Este proyecto se enfoca en la implementación y validación de la metodología asociada al Control Predictivo Finito Basado en Modelos (FCS – MPC) para mejorar el control de convertidores eléctricos de potencia. Para ello, se tienen como referencias bibliográficas principales documentos incluidos en la línea de investigación del grupo de trabajo liderado por José Rodríguez y Patricio Cortés de la Universidad Técnica Federico Santa María en Valparaíso, Chile. Se destaca el análisis al MPC convencional, orientado a mejorar la señal de salida en un inversor para sistemas trifásicos equilibrados por medio del espectro de frecuencia en la respuesta. Lo anterior, bajo diferentes escenarios de carga.
Específicamente se analiza el caso de un inversor trifásico de dos niveles, para lo cual este estudio se divide en varias fases: la revisión teórica conceptual e histórica asociada a la metodología; diseño y modelado del sistema incluyendo la implementación del controlador MPC; pruebas de simulaciones bajo diferentes escenarios; comparación entre los resultados obtenidos; y, finalmente, el análisis de resultados y conclusiones.
Inicialmente, en el capítulo CAPITULO 6 se establecen las bases teóricas esenciales, abarcando los temas asociados al marco histórico y conceptual de la metodología para un conjunto de control finito (FCS-MPC) y una breve descripción de algunas de los principales esquemas de control existentes en este campo. Así mismo, se incluye la obtención del sistema de ecuaciones asociadas a la discretización del modelo del inversor trifásico conectado a una carga, la transformación de Clarke para sistemas trifásicos equilibrados y, posteriormente, se desarrolla un modelo complejo de variables eléctricas en el espacio αβ, esencial para el MPC. Finalmente se presenta la función de costo asociada al algoritmo de control.
En el capítulo 7 se continúa con la explicación de la metodología a utilizar, así como los modelos implementados para la ejecución del proyecto. Adicionalmente, se incluye la descripción del código implementado. La innovación principal radica en una modificación a la estrategia MPC tradicional, lo cual permite el resultado deseado en la respuesta del inversor a partir del controlador propuesto. Tras las especificaciones del ajuste implementado, se explica el proceso de obtención de las respuestas de corriente óptimas por medio de la estrategia del MPC desarrollada.
Particularmente se proponen dos modelos. El primero, denominado cómo “Modelo Teórico”, consiste en la simulación del sistema de ecuaciones obtenidas a partir de la discretización matemática de un inversor trifásico de dos niveles conectado a una carga en Simulink. Por su parte, el segundo modelo denominado cómo “Inversor Conectado a una Carga Lineal RL”, consiste en la implementación del inversor y la carga a partir de los bloques especializados de la librería “Specialized Power Systems” de Simulink para su evaluación con el algoritmo de control presentado.
En el capítulo CAPITULO 8 se presentan los resultados de la respuesta de corriente, señales de control a inversores y respuesta del espectro de frecuencia para los dos modelos planteados, bajo diferentes escenarios de carga y alimentación. A continuación, se realizan diversas simulaciones en MATLAB y Simulink para evaluar el rendimiento del controlador en distintos escenarios de simulación.
En el capítulo CAPITULO 9, a manera de conclusión, se presenta la validación de los resultados esperados sobre el comportamiento de la respuesta en frecuencia de corriente del inversor trifásico para todos los casos de estudio planteados. Este enfoque del MPC propone un avance en la electrónica de potencia, abriendo nuevas posibilidades para futuras investigaciones y aplicaciones en el campo del control de sistemas de potencia y la optimización de convertidores eléctricos.
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This project is based on the implementation and validation of the methodology associated with Finite Control Set Model Predictive Control (FCS-MPC) to improve the control of electrical power converters. To achieve this, key bibliographic references include various documents within the research line of the working group led by Jose Rodriguez and Patricio Cortes from the Technical University Federico Santa Maria in Valparaiso, Chile. The project emphasizes the analysis of conventional MPC, aimed at improving the output signal in an inverter for balanced three-phase systems through the frequency spectrum in the response, under different load scenarios.
Specifically, the study analyzes a two-level three-phase inverter, dividing the study into several phases. These phases include the theoretical, conceptual, and historical review of the methodology, the design and modeling of the system including the implementation of the MPC controller, simulation tests under different scenarios, comparison of the obtained results, and finally, the analysis of results and conclusions.
Initially, in chapter 6, the essential theoretical context is established, covering topics related to the historical framework of the methodology for a finite control set (FCS-MPC) and a brief description of some of the main existing methodologies in this field. Additionally, it includes the derivation of the system of equations associated with the discretization of the three-phase inverter model connected to a load, the Clarke transformation for balanced three-phase systems, and subsequently, the development of a complex model of electrical variables in the αβ space, essential for MPC. Finally, the cost function associated with the control algorithm is presented.
In chapter 7, the explanation of the methodology to be used continues, as well as the models implemented for the execution of the project. Additionally, the description of the implemented code is included. The main innovation lies in a modification to the traditional MPC strategy, which allows the desired result in the inverter’s response from the proposed controller. Following the specifications of the implemented adjustment, the process of obtaining the optimal current responses with the developed MPC strategy is explained.
Specifically, two models are established: The first, called the “Theoretical Model”, consists of the simulation of the system of equations obtained from the mathematical discretization of a two-level three-phase inverter connected to a load in Simulink. The second, called “Inverter Connected to a Linear RL Load”, consists of the implementation of the inverter and the load using the specialized blocks from the “Specialized Power Systems” library in Simulink for its evaluation with the presented control algorithm.
In chapter 8, the results of the current response, control signals to inversions, and frequency spectrum response for the two proposed models under different load and supply scenarios are presented. Various simulations are carried out in MATLAB and Simulink to evaluate the controller’s performance in different simulation scenarios.
In chapter 9, the project concludes with the validation of the expected results on the frequency response behavior of the current of the three-phase inverter for all the proposed case studies. This advanced MPC approach represents a significant advancement in power electronics, opening new possibilities for future research and applications in the field of power system control and the optimization of electrical converters.
Este proyecto se enfoca en la implementación y validación de la metodología asociada al Control Predictivo Finito Basado en Modelos (FCS – MPC) para mejorar el control de convertidores eléctricos de potencia. Para ello, se tienen como referencias bibliográficas principales documentos incluidos en la línea de investigación del grupo de trabajo liderado por José Rodríguez y Patricio Cortés de la Universidad Técnica Federico Santa María en Valparaíso, Chile. Se destaca el análisis al MPC convencional, orientado a mejorar la señal de salida en un inversor para sistemas trifásicos equilibrados por medio del espectro de frecuencia en la respuesta. Lo anterior, bajo diferentes escenarios de carga.
Específicamente se analiza el caso de un inversor trifásico de dos niveles, para lo cual este estudio se divide en varias fases: la revisión teórica conceptual e histórica asociada a la metodología; diseño y modelado del sistema incluyendo la implementación del controlador MPC; pruebas de simulaciones bajo diferentes escenarios; comparación entre los resultados obtenidos; y, finalmente, el análisis de resultados y conclusiones.
Inicialmente, en el capítulo CAPITULO 6 se establecen las bases teóricas esenciales, abarcando los temas asociados al marco histórico y conceptual de la metodología para un conjunto de control finito (FCS-MPC) y una breve descripción de algunas de los principales esquemas de control existentes en este campo. Así mismo, se incluye la obtención del sistema de ecuaciones asociadas a la discretización del modelo del inversor trifásico conectado a una carga, la transformación de Clarke para sistemas trifásicos equilibrados y, posteriormente, se desarrolla un modelo complejo de variables eléctricas en el espacio αβ, esencial para el MPC. Finalmente se presenta la función de costo asociada al algoritmo de control.
En el capítulo 7 se continúa con la explicación de la metodología a utilizar, así como los modelos implementados para la ejecución del proyecto. Adicionalmente, se incluye la descripción del código implementado. La innovación principal radica en una modificación a la estrategia MPC tradicional, lo cual permite el resultado deseado en la respuesta del inversor a partir del controlador propuesto. Tras las especificaciones del ajuste implementado, se explica el proceso de obtención de las respuestas de corriente óptimas por medio de la estrategia del MPC desarrollada.
Particularmente se proponen dos modelos. El primero, denominado cómo “Modelo Teórico”, consiste en la simulación del sistema de ecuaciones obtenidas a partir de la discretización matemática de un inversor trifásico de dos niveles conectado a una carga en Simulink. Por su parte, el segundo modelo denominado cómo “Inversor Conectado a una Carga Lineal RL”, consiste en la implementación del inversor y la carga a partir de los bloques especializados de la librería “Specialized Power Systems” de Simulink para su evaluación con el algoritmo de control presentado.
En el capítulo CAPITULO 8 se presentan los resultados de la respuesta de corriente, señales de control a inversores y respuesta del espectro de frecuencia para los dos modelos planteados, bajo diferentes escenarios de carga y alimentación. A continuación, se realizan diversas simulaciones en MATLAB y Simulink para evaluar el rendimiento del controlador en distintos escenarios de simulación.
En el capítulo CAPITULO 9, a manera de conclusión, se presenta la validación de los resultados esperados sobre el comportamiento de la respuesta en frecuencia de corriente del inversor trifásico para todos los casos de estudio planteados. Este enfoque del MPC propone un avance en la electrónica de potencia, abriendo nuevas posibilidades para futuras investigaciones y aplicaciones en el campo del control de sistemas de potencia y la optimización de convertidores eléctricos.
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This project is based on the implementation and validation of the methodology associated with Finite Control Set Model Predictive Control (FCS-MPC) to improve the control of electrical power converters. To achieve this, key bibliographic references include various documents within the research line of the working group led by Jose Rodriguez and Patricio Cortes from the Technical University Federico Santa Maria in Valparaiso, Chile. The project emphasizes the analysis of conventional MPC, aimed at improving the output signal in an inverter for balanced three-phase systems through the frequency spectrum in the response, under different load scenarios.
Specifically, the study analyzes a two-level three-phase inverter, dividing the study into several phases. These phases include the theoretical, conceptual, and historical review of the methodology, the design and modeling of the system including the implementation of the MPC controller, simulation tests under different scenarios, comparison of the obtained results, and finally, the analysis of results and conclusions.
Initially, in chapter 6, the essential theoretical context is established, covering topics related to the historical framework of the methodology for a finite control set (FCS-MPC) and a brief description of some of the main existing methodologies in this field. Additionally, it includes the derivation of the system of equations associated with the discretization of the three-phase inverter model connected to a load, the Clarke transformation for balanced three-phase systems, and subsequently, the development of a complex model of electrical variables in the αβ space, essential for MPC. Finally, the cost function associated with the control algorithm is presented.
In chapter 7, the explanation of the methodology to be used continues, as well as the models implemented for the execution of the project. Additionally, the description of the implemented code is included. The main innovation lies in a modification to the traditional MPC strategy, which allows the desired result in the inverter’s response from the proposed controller. Following the specifications of the implemented adjustment, the process of obtaining the optimal current responses with the developed MPC strategy is explained.
Specifically, two models are established: The first, called the “Theoretical Model”, consists of the simulation of the system of equations obtained from the mathematical discretization of a two-level three-phase inverter connected to a load in Simulink. The second, called “Inverter Connected to a Linear RL Load”, consists of the implementation of the inverter and the load using the specialized blocks from the “Specialized Power Systems” library in Simulink for its evaluation with the presented control algorithm.
In chapter 8, the results of the current response, control signals to inversions, and frequency spectrum response for the two proposed models under different load and supply scenarios are presented. Various simulations are carried out in MATLAB and Simulink to evaluate the controller’s performance in different simulation scenarios.
In chapter 9, the project concludes with the validation of the expected results on the frequency response behavior of the current of the three-phase inverter for all the proposed case studies. This advanced MPC approach represents a significant advancement in power electronics, opening new possibilities for future research and applications in the field of power system control and the optimization of electrical converters. Read More
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