Control Predictivo de convertidores de potencia y accionamientos eléctricos

El control predictivo basado en modelos (MPC) es una técnica de control avanzada que cubre un amplio rango de métodos con el siguiente principio de operación: hacer uso de un modelo del sistema para calcular valores óptimos de las variables de actuación, de manera que las variables de salida del proceso sigan una trayectoria deseada. Se ha demostrado que el MPC ofrece una nueva y prometedora alternativa para el control de convertidores y accionamientos, principalmente debido a su simplicidad, mayor flexibilidad y capacidad de manejo de restricciones. La investigación desarrollada por nuestro grupo en el área de control predictivo de convertidores y accionamientos cubre los siguientes tópicos: control de corriente de inversores trifásicos, multifásicos y multinivel; control predictivo de potencia, control predictivo de torque y velocidad en máquinas AC, y control de filtros activos, entre otros.


Convertidores matriciales

Los convertidores matriciales son convertidores de potencia AC-AC, también conocidos como convertidores directos. Se caracterizan por conectar directamente las fases de entrada del convertidor (usualmente las líneas trifásicas de la red) a las fases de salida (usualmente las fases de un motor) a través de dispositivos semiconductores bidireccionales. La conexión directa permite eliminar el enlace DC, es decir, prescindir de medios almacenadores de energía como capacitores e inductores. Esto se traduce en una importante reducción del volumen, y en consecuencia, en un aumento en la densidad de potencia. Es por ello que estos convertidores han encontrado un nicho en aplicaciones aeroespaciales. En Powerlab se ha trabajado en esta línea de investigación desde sus inicios, y se han realizado numerosos aportes desde entonces, principalmente relacionados con: métodos avanzados de control y modulación, control sensorless de accionamientos eléctricos de corriente alterna, control de corriente con cargas no lineales y desbalanceadas, y filtros activos, entre otros.


Convertidores Multinivel

Los convertidores multinivel nacen de la necesidad de aumentar la tensión de operación del convertidor sin sobrepasar los límites impuestos por los semiconductores de potencia. Ello se logra mediante configuraciones especiales de semiconductores y capacitores, que permiten distribuir la tensión apropiadamente y generar más niveles diferentes de tensión en la salida. Lo anterior también permite mejorar considerablemente la calidad de la formas de onda de tensión generadas y reducir la frecuencia de conmutación de los semiconductores. Las mejoras en calidad de energía y eficiencia, junto con poder operar a mayor tensión, han hecho que estos convertidores sean actualmente ampliamente usados en accionamientos de media tensión y alta potencia, tales como: bombas, ventiladores, correas transportadoras, tracción en trenes y conversión de energía eólica. En Powerlab se ha trabajado en el diseño, modelado y desarrollo de topologías, modulación y control de estos convertidores desde 2002, y es reconocido como uno de los grupos más activos en ésta área. Destacan trabajos relacionados con nuevas modulaciones, operación tolerante a fallas y su utilización en aplicaciones de alto desempeño como correas transportadoras regenerativas, conversión de energía fotovoltaica y transmisión HVDC. En Powerlab se han organizado diversas secciones especiales en revistas, cursos tutoriales en conferencias y artículos de revisión tecnológica altamente citados relacionados con este tipo de convertidores.


Sistemas de Conversión de Energía Renovable (eólico y fotovoltaico)

Los sistemas de conversión de energía eólica y fotovoltaica conectados a red son las fuentes de energías de más rápido crecimiento de la última década. Esto se debe la reducción de costos y el desarrollo experimentado por tecnologías claves usados en sistemas de energía eólica y fotovoltaica, junto con los subsidios y una mayor conciencia ambiental, lo que ha impulsado la penetración de las energías renovables a la red. Al mismo tiempo, el aumento del costo de los combustibles fósiles, sus reservas limitadas y el impacto adverso que tienen sobre el medio ambiente, han impulsado el aumento de interés y competitividad de las energías renovables. El interés por las energías renovables y la búsqueda de soluciones más rentables, eficientes y confiables, ha llevado a la industria hacia turbinas eólicas más grandes y plantas fotovoltaicas de gran escala. Esto ha sido posible principalmente a través de economías de escala e investigación y desarrollo de nuevas tecnologías. En este sentido, los convertidores de potencia y su control son tecnologías claves para el uso en escala industrial de las energías renovables. La naturaleza inherentemente variable del viento y la radiación solar, junto con la operación eficiente del sistema y los requisitos de conexión a red (sincronización, control de potencia y operación durante bajas de tensión), son algunos de los desafíos que se enfrentan con el convertidor de potencia y control del sistema. En Powerlab ésta línea de investigación se ha desarrollado en los últimos años, y abarca tanto sistemas de conversión de energía eólica como fotovoltaica. Los principales temas desarrolladps se centran en las diferentes configuraciones de sistemas de conversión de energía eólica y fotovoltaica usados en la actualidad; el desarrollo de nuevas configuraciones basadas en convertidores multinivel; y desarrollo de nuevas de estrategias de modulación y control. El grupo ha publicado una serie de contribuciones en los últimos años, incluyendo un libro sobre sistemas de conversión de energía eólica.

 

Es posible ver la actividad diaria del laboratorio de enegia photovoltaica en el siguiente enlace.


Control de accionamientos

La mayoría de la energía eléctrica generada en el mundo es usada para producir movimiento en procesos industriales, mucho de los cuales no requieren del control de comportamiento dinámico, y son conocidos como aplicaciones de motores estándar. Sin embargo, hay un crecimiento sostenido de accionamientos de velocidad variable, alimentados y controlados por convertidores de potencia. Ello se debe a la reducción de costos de electrónica de potencia, el incremento en su confiabilidad y particularmente la eficiencia energética que conlleva la operación a velocidad variable. Existen también aplicaciones que requieren de un mayor desempeño dinámico e incluso control bidireccional de la energía, lo cual también ha contribuido al desarrollo de accionamientos eléctricos avanzados. El desarrollo de estrategias de control de alto desempeño para accionamientos AC ha alcanzado una gran madures en las tres últimas décadas. En la actualidad dos tecnologías dominan el mercado industrial: el control por campo orientado (FOC) y el control directo de torque (DTC). Éstas estrategias de control fueron desarrolladas en la década de los setenta y ochenta respectivamente, y aunque existen diferencias en sus principios de funcionamiento y operación, sus objetivos de control son los mismos: lograr un control independiente de torque y flujo de manera de lograr un control de velocidad con alto desempeño dinámico. Estos accionamientos se emplean en aplicaciones de alto desempeño como: tracción de trenes, turbinas eólicas, vehículos eléctricos e híbridos, almacenamiento de energía cinemática “flywheel”, por nombrar algunos. En Powerlab varias líneas de investigación han llevado a mejoras del control de accionamientos, en particular relacionadas a control sin sensores de velocidad, estrategias híbridas de DTC con modulaciónm, accionamiento alimentados por convertidores multinivel, y mas recientemente control predictivo de torque y flujo.


Smart Grids

Smart grids are a new concept wich involves  the gathering and  distribution of information about the behavior of all participants (suppliers and consumers) in a electrical grid in order to improve the efficiency, reliability and sustainability of electricity services.

 

 

At Powerlab research on Smart Grids is recent. The main focus are the converter related topics, particularly HVDC and FACTS.