CONTROL DUAL BASADO EN FCS-MPC Y EMPC CON ACCIÓN INTEGRAL APLICADO A UN CONVERTIDOR MULTINIVEL FLYING CAPACITOR

Abstract

En las ´ultimas d´ecadas los convertidores de potencia han presentado mejoras constantes, tanto en la potencia m´axima que pueden manejar como en la calidad de la se˜nal de salida. Para aprovechar estos avances es esencial contar con una buena t´ecnica de control, dentro de las cuales el Control Predictivo basado en el Modelo (MPC, Model Predictive Control) ha tomado fuerza debido a su buena respuesta din´amica, simplicidad de implementaci ´on y manejo de no-linealidades, en comparaci´on con el esquema de Control Lineal. El control MPC depende fuertemente del modelo que se tenga de la planta, por lo que cualquier error que exista en los par´ametros se ver´a reflejado en las variables de salida. La estrategia MPC por Conjunto Finito de Actuaciones(FCS-MPC, Finite Control Set- Model Predictive Control) calcula las variables de salida a partir de las posibles actuaciones (dadas por los estados de los semiconductores qu´e componen al convertidor). As´ı por medio de una funci´on de costo, que depende de los errores cuadr´aticos, se elige cual actuaci´on aplicar. Este tipo de control tiene algunos inconvenientes en el dominio de la frecuencia, ya que el espectro se encuentra ampliamente esparcido debido a la conmutaci´on a frecuencia no uniforme de los semiconductores, existiendo la posibilidad de excitar resonancias no modeladas y afectar el uso de filtros que se quieran utilizar para disminuir el contenido arm´onico. Esta estrategia tiene el inconveniente de poseer error en estado estacionario no nulo, a pesar de que los par´ametros del sistema est´en bien ajustados. Lo m´as favorable de este control es la rapidez con la cual se llega a una vecindad cercana a la referencia. Otro tipo de MPC es el Control Predictivo Expl´ıcito basado en el Modelo (EMPC, Explicit Model Predictive Control), el cual calcula la actuaci´on que permite obtener la salida deseada y que es aplicada por medio de la modulaci´on de ancho de pulsos (PWM, Pulse-Width Modulation). El error en los par´ametros de la planta se ve reflejado en el estado estacionario, situaci´on que es m´as notoria que en el esquema FCS-MPC. Por otro lado, gracias a la modulaci´on, la se˜nal de salida posee un espectro bien definido y se tiene un control directo sobre la frecuencia de conmutaci´on de los semiconductores. Para solucionar el problema del error en estado estacionario se implementan observadores de estados, que compensan la diferencia existente. Es por esto que, en este trabajo, al control EMPC se le agrega el nombre de acci´on integral. Para poder combinar las mejores prestaciones de los dos esquemas ya mencionados, se propone un esquema de control dual, en el cual durante el estado transitorio act´ua el control FCS-MPC, para luego dar paso al EMPC con acci´on integral. De esta forma se tiene un control dual simple de implementar y que logra llevar las variables de salida a la referencia deseada en pocos ms. Para demostrar el correcto funcionamiento del esquema propuesto, se controlar´a un convertidor de potencia Flying Capacitor (FC) trif´asico de tres celdas de una potencia de 8 kW, el cual alimentar´a una carga est´atica R-L. Desde el punto de vista del control esta topolog´ıa es altamente exigente, debido a las no-linealidades (multiplicaci´on de estados por entradas en las ecuaciones del modelo) y restricciones presentes en el sistema, lo que demostrar´a que el esquema posee una gran robustez.