Projeto e análise de controladores robustos aplicados a inversores trifásicos de fontes ininterruptas de energia (UPS)

Abstract

O objetivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de controladores robustos baseados no princípio do modelo interno, em referenciais síncrono e estacionário, para aplicação ao estágio de saída de uma fonte ininterrupta de energia (UPS) a fim de minimizar a distorção na tensão de saída causada pela conexão de cargas não lineares balanceadas e desbalanceadas. A formulação em referencial estacionário (abc) é realizada através da aplicação de controladores com múltiplos modos ressonantes, a fim de se estabelecer erro nulo ao seguimento de referência senoidal e rejeição de distúrbios na tensão de saída devido às correntes com elevado conteúdo harmônico drenadas pelas cargas. Além disso, o controle é formulado em referencial síncrono (dq0) utilizando controladores Proporcional-Integral (PI) convencionais muito difundidos na maioria das aplicações comerciais de UPS. O projeto de ambos controladores é realizado utilizando uma metodologia de controle robusto com realimentação de estados, onde os parâmetros dos controladores são determinados através da resolução de um problema de otimização convexa sujeito a um conjunto de restrições na forma de desigualdades matriciais lineares (LMI). Uma análise comparativa de desempenho é realizada entre controladores com um modo ressonante (sintonizado na fundamental) e o PI em dq0, pois apresentam estruturas funcionalmente equivalentes sob a ótica do princípio do modelo interno aplicada a seus respectivos referenciais. Além do mais, demonstra-se a melhoria no desempenho com o uso dos controladores múltiplo ressonantes em referencial estacionário onde escolhe-se as frequências de ressonância de cada modo de maneira a suprimir os efeitos de harmônicas específicas na tensão de saída da UPS. A análise comparativa entre os controladores propostos é realizada através de simulações numéricas, utilizando os procedimentos de ensaio dinâmico e estático e as exigências estabelecidas pela norma internacional IEC 62040-3.

The main objective of this work is the development of robust controllers based on the internalmodel principle, in synchronous and stationary frames, applied to the output stage of an uninterruptible power supply (UPS), in order to minimize the output voltage distortion caused by the connection of balanced and unbalanced nonlinear loads. The formulation in stationary abc-frame is accomplished through the aplication of a multiple resonant controller, so that, it is possible to achieve zero-error tracking of the sinusoidal reference and disturbances rejection on the output voltage due to the high amount of harmonic currents drained by the loads. Moreover, a controller in synchronous reference frame (dq0 axis) is formulated through the application of conventional Proportional-Integral (PI) controllers which are widely used in comercial UPS applications. The design of both controllers is formulated using a state-feedback robust controlmethod, in which the controller parameters are determined by solving a convex optimization problem subject to a set of LMI constraints. A comparative analysis on the performance of the single-mode resonant controller (tuned at the fundamental frequency) and the PI controller is performed, because these controllers are functionally equivalent in the sense of the internal model principle applied to their respective frames. Furthermore, the improvement in performance is demostrated with the use of multiple resonant controllers in stationary abc-frame where the resonance frequencies are chosen to suppress the effects of a specific harmonic in the UPS output voltage. The comparative analysis of the proposed controllers is performed through numerical simulations, making use of the dynamical and steady-state test methods and performance requirements defined by the IEC 62040-3 international stardard.