Contributions to the multi-frequency control of gridtied voltage source converters

El interés por la producción de energía limpia está en aumento y la generación de este tipo de energía se puede fomentar mediante la instalación de generadores locales. Dichos generadores son conectados a la red de distribución a través de convertidores de potencia. Al mismo tiempo el número de cargas conectadas a la red está incrementando y con ello el número de cargas no lineales. Estas últimas consumen corrientes armónicas y esto provoca distorsión armónica a la red. En esta tesis se estudia y se presentan contribuciones en el control de los convertidores de potencia para que al mismo tiempo que se inyecta potencia, el convertidor sea capaz de actuar adecuadamente frente a la distorsión armónica del voltaje de la red (control multifrecuencial). En primer lugar, esta tesis cubrirá el estudio de las diferentes técnicas de control de corrientes armónicas y también de las diferentes técnicas de sincronización y detección de componentes armónicas de tensión presentes en la red. En cuanto al cálculo de referencias de corrientes armónicas, se explican las principales variantes dependiendo de la funcionalidad deseada y se estudia la entrega de potencia instantánea constante incluso con red distorsionada. Además, se propone un nuevo método de cálculo para eliminar las principales oscilaciones de potencia sin exceder las limitaciones de distorsión de corrientes. También se describen las limitaciones del convertidor cuando se trabaja con componentes fundamentales y armónicas. Se analizan los principales saturadores multifrecuenciales para evitar la sobremodulación y se propone un nuevo saturador que no empeora la dinámica total del sistema y siempre consigue el mínimo THD de corriente. Por último, se aborda la problemática de la distorsión armónica del voltaje de red. Primero se estudia la compensación de las corrientes consumidas por cargas locales y después se propone la compensación directa de la tensión del PCC. En esta tesis se intenta incrementar el número de funcionalidades que puede desempeñar el convertidor para que además de entregar potencia, sea capaz de mejorar la calidad de la red, sin exceder las limitaciones físicas del convertidor. Cada una de las contribuciones es validada mediante resultados de simulación y experimentales

Contributions to cascade linear control strategies applied to grid-connected Voltage-Source Converters

El trabajo desarrollado en esta Tesis se centra en optimizar el comportamiento de Voltage-Source Converters (VSCs) cuando son utilizados como interfaz con la red eléctrica, tanto para absorber como para entregar energía de la red con la mejor calidad posible y cumpliendo con los estándares. Para tal fin, esta Tesis se centra en el control de sistemas lineales conectados en cascada aplicados al control de VSCs conectados en paralelo con la red eléctrica a través de un filtro L, especialmente en conexiones con redes débiles y en dos líneas de trabajo: (i) seguimiento de armónicos de las corrientes de red y rechazo de armónicos de las tensiones de red, y (ii) control de la tensión del PCC en caso de desequilibrio. Para ello, esta Tesis realiza contribuciones en el área del control de corriente y control de la tensión del PCC. De entre las técnicas existentes para implementar el control de corriente para compensación armónica, dos de las más utilizadas son el control resonante y el control repetitivo, tanto en ejes de referencia estacionarios como síncronos. Se ha realizado un exhaustivo estudio de diferentes estructuras para implementar tales controles, mostrando su algoritmo adaptativo en frecuencia para cada una de ellas y analizando su carga computacional. Además, se han facilitado directrices básicas para su programación en un DSP. Se ha analizado también el esquema de control de corriente para establecer una comparación entre las diferentes estructuras. Después de estudiar en profundidad el control de corriente de un VSC conectado a la red eléctrica, el segundo control a analizar es el control de tensión del PCC. La presencia de una tensión desequilibrada en el PCC da lugar a la aparición de una componente de corriente de secuencia negativa, que deteriora el comportamiento del sistema de control cuando se emplean las técnicas de control convencionales. Los STATCOMs son bien conocidos por ser una aplicación de potencia capaz de llevar a cabo la regulación de la tensión en el PCC en líneas de distribución que pueden ser susceptibles de sufrir perturbaciones. Esta Tesis propone el uso de un controlador de tensión en ejes de referencia síncronos para compensar una tensión desequilibrada a través de un STATCOM, permitiendo controlar independientemente tanto la secuencia positiva como la secuencia negativa. Además, este controlador incluye aspectos como un mecanismo de antiwindup y droop control para mejorar su comportamiento. Se han realizado varias pruebas experimentales para analizar las características de los controladores de corriente abordados en esta Tesis. Todas ellas han sido realizadas bajo las mismas condiciones de potencia, tensión y corriente, de modo que se pueden extraer resultados comparativos. Estas pruebas pretenden caracterizar la respuesta transitoria, la respuesta en régimen permanente, el comportamiento frente a saltos de frecuencia y la carga computacional de los controladores de corriente estudiados

Cognitive Vehicle Platooning in the Era of Automated Electric Transportation

Vehicle platooning is an important innovation in the automotive industry that aims at improving safety, mileage, efficiency, and the time needed to travel. This research focuses on the various aspects of vehicle platooning, one of the important aspects being analysis of different control strategies that lead to a stable and robust platoon. Safety of passengers being a very important consideration, the control design should be such that the controller remains robust under uncertain environments. As a part of the Department of Energy (DOE) project, this research also tries to show a demonstration of vehicle platooning using robots. In an automated highway scenario, a vehicle platoon can be thought of as a string of vehicles, following one another as a platoon. Being equipped by wireless communication capabilities, these vehicles communicate with one another to maintain their formation as a platoon, hence are cognitive. Autonomous capable vehicles in tightly spaced, computer-controlled platoons will lead to savings in energy due to reduced aerodynamic forces, as well as increased passenger comfort since there will be no sudden accelerations or decelerations. Impacts in the occurrence of collisions, if any, will be very low. The greatest benefit obtained is, however, an increase in highway capacity, along with reduction in traffic congestion, pollution, and energy consumption. Another aspect of this project is the automated electric transportation (AET). This aims at providing energy directly to vehicles from electric highways, thus reducing their energy consumption and CO2 emission. By eliminating the use of overhead wires, infrastructure can be upgraded by electrifying highways and providing energy on demand and in real time to moving vehicles via a wireless energy transfer phenomenon known as wireless inductive coupling. The work done in this research will help to gain an insight into vehicle platooning and the control system related to maintaining the vehicles in this formation

Payload analysis and control of manipulators for human interactive environments

Esta tesis doctoral presenta los resultados de simulaciones numéricas y algunos análisis experimentales de tres aspectos principales: el modelamiento dinámico de manipuladores de múltiples grados de libertad (GdL) (n 2 GdL), el cálculo de la capacidad dinámica de carga asociada al manejo de dicha carga, y el análisis y diseño de controladores no lineales incluyendo el Control Adaptativo por Desfalsificación (CAD). Se desarrollaron análisis de dos (2) casos de estudio: el SCORBOT ER V PLUS fabricado por Intelitech Corp. de 5 grados de libertad y el manipulador redundante de 7 grados de libertad conocido como el Whole Arm Manipulator (WAM) fabricado por Barrett Technology Inc. y que cuenta con características de seguridad intrínseca, manipulación inversa y docilidad, y es aplicable en la interacción humano-robot (IHR). Inicialmente, se calculó y validó el modelado dinámico de los casos de estudio. Los modelos dinámicos inverso y directo del SCORBOT ER V PLUS fueron validados numéricamente. Luego, una validación experimental para el WAM presenta una comparación entre los datos numéricos y experimentales, identificando la necesidad de un mejor modelo de la fricción seca. Después, se propuso y evaluó una metodología para el cálculo de la capacidad dinámica de carga en el espacio de trabajo completo de manipuladores para diferentes tipos de controladores. Luego, para el análisis del Control Adaptativo por Desfalsificación con factor de olvido para manipuladores de múltiples grados de libertad, se realizó una comparación con un controlador adaptativo tradicional basado en el modelo y se aplicó al modelo del manipulador SCORBOR ER V PLUS. Finalmente, la técnica de Control por Desfalsificación fue exitosamente aplicada al modelo del WAM. En conclusión, este trabajo puede contribuir al uso de técnicas de control no lineal avanzado y manejo de carga para manipuladores redundantes con manipulación inversa, aplicables en ambientes de interacción con humanosAbstract : This doctoral thesis presents the results of numerical simulations and some experimental analysis of three main topics: the dynamical modeling of multiple degree of freedom (MDoF) manipulators (n 2 DoF), dynamic load carrying capacity computation (DLCC) for the payload handling issue and nonlinear control analysis and design including Unfalsified Adaptive Control (UAC). We performed analysis of two (2) cases of study: the 5 DoF SCORBOT ER V PLUS manufactured by Intelitech Corp. and the 7 DoF redundant Whole Arm Manipulator (WAM) manufactured by Barrett Technology Inc. with intrinsic safety, backdrivable and compliant characteristics and suitable for human-robot interaction (HRI). Initially, we computed and validated the dynamical model of the cases of study. The inverse and direct dynamical models of the SCORBOT ER V PLUS were numerically validated. Then, an experimental validation of inverse dynamical model of the WAM presents a comparison between numerical and experimental data, identifying the need for better friction models. After that, we proposed and evaluated a methodology for DLCC computation in the entire workspace of manipulators for different types of controllers. Then, for the analysis of the data-driven UAC with fading memory for multiple DoF manipulators, we performed a comparison with a traditional modelbased Adaptive Controller and applied to the SCORBOT ER V PLUS manipulator. Finally, the Unfalsified Control technique was successfully applied to the WAM model for a similar simulation setup. In conclusion, this work may contribute to the use of advanced nonlinear control and payload handling techniques for redundant backdrivable multiple DoF manipulators, suitable for human interactive environmentsDoctorad

Computer Control: An Overview

Computer control is entering all facets of life from home electronics to production of different products and material. Many of the computers are embedded and thus ``hidden'' for the user. In many situations it is not necessary to know anything about computer control or real-time systems to implement a simple controller. There are, however, many situations where the result will be much better when the sampled-data aspects of the system are taken into consideration when the controller is designed. Also, it is very important that the real-time aspects are regarded. The real-time system influences the timing in the computer and can thus minimize latency and delays in the feedback controller. The paper introduces different aspects of computer-controlled systems from simple approximation of continuous time controllers to design aspects of optimal sampled-data controllers. We also point out some of the pitfalls of computer control and discusses the practical aspects as well as the implementation issues of computer control. Published as a Professional Briefs by IFAC

Contributions to cascade linear control strategies applied to grid-connected Voltage-Source Converters

El trabajo desarrollado en esta Tesis se centra en optimizar el comportamiento de Voltage-Source Converters (VSCs) cuando son utilizados como interfaz con la red eléctrica, tanto para absorber como para entregar energía de la red con la mejor calidad posible y cumpliendo con los estándares. Para tal fin, esta Tesis se centra en el control de sistemas lineales conectados en cascada aplicados al control de VSCs conectados en paralelo con la red eléctrica a través de un filtro L, especialmente en conexiones con redes débiles y en dos líneas de trabajo: (i) seguimiento de armónicos de las corrientes de red y rechazo de armónicos de las tensiones de red, y (ii) control de la tensión del PCC en caso de desequilibrio. Para ello, esta Tesis realiza contribuciones en el área del control de corriente y control de la tensión del PCC. De entre las técnicas existentes para implementar el control de corriente para compensación armónica, dos de las más utilizadas son el control resonante y el control repetitivo, tanto en ejes de referencia estacionarios como síncronos. Se ha realizado un exhaustivo estudio de diferentes estructuras para implementar tales controles, mostrando su algoritmo adaptativo en frecuencia para cada una de ellas y analizando su carga computacional. Además, se han facilitado directrices básicas para su programación en un DSP. Se ha analizado también el esquema de control de corriente para establecer una comparación entre las diferentes estructuras. Después de estudiar en profundidad el control de corriente de un VSC conectado a la red eléctrica, el segundo control a analizar es el control de tensión del PCC. La presencia de una tensión desequilibrada en el PCC da lugar a la aparición de una componente de corriente de secuencia negativa, que deteriora el comportamiento del sistema de control cuando se emplean las técnicas de control convencionales. Los STATCOMs son bien conocidos por ser una aplicación de potencia capaz de llevar a cabo la regulación de la tensión en el PCC en líneas de distribución que pueden ser susceptibles de sufrir perturbaciones. Esta Tesis propone el uso de un controlador de tensión en ejes de referencia síncronos para compensar una tensión desequilibrada a través de un STATCOM, permitiendo controlar independientemente tanto la secuencia positiva como la secuencia negativa. Además, este controlador incluye aspectos como un mecanismo de antiwindup y droop control para mejorar su comportamiento. Se han realizado varias pruebas experimentales para analizar las características de los controladores de corriente abordados en esta Tesis. Todas ellas han sido realizadas bajo las mismas condiciones de potencia, tensión y corriente, de modo que se pueden extraer resultados comparativos. Estas pruebas pretenden caracterizar la respuesta transitoria, la respuesta en régimen permanente, el comportamiento frente a saltos de frecuencia y la carga computacional de los controladores de corriente estudiados

An almost Anti-Windup scheme for plants with magnitude, rate and curvature saturation

peer reviewedWe address the anti-windup augmentation problem for plants with saturations on the magnitude, rate and curvature of the control input. To this aim, given an unconstrained closed-loop, we generate a slightly modified strictly proper controller for which the derivatives of the control signal are available and we solve the anti-windup problem for this modified control scheme (namely, an almost anti-windup for the original closed-loop). Based on this “almost” approach, we revisit an existing Model Recovery anti-windup solution for rate and magnitude saturated plants and then we extend the results to the case of rate, magnitude and curvature saturation, by providing a Model Recovery solution to this additional problem. An example illustrates the peculiarities and the effectiveness of the proposed solutions

multiclass aQM on a tCP/IP router: a control theory approach

Producción CientíficaActive queue management (AQM) is a well-known technique to improve routing performance under congested traffic conditions. It is often deployed to regulate queue sizes, thus aiming for constant transmission delay. This work addresses AQM using an approach based on control theory ideas. Compared with previous results in the literature, the novelty is the consideration of heterogeneous traffic, ie, multiclass traffic. Thus, each traffic class may have different discarding policies, queue sizes, and bandwidth share. This feature brings the proposal nearer to real network management demands than previous approaches in the literature. The proposed technique assumes that each class already has a simple controller, designed a priori, and focuses on designing a static state-feedback controller for the multiclass system, where the design is based on using LMIs for the calculations. For this, optimization problems with LMI constraints are proposed to compute the state-feedback gains that ensure stability for a large set of admissible initial conditions. These conditions ensure not only closed-loop stability but also some level of performance. As far as we know, this is the first control theory based approach for the AQM problem on TCP/IP routers that allows a multiclass AQM while also considering time-varying delays and input saturation. This is an important step to frame AQM in a more formal, yet realistic context, enabling it to address important service level agreement (SLA) directives. The proposal is tested on a simulated system at the end of this paper, showing the feasibility and performance of the approach in the presence of multiclass traffic.Junta de Castilla y León y FEDER. Grant Numbers: CLU 2017-09, UIC 23