Repetitive control for high-performance resonant pulsed power supply in radio frequency applications

This paper presents a novel three phase series resonant parallel loaded (SRPL) resonant converter topology for radio frequency (RF) applications. The proposed converter is capable to produce as output voltage a series of “long pulses”, each one lasting 1ms in time. Three individual single phase resonant stages are able to operate independently in conjunction with three separate single phase output rectification stages. Due to this important feature, the converter has a strong ability of rejecting the influence of unbalance in the resonant tanks. A PI + Repetitive Control (RC) strategy has been used for the output pulsed voltage regulation, resulting in a fast rise time, reduced overshoot, and constant amplitude. The soft-switching of semiconductor devices is ensured at full power by a combined frequency and phase shift modulation (CFPS), even in the presence of large tank unbalances

Droop Control of Parallel-Operated Inverters

Several critical issues for the droop control of parallel-operated inverters are addressed in this thesis, including the power quality, the parallel operation of inverters with different types of output impedance, the power sharing, the voltage and frequency regulation, as well as the current limiting

Control of high performance single phase DC-AC inverter

Master'sMASTER OF ENGINEERIN

Disturbance Observer-based Robust Control and Its Applications: 35th Anniversary Overview

Disturbance Observer has been one of the most widely used robust control tools since it was proposed in 1983. This paper introduces the origins of Disturbance Observer and presents a survey of the major results on Disturbance Observer-based robust control in the last thirty-five years. Furthermore, it explains the analysis and synthesis techniques of Disturbance Observer-based robust control for linear and nonlinear systems by using a unified framework. In the last section, this paper presents concluding remarks on Disturbance Observer-based robust control and its engineering applications.Comment: 12 pages, 4 figure

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

Design of module level converters in photovoltaic power systems

The application of distributed maximum power point tracking (DMPPT) technology in solar photovoltaic (PV) systems is a hot topic in industry and academia. In the PV industry, grid integrated power systems are mainstream. The main objective for PV system design is to increase energy conversion efficiency and decrease the levelized cost of electricity of PV generators. This thesis firstly presents an extensive review of state-of-the-art PV technologies. With focus on grid integrated PV systems research, various aspects covered include PV materials, conventional full power processing DMPPT architectures, main MPPT techniques, and traditional partial power processing DMPPT architectures. The main restrictions to applying traditional DMPPT architectures in large power systems are discussed. A parallel connected partial power processing DMPPT architecture is proposed aiming to overcome existing restrictions. With flexible ‘plug-and-play’ functionality, the proposed architecture can be readily expanded to supply a downstream inverter stage or dc network. By adopting smaller module integrated converters, the proposed approach provides a possible efficiency improvement and cost reduction. The requirements for possible converter candidates and control strategies are analysed. One representative circuit scheme is presented as an example to verify the feasibility of the design. An electromagnetic transient model is built for different power scale PV systems to verify the DMPPT feasibility of the evaluated architecture in a large-scale PV power system. Voltage boosting ability is widely needed for converters in DMPPT applications. Impedance source converters (ISCs) are the main converter types with step-up ability. However, these converters have a general problem of low order distortion when applied in dc-ac applications. To solve this problem, a generic plug-in repetitive control strategy for a four-switch three-phase ISC type inverter configuration is developed. Simulation and experimental results confirm that this control strategy is suitable for many ISC converters.The application of distributed maximum power point tracking (DMPPT) technology in solar photovoltaic (PV) systems is a hot topic in industry and academia. In the PV industry, grid integrated power systems are mainstream. The main objective for PV system design is to increase energy conversion efficiency and decrease the levelized cost of electricity of PV generators. This thesis firstly presents an extensive review of state-of-the-art PV technologies. With focus on grid integrated PV systems research, various aspects covered include PV materials, conventional full power processing DMPPT architectures, main MPPT techniques, and traditional partial power processing DMPPT architectures. The main restrictions to applying traditional DMPPT architectures in large power systems are discussed. A parallel connected partial power processing DMPPT architecture is proposed aiming to overcome existing restrictions. With flexible ‘plug-and-play’ functionality, the proposed architecture can be readily expanded to supply a downstream inverter stage or dc network. By adopting smaller module integrated converters, the proposed approach provides a possible efficiency improvement and cost reduction. The requirements for possible converter candidates and control strategies are analysed. One representative circuit scheme is presented as an example to verify the feasibility of the design. An electromagnetic transient model is built for different power scale PV systems to verify the DMPPT feasibility of the evaluated architecture in a large-scale PV power system. Voltage boosting ability is widely needed for converters in DMPPT applications. Impedance source converters (ISCs) are the main converter types with step-up ability. However, these converters have a general problem of low order distortion when applied in dc-ac applications. To solve this problem, a generic plug-in repetitive control strategy for a four-switch three-phase ISC type inverter configuration is developed. Simulation and experimental results confirm that this control strategy is suitable for many ISC converters

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

Advanced digital resonant control techniques for grid-connected voltage source converters

It is a fact that the presence of power distributed generation sources in the electrical sector is growing exponentially worldwide. This can mainly be explained by the increase of renewable energy production, which involves principally grid-connected single- and three-phase Voltage Source Converters (VSCs). Regarding the regulations for medium and high power inverters, it is not enough to generate currents with low harmonic content and a unity-power-factor operation: grid-connected VSCs also have to work properly when the electrical grid presents non-ideal characteristics such as frequency variations, sags, swells or a high impedances, among other disturbances. In line with the above and to improve the grid currents quality, LCL filters are widely used at the input of VSCs for their attenuation capabilities at high frequencies. However, they present a big resonance that may produce robustness issues. In order to study this problem and to stablish a basis for the controllers design, the grid-connected VSC mathematical models have been obtained, analysed and discretised, including passive and active LCL resonance damping techniques. Adaptive Feedforward Cancellation (AFC) is the control technique addressed in this research work, leading to robust designs which are able to face all the grid disturbances aforementioned. AFC controllers, formed by resonators, have been considered in continuous- and discrete-time forms, and presenting infinite and finite gain, along with an anti-windup system for limitation purposes. The development of an AFC control design method (directly in discrete time), and the use of automatic code generation tools, have allowed a fast implementation of the resonant controllers into a Digital Signal Processor (DSP). The experimental results obtained from the VSC prototypes (also developed during this thesis), prove the robustness of this control technique.Es un hecho que la presencia de fuentes de generación de energía distribuida en el sector eléctrico está creciendo exponencialmente a nivel mundial. Esto se debe esencialmente al incremento de la producción de energías renovables, que están estrechamente relacionadas con convertidores estáticos de potencia monofásicos y trifásicos (VSC) conectados a la red eléctrica. Con respecto a la normativa en el ámbito de los inversores de media y alta potencia, ya no es solamente necesario que éstos generen unas corrientes con un bajo contenido en armónicos y un factor de potencia unitario: el funcionamiento de dichos equipos debe ser correcto frente a situaciones no ideales de la red como variaciones de frecuencia, huecos de tensión o redes débiles, entre otros. En consonancia con lo anterior y para mejorar la calidad de las corrientes de red, los filtros LCL son ampliamente utilizados a la entrada de los VSC por su gran atenuación a altas frecuencias. Sin embargo, la gran resonancia que presentan puede generar problemas de robustez. Para estudiar este fenómeno y crear una base para el diseño de los controladores, se han obtenido, analizado y discretizado los modelos matemáticos de los VSC conectados a la red, incluyendo técnicas de amortiguación pasivas y activas para el filtro LCL. La técnica de control abordada en este trabajo de investigación se denomina Adaptive Feedforward Cancellation (AFC), con la que se han conseguido diseños robustos y capaces de hacer frente a las perturbaciones en la red detalladas anteriormente. Los controladores AFC, formados por resonadores, han sido considerados en tiempo continuo y discreto, y con ganancias infinita y finita, junto con un sistema de limitación anti-windup. El desarrollo de un método de diseño de control AFC (directamente en tiempo discreto) y el uso de herramientas de generación automática de código, han permitido una rápida implementación de los controladores resonantes en un procesador digital de señales (DSP). Los resultados experimentales obtenidos con los prototipos de convertidores monofásico y trifásico (también desarrollados durante esta tesis), confirman la robustez de esta técnica de control.C’est un fait que la présence de sources de génération d’énergie distribuée dans le secteur électrique est en train de croître exponentiallement à niveau mondiale. Ceci est principalement à cause de l’augmentation de la production d’énergies renouvelables, qui est étroitement liée à des convertisseurs statiques de puissance monophasés et triphasés (VSC) connectés au réseau électrique. Par rapport aux régulations dans le domaine des onduleurs de moyenne et forte puissance, il n’est pas seulement nécessaire qu’ils génèrent des courants à bas contenu harmonique avec un facteur de puissance unitaire: le fonctionnement de ces systèmes doit être correct face à des situations non idéales du réseau comme variations de fréquence, creux de tension ou réseaux faibles, parmi d’autres. Dans cet esprit et pour améliorer la qualité des courants du réseau, les filtres LCL sont vastement utilisés à l’entrée des VSC pour leur capacité d’atténuation aux hautes fréquences. Néanmoins, la grande résonance qu’ils présentent peut générer des problèmes de robustesse. Pour l’étude de ce phénomène et créer une base pour la conception des contrôlleurs, les modèles mathématiques des VSC ont été obtenus, analysés et discretisés, y compris techniques d’amortissement passives et actives pour le filtre LCL. La technique de commande abordée dans ce travail de recherche s’appelle Adaptive Feedforward Cancellation (AFC), avec laquel il a été possible d’obtenir des contrôlleurs robustes et capables de faire face aux perturbations du réseau nommées précédemment. Les contrôlleurs AFC, constitués de résonateurs, ont été considerés en temps continu et discret, et avec des gains infinis et finis, ainsi qu’un système de limitation anti-windup. Le développement d’une méthode de conception de commande AFC (directement en temps discret) et l’utilisation d’outils de génération de code automatique, ont permis une implementation rapide des contrôlleurs résonantes dans un processeur de signal numérique (DSP). Les résultats expérimentaux obtenus avec les prototypes des convertisseurs monophasé et triphasé (aussi développés pendant cette thèse), réalerment la robustesse de cette technique de commande.És un fet que la presència de fonts de generació d’energia distribuïda al sector elèctric està creixent exponencialment a nivell mundial. Això es deu principalment a l’increment de la producció d’energies renovables, directament vinculades a convertidors estàtics de potència monofàsics i trifàsics (VSC) connectats a la xarxa elèctrica. Pel que fa a la normativa en l’àmbit dels inversors de mitjanes i altes potències, ja no és solament necessari que els convertidors generin corrents amb baix contingut harmònic amb un factor de potència unitari, sinó que el funcionament d’aquests equips deu ser correcte enfront de situacions no ideals de la xarxa com ara variacions de freqüència, forats de tensió o xarxes febles, entre altres. D’acord amb l’anterior, i per millorar la qualitat dels corrents de xarxa, els filtres LCL són àmpliament utilitzats a l’entrada dels VSC per la seva capacitat d’atenuació a altes freqüències. No obstant això, la gran ressonància que presenten pot generar problemes de robustesa. Per estudiar aquest fenomen i crear una base per al disseny dels controladors, s’han obtingut, analitzat i discretitzat els models matemàtics dels VSC connectats a la xarxa, incloent tècniques d’esmorteïment passives i actives per al filtre LCL. La tècnica de control abordada en aquest treball de recerca es denomina Adaptive Feedforward Cancellation (AFC), amb la qual s’han aconseguit dissenys robustos i capaços de fer front a les pertorbacions de la xarxa detallades anteriorment. Els controladors AFC, formats per ressonadors, han sigut considerats en temps continu i discret, i amb ganàncies infinita i finita, juntament amb un sistema de limitació anti-windup. El desenvolupament d’un mètode de disseny de control AFC (directament en temps discret) i l’ús d’eines de generació automàtica de codi, han permès una ràpida implementació dels controladors ressonants en un processador digital de senyals (DSP). Els resultats experimentals obtinguts amb els prototips de convertidors monofàsic i trifàsic (també desenvolupats durant aquesta tesi), confirmen la robustesa d’aquesta tècnica de contro

Digital repetitive control under varying frequency conditions

Premi extraordinari doctorat curs 2011-2012, àmbit d’Enginyeria IndustrialThe tracking/rejection of periodic signals constitutes a wide field of research in the control theory and applications area and Repetitive Control has proven to be an efficient way to face this topic; however, in some applications the period of the signal to be tracked/rejected changes in time or is uncertain, which causes and important performance degradation in the standard repetitive controller. This thesis presents some contributions to the open topic of repetitive control working under varying frequency conditions. These contributions can be organized as follows: One approach that overcomes the problem of working under time varying frequency conditions is the adaptation of the controller sampling period, nevertheless, the system framework changes from Linear Time Invariant to Linear Time-Varying and the closed-loop stability can be compromised. This work presents two different methodologies aimed at analysing the system stability under these conditions. The first one uses a Linear Matrix Inequality (LMI) gridding approach which provides necessary conditions to accomplish a sufficient condition for the closed-loop Bounded Input Bounded Output stability of the system. The second one applies robust control techniques in order to analyse the stability and yields sufficient stability conditions. Both methodologies yield a frequency variation interval for which the system stability can be assured. Although several approaches exist for the stability analysis of general time-varying sampling period controllers few of them allow an integrated controller design which assures closed-loop stability under such conditions. In this thesis two design methodologies are presented, which assure stability of the repetitive control system working under varying sampling period for a given frequency variation interval: a mu-synthesis technique and a pre-compensation strategy. On a second branch, High Order Repetitive Control (HORC) is mainly used to improve the repetitive control performance robustness under disturbance/reference signals with varying or uncertain frequency. Unlike standard repetitive control, the HORC involves a weighted sum of several signal periods. With a proper selection of the associated weights, this high order function offers a characteristic frequency response in which the high gain peaks located at harmonic frequencies are extended to a wider region around the harmonics. Furthermore, the use of an odd-harmonic internal model will make the system more appropriate for applications where signals have only odd-harmonic components, as in power electronics systems. Thus an Odd-harmonic High Order Repetitive Controller suitable for applications involving odd-harmonic type signals with varying/uncertain frequency is presented. The open loop stability of internal models used in HORC and the one presented here is analysed. Additionally, as a consequence of this analysis, an Anti-Windup (AW) scheme for repetitive control is proposed. This AW proposal is based on the idea of having a small steady state tracking error and fast recovery once the system goes out of saturation. The experimental validation of these proposals has been performed in two different applications: the Roto-magnet plant and the active power filter application. The Roto-magnet plant is an experimental didactic plant used as a tool for analysing and understanding the nature of the periodic disturbances, as well as to study the different control techniques used to tackle this problem. This plant has been adopted as experimental test bench for rotational machines. On the other hand, shunt active power filters have been widely used as a way to overcome power quality problems caused by nonlinear and reactive loads. These power electronics devices are designed with the goal of obtaining a power factor close to 1 and achieving current harmonics and reactive power compensation.Award-winningPostprint (published version