Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This dissertation deals with the design of a robust current control loop applied to voltage source inverters connected to the grid thought LCL-filter used in distributed generation systems. The utilization of the LCL-filter bring the need of damping the characteristic resonance of the filter. Two alternatives are generally considered in the literature. The passive damping, that add a passive element, generally a resistor or a additional passive element in the filter circuit and the active damping, that introduce a specific controller in the inverter current control loop. The active damping present more flexibility in the implementation and do not present energy losses like passive damping, so is the preferred damping method in high power applications. The main challenge to the damping method is keep the performance and avoid instability and controllers interactions even when impedance variations occur in the grid. In this dissertation, are proposed two control schemes for achieve the active damping of the filter resonance. In the first one, a robust partial state feedback is derived to allocate the poles of the LCL-filter inside the unity ratio circle for a given grid impedance variation. The feedback gains are obtained by a LMI condition that assure robust pole location in a pre-establish region of the unity ratio circle. In the second method, is proposed a predictive state estimator based on the multirate observers theory. This estimator allow feeding back the estimated stated by the measure of only one state variable. Moreover, the predictive action of the observer, eliminate the time delay of the control loop improving the stability margins of the system. Experimental results of a setup of 10kW DSP based are presented. / Esta dissertação de mestrado trata do projeto de uma malha de controle de corrente robusta para inversores alimentados em tensão conectados à rede através de filtro-LCL, utilizados em sistemas de geração distribuída. A utilização do filtro-LCL traz consigo a necessidade do amortecimento adequado da ressonância característica deste filtro. Dois tipos de amortecimento são apresentados na literatura para solucionar este problema. O amortecimento passivo, que consiste na introdução de um resistor ou filtro passivo adicional no circuito e o amortecimento ativo, que é baseado na introdução de um controlador digital específico na malha de controle de corrente do inversor. O amortecimento ativo, por apresentar maior flexibilidade de implementação e não apresentar perdas de energia, é o método preferencialmente utilizado. O principal desafio na utilização do amortecimento ativo é manter um desempenho satisfatório na presença de incertezas na impedância da rede no ponto de conexão. Neste trabalho, são propostas duas técnicas de amortecimento ativo robusto. Na primeira delas, uma retroação parcial de estados robusta é obtida para alocar os pólos da planta numa região contida no círculo unitário para uma dada faixa de variação de impedância da rede. Os ganhos da retroação de estados são obtidos a partir de um sistema de desigualdades matriciais lineares (LMI), que garantem alocação robusta dos pólos do sistema afetado por incertezas paramétricas e por atraso de transporte. No segundo método é proposto um estimador preditivo de estados baseado em observadores por múltiplas amostras, que permite fazer a retroação de estados estimados a partir da medida de apenas um dos estados da planta. Além disso, elimina o atraso de transporte da implementação digital aumentando a robustez do sistema. Resultados experimentais de um inversor de 11 kW controlado por um DSP de ponto fixo, conectado à rede com um filtro-LCL são apresentados para validar as analises desenvolvidas e demonstrar o bom desempenho dos controladores propostos.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-05-05T18:23:07Z No. of bitstreams: 1 yuricalillouresdeoliveira.pdf: 2613361 bytes, checksum: b14d216c9e91ffe085e35724d58bc704 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-06-07T15:42:11Z (GMT) No. of bitstreams: 1 yuricalillouresdeoliveira.pdf: 2613361 bytes, checksum: b14d216c9e91ffe085e35724d58bc704 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-06-07T15:42:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 yuricalillouresdeoliveira.pdf: 2613361 bytes, checksum: b14d216c9e91ffe085e35724d58bc704 (MD5) Previous issue date: 2016-01-12 / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Esta dissertação apresenta um estudo de estratégias de alimentação de cargas hospitalares críticas utilizando conversores estáticos de energia. As cargas hospitalares escolhidas foram os equipamentos de raio x, tomografia computadorizada e ressonância magnética, sendo comparadas as seguintes formas de integração à rede: (i) estrutura com um retificador trifásico conectado à rede e três inversores monofásicos conectados às cargas ou (ii) estrutura com três retificadores monofásicos conectados à rede e três inversores monofásicos conectados às cargas. Por questões de patente, houve dificuldade em se encontrar os circuitos de front-end das fontes de alimentação das cargas hospitalares. Logo, as mesmas foram construídas dentro do ambiente de simulação do software PSIM utilizando dados de medição obtidos na literatura. O controle dos retificadores trifásico e monofásico foi realizados utilizando duas malhas de controle em cascata, com a malha interna controlando a corrente consumida da rede e a malha externa regulando a tensão no barramento CC. Para os três inversores monofásicos de saída foram implementados os controles PI RES e PI SRF visando uma comparação quanto ao desempenho. Como forma de validar o modelo matemático do sistema e o algoritmo de controle, foram feitas simulações utilizando o software PSIM. A análise feita comprovou que os resultados de simulação se mostraram coerentes com a modelagem matemática do sistema. / This master thesis presents a study about feeding strategies of critical hospital loads through power static converters. The chosen hospital loads were the x ray equipment, the computed tomography and the magnetic resonance. The following forms of grid integration were compared: (i) structure with a three-phase rectifier connected to the network and three single-phase inverters connected to the loads or (ii) structure with three single-phase rectifiers connected to the network and three single-phase inverters connected to the loads. Due to patent issues, it was difficult to find the front-end circuits for power supplies of hospital loads. Therefore, the loads were implemented in PSIM software environment using measurement data obtained from literature. The control of three-phase and single-phase rectifiers was implemented using two cascaded control loops, with the inner loop controlling the current drawn from the network and the outer loop regulating the DC bus voltage. For the single-phase inverter, PI RES and PI SRF controls were implemented, targeting a comparison in terms of performance. In order to validate the mathematical model of the system and the control algorithm, simulations were performed using the PSIM software. The analysis showed that the simulation results were consistent with the mathematical modeling of the system.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This thesis contributes to the analysis, project and implementation of discrete-time controllers based on the Internal Model Principle, aiming to improve the performance of three-leg three-phase PWM inverters with insulating output transformer usually found in the output stage of medium power double-conversion UPS. Initially, an investigation about issues concerning to the discrete-time models of three-phase inverters with space vector modulation and the LC filter have been carried out. This investigation shows the impact of different switching sequences, sampling instants and filter cut-off frequency on the harmonic spectrum of sampled variables used for feedback. This is a concern when the switching frequency is low to limit the switching losses as in medium and high power UPS. In this way, this thesis proposes sampling methods that make possible to reduce the low order harmonics on the interest variables, which is relevant when state feedback is used. These methods allow to obtain discrete-time average linear models useful for the controller design. In addition, the saturation of the insulating transformer is addressed in details. The dc component arising from the digital implementation and from the circuit measures non idealities, and then amplified by an inadequate choice of the controller, may lead the transformer to saturate. In order to solve this problem, and in accordance with the Internal Model Principle, internal models adequate to the plant under consideration as well as discrete-time voltage controllers in stationary and synchronous frames which are not prone to amplify the dc component, are proposed. Another goal of this thesis is the improvement of the UPS output voltage transient response due to linear and non linear load steps. This is obtained considering the sampling methods before mentioned, combined with internal models with reduced number of poles and low sampling rate. It is demonstrated that it is possible to improve significantly the output voltage transient responses, as well as to satisfy the rigorous classification of the standard IEC62040-3 for UPS without degrading the steady state performance. In addition, these control structures have enough stability margins, as proved in each case, and they results in simple and attractive solutions to be implemented in 8 or 16 bits fixed-point arithmetic microcontrollers and DSP with reduced memory space. The feasibility of the proposed solutions is verified with experimental results demonstrating both transient and steady-state performances. Finally, a comparative analysis of the proposed control structures, over the light of the standard IEC62040-3, is presented. / A presente tese de doutorado contribui para a análise, projeto e implementação de controladores discretos baseados no Princípio do Modelo Interno, com o intuito de aprimorar o desempenho de inversores trifásicos PWM a três braços com transformador isolador usualmente utilizados no estágio de saída de UPS de dupla conversão de média potência. Inicialmente se realiza uma investigação sobre os aspectos relacionados à obtenção do modelo discreto de inversores trifásicos com modulação space vector e do filtro de saída. Essa investigação mostra o impacto de diferentes seqüências de comutação, instantes de amostragem e freqüência de corte do filtro no conteúdo harmônico das variáveis amostradas usadas para realimentação. Isso é uma preocupação quando a freqüência de comutação é baixa para limitar as perdas em UPS de média e alta potência. Nesse sentido essa tese propõe métodos de amostragem que possibilitam reduzir as harmônicas de baixa ordem nas variáveis de interesse o que adquire importância quando se realiza a realimentação dos estados da planta. Esses métodos permitem a obtenção de modelos médios lineares úteis para o projeto do controlador. Além disso, a saturação do transformador de isolação é analisada em detalhe. A componente contínua oriunda da implementação digital e das não idealidades dos circuitos de medição, e amplificada por uma escolha inadequada do controlador, pode levar o transformador à saturação. Com o intuito de solucionar esse problema, e de acordo com a teoria do Princípio do Modelo Interno, são propostos modelos internos adequados à planta em questão bem como controladores discretos de tensão em eixos estacionários e síncronos, que não tem tendência a amplificar a componente contínua. Outro dos objetivos dessa tese é o aprimoramento da resposta transitória das tensões de saída da UPS na presença de degraus de carga linear e não linear. Isso é obtido considerando-se os métodos de amostragem mencionados acima, combinado com modelos internos com número de pólos e taxa de amostragem reduzidos. Demonstra-se que é possível aprimorar significativamente a resposta transitória das tensões de saída bem como satisfazer a exigente classificação da norma IEC62040-3 para UPS, sem degradar o desempenho de regime permanente. Além disso, essas estruturas de controle possuem suficiente margem de estabilidade, como provado em cada caso, e estas resultam em soluções simples e atrativas para serem implementadas em microcontroladores e DSP de aritmética de ponto fixo, com palavras de 8 e 16 bits e capacidade reduzida de memória. A viabilidade prática das propostas realizadas é verificada com resultados experimentais em regime permanente e transitório. Finalmente, apresenta-se uma análise comparativa das estruturas de controle propostas, sob o enfoque da norma IEC62040-3.