CONTROL PREDICTIVO DE UN QUASI-Z-SOURCE INVERTER PARA SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Abstract

Este trabajo presenta un control predictivo basado en modelo con estados finitos(FCS-MPC) para un sistema fotovoltaico, este sistema fotovoltaico est´a compuesto poruna fuente DC y un Quasi-Z-Source Inverter (qZSI) conectado a la red. El objetivoprincipal es investigar, simular y analizar las ventajas que este m´etodo de control ofrecepara esta topolog´ia.Inicialmente se investigan trabajos relacionados con este tema, con el objetivo deconocer las ventajas y caracter´isticas del convertidor qZSI, y para comprobar que dichascaracter´isticas encajan con aplicaciones para sistemas fotovoltaicos. Adem´as, se buscaentender en profundidad el funcionamiento del qZSI y el FCS-MPC.Durante este trabajo se define que son las topolog´ias de convertidores fuente deimpedancia y las razones por las cuales son una opci´on interesante con respecto a losconvertidores fuentes de voltaje y fuente de corriente tradicionales. Primero se explicael funcionamiento del convertidor fuente de impedancia b´asico llamado Z-Source Inverter(ZSI), y luego se analiza en profundidad la topolog´ia mejorada llamada qZSI.Tambi´en se explica al detalle el FCS-MPC enfocado a la electr´onica de potencia.Se simula la t´ecnica de modulaci´on llamada Simple Boost Control PWM para elqZSI, con el objetivo de validar el modelo matem´atico del convertidor y encontrar unpunto de operaci´on que satisfaga la aplicaci´on para el sistema fotovoltaico propuesto.Finalmente, se utiliza un modelo predictivo del convertidor para simular el FCS-MPC,dicho modelo predictivo es deducido a partir de las ecuaciones que describen al qZSI.Se analizan los resultados obtenidos de las simulaciones en estado estacionario ydurante transiente.Las simulaciones muestran que el control predictivo es un m´etodo apropiado parael qZSI, se muestra como las corrientes de red, la corriente en el inductor L1 y elvoltaje en el condensador C1 siguen muy bien a sus referencias en estado estacionarioy durante un escal´on de corriente de entrada. A partir de una fuente DC de 30[V ] y255[W], se obtuvieron corrientes de red de una amplitud aproximada de 1[A] con unadistorsi´on arm´onica THD = 0;0185%. Para esto, se eleva la tensi´on de entrada desde30[V ] hasta 570[V ] en el enlace DC.

This work shows a Finite Control Set Model Predictive Control (FCS-MPC) for aphotovoltaic system, which is composed by a DC source and a grid connected Quasi-ZSourceInverter (qZSI). The principal objective is to investigate, simulate and analyzethe advantages that this control method offers for this topology.Works related with this topic are investigated, in order to know the advantagesand features of the Quasi-Z-Source Inverter, and to prove that this features suit withapplications for photovoltaic systems. Furthermore, this investigation seeks to deeplyunderstand the behavior of the Quasi-Z-Source Inverter and FCS-MPC.On this work the impedance source (z-source) topologies are defined, and thereasons that this type of topologies are an interesting option respect to the voltage sourceand current source converters are showed. First, the behavior of the basic Z-SourceInverter (ZSI) is explained, then, the improved topology called Quasi-Z-Source Inverteris deeply analyzed. Also, the Finite Control Set Model Predictive Control is explainedin detail with a power electronics approach.The modulation technique called Simple Boost Control Pulse Width Modulation(SBC-PWM) for the Quasi-Z-Source Inverter is simulated on this work, in order tovalidate the mathematical model of the converter and find an operational point that satisfiedthe application for the photovoltaic system proposed. Finally, a predictive modelof the converter is used to simulate the predictive control, this predictive model is deducedfrom the equations that describe the Quasi-Z-Source Inverter. The obtained resultsfrom the simulations are analyzed on steady state and transient.The simulations show that predictive control is an appropriate control method forthe Quasi-Z-Source Inverter. The grid currents, the current of the inductor L1 and thevoltage of the capacitor C1 follow their references very well on steady state and duringa source current step. From a DC source of 30[V ] and 255[W], a grid currents amplitudeof 1[A] is obtained, with a total harmonic distortion THD = 0;0185%. To get this, thesource voltage is boosted from 30[V ] to 570[V ] on the DC-link.