Design of switching strategies with applications in photovoltaic energy generation

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2014.Abstract : This work presents control strategies and stability analysis for switched systemswith a proposed application to photovoltaic energy generation systems.The conditions are based on Linear Matrix Inequalities (LMIs).Initially, a general description of the photovoltaic systems is presented coveringthe following aspects: the modeling of a photovoltaic array, some commonconnection topologies, the main objectives, techniques for maximizingthe generated power, among other informations. This content is necessary forthe control design method proposed in this work.Next, a design technique for the stabilization of affine switched systems isshown. The methodology used is based on the Lyapunov?s theory for stabilityof systems, describing sufficient conditions for the proposed switchingrule design in the form of LMIs and solving them using existing softwarepackages. In the sequel, the switching strategy is extended for a class ofnonlinear systems of great interest, especially for the control of photovoltaicsystems. This class is composed of systems containing sector-bounded nonlinearities.Furthermore, a method for stability analysis of switched systemsis proposed, extending the class of switched systems analyzed by the currentliterature. Numerical examples illustrate all the approaches developed.At the end, the application of the nonlinear control techniques to photovoltaicgeneration systems is presented. The main objectives considered are thetracking of the maximum power generation, with robustness to variations ofthe input parameters of the photovoltaic array, and the delivery of only activepower to the grid. Finally, simulation results demonstrate the applicabilityof the methodology for the control of this type of system, evidencing thecompliance of the stated objectives.Resumo expandido : Durante a última década, a tecnologia de sistemas fotovoltaicos tem mostrado potencial para se tornar uma das principais fontes de energia para o mundo, com crescimento contínuo e robusto, mesmo em tempos de crise econômica e financeira. Visando ampliar o aproveitamento da energia gerada e até mesmo reduzir os custos do sistema, o projeto de técnicas de controle eficientes apresenta grande importância para este tipo de sistema. Em sistemas fotovoltaicos o controle é realizado através de conversores de potência, que são sistemas chaveados. Por este motivo, o foco principal deste trabalho é a apresentação de estratégias de controle e análise de estabilidade para sistemas chaveados com uma proposta de aplicação para sistemas de geração de energia fotovoltaica. As condições de projeto e análise são todas baseadas em desigualdades matriciais lineares (LMIs). Inicialmente, uma descrição geral dos sistemas fotovoltaicos é apresentada, contendo a modelagem de um arranjo fotovoltaico, algumas topologias comuns de conexão, os principais objetivos, técnicas para a maximização da potência gerada, dentre outras informações necessárias para o projeto da técnica de controle proposta para este sistema. Na sequência é mostrada uma técnica de projeto de estratégias de chaveamento, cujo objetivo principal é garantir estabilidade e desempenho de sistemas comutados. A metodologia usada é baseada na teoria de estabilidade de Lyapunov, de modo a descrever condições suficientes para o projeto da lei de chaveamento em forma de LMIs e resolvê-las usando pacotes computacionais existentes. O método se aplica à classe de sistemas chaveados onde cada subsistema tem um campo vetorial afim e considera-se uma lei de chaveamento baseada no máximo entre funções auxiliares. A estabilidade do sistema em malha fechada é garantida mesmo se modos deslizantes ocorram em qualquer superfície de chaveamento resultante do projeto. Os resultados são apresentados para os casos de realimentação completa e realimentação parcial dos estados do sistema. Em seguida, uma das principais contribuições da tese, a proposta de uma extensão da lei de chaveamento para uma classe de sistemas chaveados não lineares é apresentada. O sistema pode conter não linearidades dependentes do estado limitadas em setor, como é o caso da não linearidade existente no modelo de painéis fotovoltaicos. As funções não lineares podem conter também parâmetros incertos, contanto que a função permaneça dentro dos limites do setor dado para toda a faixa de valores de interesse do parâmetro. Além disso, condições de projeto de leis de chaveamento independentes do equilíbrio são fornecidas e, portanto, neste caso a técnica se torna robusta a mudanças no ponto de operação desejado. Por fim, considerações sobre limitar a frequência de chaveamento são discutidas. A aplicação das técnicas descritas anteriormente para topologias comuns de conexão de sistemas fotovoltaicos é apresentada em seguida. Alguns dos desafios superados são a presença de referências variáveis, não linearidades limitadas em setor e medição parcial de estados no mesmo sistema. A aplicabilidade da metodologia para controlar o sistema fotovoltaico é ilustrada através de simulações baseadas em um exemplo numérico usando parâmetros de um sistema real. Como resultado requisitos importantes são satisfeitos, como o rastreamento do ponto de máxima potência e robustez com relação aos parâmetros incertos do painel fotovoltaico. Para a obtenção da robustez foram derivadas equações para determinar um setor que contem a não linearidade para quaisquer valores dos parâmetros. As dificuldades e perspectivas para o caso mais complexo (conexão com a rede elétrica) também são apresentadas. Motivado pela falta de técnicas de análise de estabilidade de sistemas seccionalmente afins contendo modos deslizantes na literatura atual, condições LMI suficientes para resolver este problema são propostas, resultando em outra importante contribuição da tese. As condições são baseadas em uma função de Lyapunov composta pela combinação convexa de funções quadráticas diferentes para cada região do sistema. As condições propostas incluem o importante caso onde o ponto de equilíbrio está localizado na fronteira entre subsistemas afim. Adicionalmente, condições suficientes para análise independentemente da parametrização das superfícies de chaveamento são derivadas, isto é, a superfície de chaveamento pode ser desconhecida neste caso. A nova técnica leva a uma metodologia unificada para a análise de estabilidade de sistemas seccionalmente afins e de sistemas chaveados afins com uma superfície de chaveamento previamente projetada. Esta tese é organizada em sete capítulos, quatro apêndices e referências. O Capítulo 1 tem o objetivo de contextualizar e motivar de forma breve o assunto da tese. O conhecimento básico sobre sistemas fotovoltaicos necessário para a aplicação proposta no documento é concentrado no Capítulo 2. O Capítulo 3 apresenta uma técnica de projeto de uma lei de chaveamento para o controle de sistemas chaveados com campos vetoriais afim. Esta técnica serve de base para as principais contribuições teóricas desta tese, apresentadas nos Capítulos 4, 5 e 6. No Capítulo 4, é apresentado o projeto de leis de chaveamento para sistemas chaveados contendo não linearidades limitadas em um setor, enquanto o Capítulo 5 apresenta a aplicação desta técnica para o controle de sistemas fotovoltaicos. No Capítulo 6, um método para análise de estabilidade de sistemas seccionalmente afins é introduzida. Exemplos numéricos são utilizados para ilustrar todas as contribuições da tese em seus respectivos capítulos. Algumas conclusões são discutidas no Capítulo 7, incluindo uma lista de sugestões para trabalhos futuros. Por fim, três apêndices demonstram o equacionamento de ferramentas de circuitos elétricos trifásicos utilizadas na tese e um apêndice apresenta resumos das publicações geradas pelo autor durante o período de doutorado

Estabilidade de sistemas não lineares e controle de sistemas chaveados

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2010Este trabalho apresenta técnicas de análise de estabilidade de sistemas não lineares e estratégias de controle de sistemas chaveados com uma proposta de formulação para máquinas de indução, ambos utilizando LMIs como ferramenta de trabalho. Inicialmente, uma nova técnica para se avaliar a estabilidade local, regional e global de sistemas não lineares é apresentada. Os sistemas podem apresentar não linearidades do tipo polinomial, racional e com incerteza paramétrica, e são utilizadas funções de Lyapunov deste mesmo tipo. A abordagem regional conta com a possibilidade de se utilizar a união de politopos para estimar regiões de atração não convexas e da abordagem global tem-se uma técnica para evitar o crescimento do número de LMIs que ocorre na abordagem politópica. Pretende-se aplicar estas técnicas futuramente nos sistemas não lineares chaveados, como a máquina de indução. Na sequência, é mostrada uma técnica de projeto de estratégias de chaveamento, cujo objetivo principal é garantir estabilidade e desempenho de sistemas comutados. Para isso, a metodologia usada é baseada na teoria de estabilidade de Lyapunov, de modo a descrever as condições necessárias para a lei de chaveamento em forma de LMIs e resolvê-las usando pacotes computacionais existentes. Ao final, é apresentada a modelagem da máquina de indução de maneira genérica, denotando as diferenças para os casos desta operando como motor ou gerador, e a sua forma de acionamento utilizando inversores de tensão. Em seguida, são definidas as LMIs e a estabilidade de sistemas juntamente à suas propriedades básicas para então mostrar o desenvolvimento da estratégia de chaveamento proposta e os resultados atingidos

Dynamic Strategy for Effective Current Reduction in Brushless DC Synchronous Motors Fault Tolerant Operation

This work presents a flexible strategy for RMS current reduction of healthy phases for brushless DC synchronous motors (BLDC) operating in phase opening failure, avoiding motor degradation without reducing its performance and allowing safe shutdown when a phase failure is detected. After the diagnosis of an open-phase failure, a corrective action divided into three steps is proposed. First, the traditional Six-Step operating mode with 120° electric degrees is changed to a new operating mode that uses the two healthy phases at 180° electric degrees to reduce torque loss due to phase failure. Second, a trapezoidal shape (with adjustable angles according to the RMS current level) is imposed as a current reference for the controller to reduce the current level and, consequently, improve the efficiency of the motor. Third, the passband of the speed control loop is reduced to minimize the influence of speed oscillations in controller failure. The experimental results presented show that the mode of operation with the proposed dynamic current reduction strategy allows an approximate reduction of up to 27% in the effective current and up to 41% in the motor temperature variation, compared to the usual failure mode of operation of the BLDC motor without the proposed strategy. The dynamics of change in the trapezium angle allowed a weighting between the current level and the oscillation of the speed, preventing the motor in phase failure from having a high-speed variation

Dynamic Strategy for Effective Current Reduction in Brushless DC Synchronous Motors Fault Tolerant Operation

This work presents a flexible strategy for RMS current reduction of healthy phases for brushless DC synchronous motors (BLDC) operating in phase opening failure, avoiding motor degradation without reducing its performance and allowing safe shutdown when a phase failure is detected. After the diagnosis of an open-phase failure, a corrective action divided into three steps is proposed. First, the traditional Six-Step operating mode with 120° electric degrees is changed to a new operating mode that uses the two healthy phases at 180° electric degrees to reduce torque loss due to phase failure. Second, a trapezoidal shape (with adjustable angles according to the RMS current level) is imposed as a current reference for the controller to reduce the current level and, consequently, improve the efficiency of the motor. Third, the passband of the speed control loop is reduced to minimize the influence of speed oscillations in controller failure. The experimental results presented show that the mode of operation with the proposed dynamic current reduction strategy allows an approximate reduction of up to 27% in the effective current and up to 41% in the motor temperature variation, compared to the usual failure mode of operation of the BLDC motor without the proposed strategy. The dynamics of change in the trapezium angle allowed a weighting between the current level and the oscillation of the speed, preventing the motor in phase failure from having a high-speed variation

A Comprehensive Analysis of the Penetration of Detailed Type 4 Wind Turbine Generators in the Two-Area Benchmark System

The shift towards RES introduces challenges related to power system stability due to the characteristics of inverter-based resources (IBRs) and the intermittent nature of renewable resources. This paper addresses these challenges by conducting comprehensive time and frequency simulations on the IEEE two-area benchmark power system with detailed type 4 wind turbine generators (WTGs), including turbines, generators, converters, filters, and controllers. The simulations analyse small-signal and transient stability, considering variations in active and reactive power, short-circuit events, and wind variations. Metrics such as rate of change of frequency (RoCoF), frequency nadir, percentage of frequency variation, and probability density function (PDF) are used to evaluate the system performance. The findings emphasise the importance of including detailed models of RES in stability analyses and demonstrate the impact of RES penetration on power system dynamics. This study contributes to a deeper understanding of RES integration challenges and provides insights for ensuring the reliable and secure operation of power systems in the presence of high levels of RES penetration

Projeto EfiCiência - PET Engenharia Elétrica da Udesc

EfiCiência is an extension project created, managed and executed by the PET Engenharia Elétrica group at the Santa Catarina State University, Joinville campus. The project works with the community and aims to transform its individuals through educational actions on the efficient and sustainable use of resources. This document brings the history of EfiCiência and illustrates its materials and methods. Some of the most relevant activities developed are also presented, where a great diversity of target audiences can be noted. The results demonstrate contribution of EfiCiência to the society and to the complete and citizen education of its members. This article is expected to assist other PET groups and independent extension programs.O EfiCiência é um projeto de extensão criado, administrado e executado pelo grupo PET Engenharia Elétrica da Universidade do Estado de Santa Catarina, campus Joinville. O projeto atua junto à comunidade e visa transformar seus indivíduos por meio de ações educacionais sobre o uso eficiente e sustentável de recursos. Este documento traz o histórico do EfiCiência e ilustra seus materiais e métodos. São apresentadas também algumas das mais relevantes atividades desenvolvidas, onde nota-se uma grande diversidade de públicos atingidos. Os resultados demonstram a contribuição do EfiCiência para a sociedade e para a formação cidadã e ampla dos integrantes. Espera-se com este artigo auxiliar a outros grupos PET e programas de extensão independentes