Study and analysis of state-of-the-art FCS-MPC strategies for thermal regulation of power converters

La degradación en los convertidores de potencia basados en silicio, enmarcados en sistemas de tracción eléctrica y fuentes de energías renovables, es un tema de estudio de especial interés para aquellas aplicaciones donde los fallos amenazan la seguridad de personas o donde el mantenimiento es particularmente costoso. Motivado por la influencia de los fallos en IGBTs sobre los fallos habituales en los convertidores de potencia comunes, este trabajo utiliza la herramienta software PLECS como marco de trabajo para la simulación de algoritmos de control predictivo basado en modelo con conjunto finito de acciones de control (FCS-MPC) que pretenden -simultáneamente a conseguir el seguimiento eléctrico- extender directa o indirectamente la vida útil de los IGBTs. El trabajo se enfoca principalmente a la simulación en ordenador de los algoritmos controlando un inversor de dos niveles conectado a una carga RL. Además, pretende también introducir la implementación de éstos sobre un microcontrolador para su estudio controlando el inversor simulado en la plataforma PLECS RT Box 1, con el fin último de poder desarrollar validaciones de los controladores basadas en técnicas Hardware-In-the-Loop.Degradation of silicon-based power electronics converters in traction and renewable energy systems is a topic of interest particularly where module failure supposes a safety threat or where maintenance becomes especially expensive. Motivated by the influence of IGBT aging in usual power converters, this work uses the software tool PLECS as framework to simulate Finite Control Set Model Predictive Control (FCSMPC) algorithms that, simultaneously to achieving a certain current tracking, aim to directly or indirectly extend IGBTs’ lifetime. Whilst the work focuses on offline simulation of the algorithms on PLECS, it also targets to pave the way to implement algorithms in a micro-controller and to study how they control a two-level inverter connected to a RL load simulated on a PLECS RT Box 1 platform. The ultimate goal is to develop validations based on Hardware-In-the-Loop techniques of the control algorithms.Universidad de Sevilla. Máster Universitario en Ingeniería Electrónica, Robótica y Automátic

Integration of design and NMPC-based control of processes under uncertainty

The implementation of a Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) scheme for the integration of design and control demands the solution of a complex optimization formulation, in which the solution of the design problem depends on the decisions from a lower tier problem for the NMPC. This formulation with two decision levels is known as a bilevel optimization problem. The solution of a bilevel problem using traditional Linear Problem (LP), Nonlinear Problem (NLP) or Mixed-Integer Nonlinear Problem (MINLP) solvers is very difficult. Moreover, the bilevel problem becomes particularly complex if uncertainties or discrete decisions are considered. Therefore, the implementation of alternative methodologies is necessary for the solution of the bilevel problem for the integration of design and NMPC-based control. The lack of studies and practical methodologies regarding the integration of design and NMPC-based control motivates the development of novel methodologies to address the solution of the complex formulation. A systematic methodology has been proposed in this research to address the integration of design and control involving NMPC. This method is based on the determination of the amount of back-off necessary to move the design and control variables from an optimal steady-state design to a new dynamically feasible and economic operating point. This method features the reduction of complexity of the bilevel formulation by approximating the problem in terms of power series expansion (PSE) functions, which leads to a single-level problem formulation. These functions are obtained around the point that shows the worst-case variability in the process dynamics. This approximated PSE-based optimization model is easily solved with traditional NLP solvers. The method moves the decision variables for design and control in a systematic fashion that allows to accommodate the worst-case scenario in a dynamically feasible operating point. Since approximation techniques are implemented in this methodology, the feasible solutions potentially may have deviations from a local optimum solution. A transformation methodology has been implemented to restate the bilevel problem in terms of a single-level mathematical program with complementarity constraints (MPCC). This single-level MPCC is obtained by restating the optimization problem for the NMPC in terms of its conditions for optimality. The single-level problem is still difficult to solve; however, the use of conventional NLP or MINLP solvers for the search of a solution to the MPCC problem is possible. Hence, the implementation of conventional solvers provides guarantees for optimality for the MPCC’s solution. Nevertheless, an optimal solution for the MPCC-based problem may not be an optimal solution for the original bilevel problem. The introduction of structural decisions such as the arrangement of equipment or the selection of the number of process units requires the solution of formulations involving discrete decisions. This PhD thesis proposes the implementation of a discrete-steepest descent algorithm for the integration of design and NMPC-based control under uncertainty and structural decisions following a naturally ordered sequence, i.e., structural decisions that follow the order of the natural numbers. In this approach, the corresponding mixed-integer bilevel problem (MIBLP) is transformed first into a single-level mixed-integer nonlinear program (MINLP). Then, the MINLP is decomposed into an integer master problem and a set of continuous sub-problems. The set of problems is solved systematically, enabling exploration of the neighborhoods defined by subsets of integer variables. The search direction is determined by the neighbor that produces the largest improvement in the objective function. As this method does not require the relaxation of integer variables, it can determine local solutions that may not be efficiently identified using conventional MINLP solvers. To compare the performance of the proposed discrete-steepest descent approach, an alternative methodology based on the distributed stream-tray optimization (DSTO) method is presented. In that methodology, the integer variables are allowed to be continuous variables in a differentiable distribution function (DDF). The DDFs are derived from the discretization of Gaussian distributions. This allows the solution of a continuous formulation (i.e., a NLP) for the integration of design and NMPC-based control under uncertainty and structural decisions naturally ordered set. Most of the applications for the integration of design and control implement direct transcription approaches for the solution of the optimization formulation, i.e., the full discretization of the optimization problem is implemented. In chemical engineering, the most widely used discretization strategy is orthogonal collocation on finite elements (OCFE). OCFE offers adequate accuracy and numerical stability if the number of collocation points and the number of finite elements are properly selected. For the discretization of integrated design and control formulations, the selection of the number of finite elements is commonly decided based on a priori simulations or process heuristics. In this PhD study, a novel methodology for the selection and refinement of the number of finite elements in the integration of design and control framework is presented. The corresponding methodology implements two criteria for the selection of finite elements, i.e., the estimation of the collocation error and the Hamiltonian function profile. The Hamiltonian function features to be continuous and constant over time for autonomous systems; nevertheless, the Hamiltonian function shows a nonconstant profile for underestimated discretization meshes. The methodology systematically adds or removes finite elements depending on the magnitude of the estimated collocation error and the fluctuations in the profile for the Hamiltonian function. The proposed methodologies have been tested on different case studies involving different features. An existent wastewater treatment plan is considered to illustrate the implementation of back-off strategy. On the other hand, a reaction system with two continuous stirred reaction tanks (CSTRs) are considered to illustrate the implementation of the MPCC-based formulation for design and control. The D-SDA approach is tested for the integration of design, NMPC-based control, and superstructure of a binary distillation column. Lastly, a reaction system illustrates the effect of the selection and refinement of the discretization mesh in the integrated design and control framework. The results show that the implementation of NMPC controllers leads to more economically attractive process designs with improved control performance compared to applications with classical descentralized PID or Linear MPC controllers. The discrete-steepest descent approach allowed to skip sub-optimal solution regions and led to more economic designs with better control performance than the solutions obtained with the benchmark methodology using DDFs. Meanwhile, the refinement strategy for the discretization of integrated design and control formulations demonstrated that attractive solutions with improved control performance can be obtained with a reduced number of finite elements

Putting artificial intelligence into wearable human-machine interfaces – towards a generic, self-improving controller

The standard approach to creating a machine learning based controller is to provide users with a number of gestures that they need to make; record multiple instances of each gesture using specific sensors; extract the relevant sensor data and pass it through a supervised learning algorithm until the algorithm can successfully identify the gestures; map each gesture to a control signal that performs a desired outcome. This approach is both inflexible and time consuming. The primary contribution of this research was to investigate a new approach to putting artificial intelligence into wearable human-machine interfaces by creating a Generic, Self-Improving Controller. It was shown to learn two user-defined static gestures with an accuracy of 100% in less than 10 samples per gesture; three in less than 20 samples per gesture; and four in less than 35 samples per gesture. Pre-defined dynamic gestures were more difficult to learn. It learnt two with an accuracy of 90% in less than 6,000 samples per gesture; and four with an accuracy of 70% after 50,000 samples per gesture. The research has resulted in a number of additional contributions: • The creation of a source-independent hardware data capture, processing, fusion and storage tool for standardising the capture and storage of historical copies of data captured from multiple different sensors. • An improved Attitude and Heading Reference System (AHRS) algorithm for calculating orientation quaternions that is five orders of magnitude more precise. • The reformulation of the regularised TD learning algorithm; the reformulation of the TD learning algorithm applied the artificial neural network back-propagation algorithm; and the combination of the reformulations into a new, regularised TD learning algorithm applied to the artificial neural network back-propagation algorithm. • The creation of a Generic, Self-Improving Predictor that can use different learning algorithms and a Flexible Artificial Neural Network.Open Acces

Reliability Models and Failure Detection Algorithms for Wind Turbines

Durante las pasadas décadas, la industria eólica ha sufrido un crecimiento muysignificativo en Europa llevando a la generación eólica al puesto más relevanteen cuanto a producción energética mediante fuentes renovables. Sin embargo, siconsideramos los aspectos económicos, el sector eólico todavía no ha alcanzadoel nivel competitivo necesario para batir a los sistemas de generación de energíaconvencionales.Los costes principales en la explotación de parques eólicos se asignan a lasactividades relacionadas con la Operación y Mantenimiento (O&M). Esto se debeal hecho de que, en la actualidad, la Operación y Mantenimiento está basadaprincipalmente en acciones correctivas o preventivas. Por tanto, el uso de técnicaspredictivas podría reducir de forma significativa los costes relacionados con lasactividades de mantenimiento mejorando así los beneficios globales de la explotaciónde los parques eólicos.Aunque los beneficios del mantenimiento predictivo se consideran cada díamás importantes, existen todavía la necesidad de investigar y explorar dichastécnicas. Modelos de fiabilidad avanzados y algoritmos de predicción de fallospueden facilitar a los operadores la detección anticipada de fallos de componentesen los aerogeneradores y, en base a ello, adaptar sus estrategias de mantenimiento.Hasta la fecha, los modelos de fiabilidad de turbinas eólicas se basan, casiexclusivamente, en la edad de la turbina. Esto es así porque fueron desarrolladosoriginalmente para máquinas que trabajan en entornos ‘amigables’, por ejemplo, enel interior de naves industriales. Los aerogeneradores, al contrario, están expuestosa condiciones ambientales altamente variables y, por tanto, los modelos clásicosde fiabilidad no reflejan la realidad con suficiente precisión. Es necesario, portanto, desarrollar nuevos modelos de fiabilidad que sean capaces de reproducir el comportamiento de los fallos de las turbinas eólicas y sus componentes, teniendoen cuenta las condiciones meteorológicas y operacionales en su emplazamiento.La predicción de fallos se realiza habitualmente utilizando datos que se obtienendel sistema de Supervisión Control y Adquisición de Datos (SCADA) o de Sistemasde Monitorización de Condición (CMS). Cabe destacar que en turbinas eólicasmodernas conviven ambos tipos de sistemas y la fusión de ambas fuentes de datospuede mejorar significativamente la detección de fallos. Esta tesis pretende mejorarlas prácticas actuales de Operación y Mantenimiento mediante: (1) el desarrollo demodelos avanzados de fiabilidad y detección de fallos basados en datos que incluyanlas condiciones ambientales y operacionales existentes en los parques eólicos y (2)la aplicación de nuevos algoritmos de detección de fallos que usen las condicionesambientales y operacionales del emplazamiento, así como datos procedentes tantode sistemas SCADA como CMS. Estos dos objetivos se han dividido en cuatrotareas.En la primera tarea se ha realizado un análisis exhaustivo tanto de los fallosproducidos en un amplio conjunto de aerogeneradores (amplio en número de turbinasy en longitud de los registros) como de sus tiempos de parada asociados. De estaforma, se han visualizado los componentes que más fallan en función de la tecnologíadel aerogenerador, así como sus modos de fallo. Esta información es vital para eldesarrollo posterior de modelos de fiabilidad y mantenimiento.En segundo lugar, se han investigado las condiciones meteorológicas previasa sucesos con fallos de los principales componentes de los aerogeneradores. Seha desarrollado un entorno de aprendizaje basado en datos utilizando técnicas deagrupamiento ‘k-means clustering’ y reglas de asociación ‘a priori’. Este entorno escapaz de manejar grandes cantidades de datos proporcionando resultados útiles yfácilmente visualizables. Adicionalmente, se han aplicado algoritmos de detecciónde anomalías y patrones para encontrar cambios abruptos y patrones recurrentesen la serie temporal de la velocidad del viento en momentos previos a los fallosde los componentes principales de los aerogeneradores. En la tercera tarea, sepropone un nuevo modelo de fiabilidad que incorpora directamente las condicionesmeteorológicas registradas durante los dos meses previos al fallo. El modelo usados procesos estadísticos separados, uno genera los sucesos de fallos, así comoceros ocasionales mientras que el otro genera los ceros estructurales necesarios paralos algoritmos de cálculo. Los posibles efectos no observados (heterogeneidad) en el parque eólico se tienen en cuenta de forma adicional. Para evitar problemas de‘over-fitting’ y multicolinearidades, se utilizan sofisticadas técnicas de regularización.Finalmente, la capacidad del modelo se verifica usando datos históricos de fallosy lecturas meteorológicas obtenidas en los mástiles meteorológicos de los parqueseólicos.En la última tarea se han desarrollado algoritmos de predicción basados encondiciones meteorológicas y en datos operacionales y de vibraciones. Se ha‘entrenado’ una red de Bayes, para predecir los fallos de componentes en unparque eólico, basada fundamentalmente en las condiciones meteorológicas delemplazamiento. Posteriormente, se introduce una metodología para fusionar datosde vibraciones obtenidos del CMS con datos obtenidos del sistema SCADA, conel objetivo de analizar las relaciones entre ambas fuentes. Estos datos se hanutilizado para la predicción de fallos en el eje principal utilizando varios algoritmosde inteligencia artificial, ‘random forests’, ‘gradient boosting machines’, modelosgeneralizados lineales y redes neuronales artificiales. Además, se ha desarrolladouna herramienta para la evaluación on-line de los datos de vibraciones (CMS)denominada DAVE (‘Distance Based Automated Vibration Evaluation’).Los resultados de esta tesis demuestran que el comportamiento de los fallos delos componentes de aerogeneradores está altamente influenciado por las condicionesmeteorológicas del emplazamiento. El entorno de aprendizaje basado en datos escapaz de identificar las condiciones generales y temporales específicas previas alos fallos de componentes. Además, se ha demostrado que, con los modelos defiabilidad y algoritmos de detección propuestos, la Operación y Mantenimiento delas turbinas eólicas puede mejorarse significativamente. Estos modelos de fiabilidady de detección de fallos son los primeros que proporcionan una representaciónrealística y específica del emplazamiento, al considerar combinaciones complejasde las condiciones ambientales, así como indicadores operacionales y de estadode operación obtenidos a partir de la fusión de datos de vibraciones CMS y datosdel SCADA. Por tanto, este trabajo proporciona entornos prácticos, modelos yalgoritmos que se podrán aplicar en el campo del mantenimiento predictivo deturbinas eólicas.<br /