (MPC) strategies arise as a convenient alternative as they have proved to render excellent reference tracking together with a fast dynamic response. Nevertheless, the computational complexity of MPC strategies becomes an issue as commercial control platforms must execute the real–time calculations in some tens of microseconds. Among the possible MPC strategies available, multistep–finite–control–set (MFCS) MPC has already been proven to be a vi able option regarding computational burden. However, MFCS controllers do not generate periodic nor symmetric voltages between the phases of the system, resulting in continuous Fourier spec tra in the system’s states. This a fundamental drawback for grid–connected applications, as grid codes pose limits to the admissible amplitudes of the grid currents’ harmonic components, where the analysis over interharmonics depends on the specific application, making MFCS controllers unsuitable for this type of application. On the other hand, optimal pulse patterns (OPP) guaran tee a low and fixed switching frequency of the semiconductors while minimizing the distortion of the state variables. However, the state–of–the–art formulations for OPPs assume that the system can be modeled as a purely inductive load. Such a model would lead to suboptimal performance and would not allow adding constraints that guarantee meeting with grid codes regarding the grid currents. This work proposes integrating two optimization stages dealing with different control objectives into a single and generalized control framework. This framework was then used to develop a control strategy (OPP–MFCS) that combines the benefits of OPPs and MFCS controllers. To this end, a novel formulation for OPPs considering the model of the LCL filter was proposed, allowing the direct minimization of the total demand distortion (TDD) of the grid currents while guaranteeing that the admissible limits for the harmonic components are met. On the other hand, by formulating a novel variable–step–size prediction horizon MFCS controller, extending the time–span covered by the prediction horizon with no additional computational burden was possible. This improvement led to an enhanced controller performance regarding both transient and steady–state responses of the system. Extensive analyses of the contributions regarding OPPs, MFCS controllers, and the OPP– MFCS strategy were held. The OPP–MFCS strategy was tested through both simulation and hardware–in–the–loop experiments, showing its capability of meeting with the IEEE Std. 519– 2022 technical standard while the converter operates at a low and fixed switching frequency of the semiconductors, with periodic and symmetric voltages, fulfilling all control objectives defined.

En este documento se presenta el trabajo realizado por el autor en el marco de la tesis para optar al grado de magı́ster en ciencias de la ingenierı́a eléctrica titulada ”Medición de radiofrecuencia mediante antenas para diagnóstico complementario en dispositivos plasma foco”. Dicho trabajo consistió en una colaboración entre el Departamento de Ingenierı́a Eléctrica, en particular el laboratorio de alta tensión LIDAT, de la Universidad Técnica Federico Santa Marı́a Campus San Joaquı́n y el laboratorio de plasma y fusión nuclear de la Comisión Chilena de Energı́a Nuclear. En especı́fico, la labor experimental fue realizada en dependencias de este último laboratorio y utilizando uno de los dispositivos de plasma pulsado disponibles. En esta tesis se estudia la medición con antenas de los pulsos electromagnéticos emitidos por el dispositivo de plasma pulsado denominado plasma foco, con el fin de realizar un diagnóstico de su operación de manera remota y no invasiva. En estos dispositivos se produce un plasma denso de alta temperatura a través de una compresión z-pinch, que genera las condiciones para la emisión de radiación electromagnética de alta energı́a, como rayos X, y haces de partı́culas, electrones e iones positivos. Adicionalmente, se pueden producir neutrones si se usa deuterio como gas de trabajo, los cuales son evidencia de que reacciones de fusión nuclear han ocurrido. La duración del plasma denso es corta, en el orden de nanosegundos, por lo que los productos de la descarga se emiten de forma pulsada. Debido a que en esta descarga los fenómenos son transitorios y además exhiben un comportamiento no lineal, en el circuito eléctrico que energiza al dispositivo se generan las condiciones para la emisión de radiación electromagnética desde los conductores eléctricos del dispositivo, es decir, un pulso electromagnético que se puede detectar en el rango de radiofrecuencia. Indirectamente este pulso está relacionado con la dinámica de la descarga que se desarrolla en el plasma foco, de esta forma se pueden aprovechar estos pulsos para caracterizar la descarga a distancia. El objetivo de esta tesis se centra en la medición de los pulsos electromagnéticos con antenas y la relación que tienen con otros diagnósticos usados para el plasma foco: medición de corriente y tensión, usando bobina Rogowski y divisor resistivo respectivamente, y medición de rayos X afuera de la cámara de vacı́o usando un sistema centellador-fotomultiplicador.

Las tecnologías emergentes como los recursos energéticos distribuidos y las redes inteligentes han incrementado la necesidad de desarrollar herramientas analíticas que permitan analizar la confiabilidad de las redes de distribución. En esta línea, la insta- lación de equipos de protección permite aislar localizadamente las fallas disminuyendo la cantidad de usuarios que quedan sin suministro. Sin embargo la mayoría de los mo- delos utilizados para seleccionar y localizar los equipos de protección no consideran los requerimientos de coordinación ni criterios de factibilidad para los esquemas de salva- mento, lo cual se traduce en soluciones no implementables o incapaces de cumplir con los estándares propuestos. En este trabajo de tesis se presenta un modelo de programación lineal entero mixto para la selección, localización y coordinación simultánea de equipos de protección (reco- nectadores y fusibles), incorporando un criterio eléctrico para la factibilidad de los esque- mas de salvamento en los fusibles. Indicadores de confiabilidad locales y penalizaciones económicas por traspasar los estándares mínimos de confiabilidad han sido incorpora- dos en el modelo, entregando herramientas adicionales para la toma de decisiones. El esquema propuesto fue validado en redes de distribución pequeñas, para posteriormen- te implementarse en sistemas de hasta 1080 nodos. Los experimentos computacionales muestran que la inclusión de los esquemas de salvamento y la coordinación de protec- ciones tiene un gran impacto en los costos y en las medidas de confiabilidad del sistema. Además, los modelos de la literatura consideran la información de confiabilidad como determinista, utilizando valores esperados o promedios de la data histórica. La aleatorie- dad de las fallas en los sistemas de distribución no siempre es correctamente representada con estos parámetros, implicando incrementos en los costos de inversión/operación o de- terioros en los estándares de confiabilidad planificados. El trabajo propuesto incluye un análisis del efecto que tiene la incertidumbre de las tasas de falla y los tiempos de repa- ración en el modelo de localización de equipos de protección. Los resultados muestran que pequeñas variaciones pueden ser críticas en términos de costo y confiabilidad.

This Thesis addresses the identification problem of output-error systems with nonGaussian measurement noise. Initially the problem is restricted to minimum phase noise zeros, i.e. the roots of the numerator associated with the noise transfer function lies within the unit circle. The noise distribution is approximated by a finite Gaussian mixture, whilst the parameters of the system and the parameters that approximate the noise distribution are simultaneously estimated using the principle of Maximum Likelihood. To this end, a global optimization algorithm is utilized to solve the resulting nonconvex optimization problem. It is shown that our approach improves the accuracy of the estimates, when compared with classic estimation techniques such as the Prediction Error Method (PEM), in terms of covariance of the estimation error, while also obtaining an approximation of the noise distribution. The benefits of the proposed technique are illustrated by numerical simulations. Later, a Maximum Likelihood estimation algorithm for a non-minimum-phase linear dynamic system with Gaussian mixture noise distribution is developed. Based on the Expectation-Maximization algorithm, we propose an identification technique to estimate the system model parameters and the Gaussian mixture parameters. We show that the estimates obtained by using this approach exhibit good accuracy. The benefits of our proposal are illustrated via numerical simulations. The work hereby presented is divided in three main parts. First, an overview of classical system identification and the state of the art technique, given by the Method of Moments, for solving the problem of interest is discussed. The second part of the thesis presents a solution based on a global optimization method, given by the Pattern Search algorithm, to solve the Maximum Likelihood estimation problem. A Gaussian Mixture Model is considered to approximate the noise distribution and its parameters are simultaneously estimated with the system parameters. The third part of the thesis addresses an extension by considering non-minimum phase noise zeros. An ExpectationMaximization based algorithm is proposed to estimate the system model arameters and the Gaussian mixture parameters.