Influence of the ICFF decoupling technique on the stability of the current control loop of a grid-tied VSC

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Contributions to impedance shaping control techniques for power electronic converters

El conformado de la impedancia o admitancia mediante control para convertidores electrónicos de potencia permite alcanzar entre otros objetivos: mejora de la robustez de los controles diseñados, amortiguación de la dinámica de la tensión en caso de cambios de carga, y optimización del filtro de red y del controlador en un solo paso (co-diseño). La conformación de la impedancia debe ir siempre acompañada de un buen seguimiento de referencias. Por tanto, la idea principal es diseñar controladores con una estructura sencilla que equilibren la consecución de los objetivos marcados en cada caso. Este diseño se realiza mediante técnicas modernas, cuya resolución (síntesis del controlador) requiere de herramientas de optimización. La principal ventaja de estas técnicas sobre las clásicas, es decir, las basadas en soluciones algebraicas, es su capacidad para tratar problemas de control complejos (plantas de alto orden y/o varios objetivos) de una forma considerablemente sistemática. El primer problema de control por conformación de la impedancia consiste en reducir el sobreimpulso de tensión ante cambios de carga y minimizar el tamaño de los componentes del filtro pasivo en los convertidores DC-DC. Posteriormente, se diseñan controladores de corriente y tensión para un inversor DC-AC trifásico que logren una estabilidad robusta del sistema para una amplia variedad de filtros. La condición de estabilidad robusta menos conservadora, siendo la impedancia de la red la principal fuente de incertidumbre, es el índice de pasividad. En el caso de los controladores de corriente, el impacto de los lazos superiores en la estabilidad basada en la impedancia también se analiza mediante un índice adicional: máximo valor singular. Cada uno de los índices se aplica a un rango de frecuencias determinado. Finalmente, estas condiciones se incluyen en el diseño en un solo paso del controlador de un convertidor back-to-back utilizado para operar generadores de inducción doblemente alimentados (aerogeneradores tipo 3) presentes en algunos parques eólicos. Esta solución evita los problemas de oscilación subsíncrona, derivados de las líneas de transmisión con condensadores de compensación en serie, a los que se enfrentan estos parques eólicos. Los resultados de simulación y experimentales demuestran la eficacia y versatilidad de la propuesta.Impedance or admittance shaping by control for power electronic converters allows to achieve among other objectives: robustness enhancement of the designed controls, damped voltage dynamics in case of load changes, and grid filter and controller optimization in a single step (co-design). Impedance shaping must always be accompanied by a correct reference tracking performance. Therefore, the main idea is to design controllers with a simple structure that balance the achievement of the objectives set in each case. This design is carried out using modern techniques, whose resolution (controller synthesis) requires optimization tools. The main advantage of these techniques over the classical ones, i.e. those based on algebraic solutions, is their ability to deal with complex control problems (high order plants and/or several objectives) in a considerably systematic way. The first impedance shaping control problem is to reduce voltage overshoot under load changes and minimize the size of passive filter components in DC-DC converters. Subsequently, current and voltage controllers for a three-phase DC-AC inverter are designed to achieve robust system stability for a wide variety of filters. The least conservative robust stability condition, with grid impedance being the main source of uncertainty, is the passivity index. In the case of current controllers, the impact of higher loops on impedance-based stability is also analyzed by an additional index: maximum singular value. Each of the indices is applied to a given frequency range. Finally, these conditions are included in the one-step design of the controller of a back-to-back converter used to operate doubly fed induction generators (type-3 wind turbines) present in some wind farms. This solution avoids the sub-synchronous oscillation problems, derived from transmission lines with series compensation capacitors, faced by these wind farms. Simulation and experimental results demonstrate the effectiveness and versatility of the proposa

Optimal model reference control design for grid connected voltage source converters

Texto en inglés y resumen en inglés y españolEsta tesis se centra en el diseño de controladores H∞ basados en modelos de referencia para su aplicación en el control de convertidores electrónicos de potencia en fuente de tensión (VSC). Se persiguen dos objetivos: el conformado de la admitancia de entrada de un VSC controlado en corriente y el óptimo amortiguamiento activo de filtros resonantes.El diseño de controladores óptimos H∞ aporta ciertas ventajas con respecto al diseño clásico. La principal técnica de diseño H∞ utilizada en la literatura se centra en la minimización de la función de sensibilidad. Ésta permite lidiar con diferentes problemas de compromiso en el diseño de controladores de forma sencilla, como el conformado de la función de lazo, el seguimiento de referencias, la estabilidad del sistema o la limitación del ancho de banda de control. Sin embargo, esta técnica carece de la habilidad de conformar la fase de funciones en lazo cerrado. La técnica H∞ basada en modelos de referencia soluciona este problema.La principal contribución de esta tesis es la aplicación de esta técnica para el moldeado de la admitancia en lazo cerrado de VSCs, la cual juega un importante papel tanto en la estabilidad de sistemas complejos como en la mejora de la calidad de energía en la red. Utilizando la técnica propuesta, el diseñador podrá especificar, en un gran ancho de banda y en un solo marco de diseño, tanto la admitancia del convertidor del convertidor (en modulo y en fase), como el comportamiento del seguimiento de referencias. El proceso de diseño finaliza con la síntesis de un controlador discreto ejecutable en una plataforma digital (DSP).Las posibilidades que presenta esta nueva metodología de diseño son amplias. La presente propuesta se ilustra con el control de un rectificador activo conectado a la red, pero es lo suficientemente flexible como para aplicarse en otros esquemas de control y topologías de convertidor. Se considerarán tres aplicaciones del control de admitancia: el diseño de aplicaciones resistivas en un gran ancho de banda, las cuales mejoran la robustez en la conexión estable a red débiles, el diseño de aplicaciones con una admitancia baja, las cuales mejoran el rechazo de (sub/inter)armónicos de la tensión de red en el control de corriente, y el diseño de aplicaciones con una admitancia alta, que al conectarse en paralelo a la red actúan como estabilizadores de ésta. La metodología de diseño de cada controlador, así como sus limitaciones, implementación y los resultados experimentales obtenidos son detallados.De forma complementaria, se explora la técnica de diseño basada en modelos de referencia para el amortiguamiento óptimo de resonancias en filtros LCL. La idea es diseñar un amortiguador activo que, una vez conectado, moldee la dinámica del filtro LCL de tal manera que este se comporte como un filtro L. Esto permitirá el posterior uso de sencillos controladores de corriente diseñados para filtro L, evitando la complejidad del diseño de controladores para filtros LCL, sin renunciar con ello a su gran capacidad de filtrado. La metodología de diseño es lo suficientemente general como para presentar diferentes estructuras de entrada/salida para el amortiguador. Los resultados obtenidos demuestran la mejora en la robustez del sistema

Impedance-Based Stability Analysis for Interconnected Converter Systems with Open-Loop RHP Poles

Small-signal instability issues of interconnected converter systems can be addressed by the impedance-based stability analysis method, where the impedance ratio at the point of common connection of different subsystems can be regarded as the open-loop gain, and thus the stability of the system can be predicted by the Nyquist stability criterion. However, the right-half plan (RHP) poles may be present in the impedance ratio, which then prevents the direct use of Nyquist curves for defining stability margins or forbidden regions. To tackle this challenge, this paper proposes a general rule of impedance-based stability analysis with the aid of Bode plots. The method serves as a sufficient and necessary stability condition, and it can be readily used to formulate the impedance specifications graphically for various interconnected converter systems. Experimental case studies validate the correctness of the proposed method