Implementación de un Flying Capacitor Converter trifásico controlado por Phase-Shifted Model Predictive Control

Abstract

Este trabajo presenta la implementación y validación experimental de la estrategia de control Phase-Shifted Model Predictive Control (PS-MPC) sobre un Flying Capacitor Converter (FCC) trifásico de tres celdas por fase. El PS-MPC utiliza la modulación Phase-Shifted Pulse-Width Modulation (PS-PWM), la cual genera un espectro fijo en las tensiones y corrientes de salida y produce un balance natural de las tensiones de los capacitores flotantes. Sin embargo, PS-PWM por sí sola no ejerce un control activo sobre dichas tensiones ni sobre la corriente de salida, por lo que el balance presenta una dinámica lenta y oscilatoria, determinada únicamente por los parámetros pasivos del sistema. El PS-MPC aborda esta limitación regulando activamente ambas variables sin perder dicho espectro. La formulación se basó en una propuesta secuencial ya existente para un FCC monofásico \cite, extendida en esta memoria al caso trifásico, lo que agregó un acoplamiento entre las tres fases a través de la tensión de modo común. Se desarrolló el modelo discreto del convertidor y la solución analítica del ciclo de trabajo óptimo de cada celda, resuelta de forma secuencial invirtiendo una matriz de dimensión fija, sin importar el número de celdas. La estrategia se evaluó inicialmente mediante simulaciones en PLECS y, tras habilitar el prototipo de FCC trifásico del laboratorio LIAcE, se implementó sobre una plataforma digital DSP TMS320C6713 y FPGA Spartan-6 para su validación experimental. El análisis de controlabilidad del modelo de predicción mostró que la penalización del esfuerzo de control lambda_d>0 es una condición necesaria para que la matriz de ponderación del problema de optimización sea invertible durante el arranque con capacitores descargados, lo que se confirmó en simulación mediante un caso límite. Un análisis de sensibilidad sobre los pesos de la función de costo permitió elegir la sintonización óptima usada como referencia para la validación experimental. La habilitación del prototipo incluyó (...).