Control de retroalimentación conectado a la red

Un filtro LCL ayuda a convertir la energía de retroalimentación del ascensor en CA para que se envíe de forma segura a la red.

por Wang Yanqing, Jiang Qing, Cao Jie y Wan Jianru

La energía generada en el estado regenerativo de los sistemas de control de frecuencia de ascensores es muy impresionante. Esta energía se transmite al condensador en el lado de CC del inversor y podría generar un aumento de voltaje si no se trata. Es una seria amenaza para el sistema. Si la energía renovable se utiliza racionalmente para evitar que la tensión del condensador del lado de CC del inversor se eleve, la seguridad del sistema está garantizada. La energía de retroalimentación del ascensor se puede convertir en CA mediante un inversor trifásico con un filtro LCL de tres órdenes (compuesto de inductancia, capacitancia e inductancia) y enviar de vuelta a la red.

En comparación con un inversor de tipo L convencional, un inversor de tipo LCL solo requiere una pequeña inductancia y puede tener en cuenta tanto la ganancia de baja frecuencia como la atenuación de alta frecuencia. Sin embargo, es un sistema de tercer orden sin amortiguación, y su pico de alta amplitud se encuentra en la frecuencia de resonancia de sus puntos de inflexión. Los modelos matemáticos de un inversor trifásico conectado a la red con filtro LCL se describen en el sistema de coordenadas giratorias de dos fases. La estrategia de control está utilizando el poder como anillo exterior; el anillo interior incluye la corriente de inductancia del lado del inversor y la realimentación de la corriente del condensador, que es la estrategia de control de amortiguación activa. Puede mejorar la estabilidad del sistema, filtrar los armónicos más altos de manera efectiva, reducir costos y reducir el tamaño del sistema. También puede mejorar el factor de potencia y reducir la contaminación de la red causada por los variadores de frecuencia. En la plataforma MATLAB / Simulink, se simulan sistemas de 7.5 y 10 kW para verificar la fiabilidad de este método.

Sistema conectado a la red

El esquema del sistema de retroalimentación de energía del ascensor conectado a la red se muestra en la Figura 1. Consta de un inversor de puente de control total trifásico, filtro LCL, condensador de bus de CC y diodos. Cuando el elevador se desplaza hacia arriba con una carga ligera, desciende con una carga pesada o desacelera con sus frenos, la energía renovable se rectifica a CC a través de los diodos de rueda libre del inversor. La tensión del condensador del bus de CC aumenta. La corriente convertida cumple con los requisitos del estándar chino (GB) de armónicos de red (Tabla 1).

Modelos matemáticos

El circuito conectado a la red con retroalimentación de energía con filtro LCL se muestra en la Figura 2. La tensión trifásica de la red se define como:

U_m es la amplitud del voltaje de fase y se ignoran las resistencias parásitas de capacitancia e inductancia. Según las leyes de Kirchhoff, los modelos matemáticos (Ecuación 2) del inversor trifásico conectado a la red se establecen en un sistema de coordenadas estacionario trifásico.

S_k es una función de conmutación para el brazo puente. “1” representa que el tubo de arriba está abierto y el tubo de abajo está apagado, mientras que “0” representa que el tubo de arriba está apagado y el tubo de abajo está abierto. i1k es la corriente del inductor del lado del inversor; i2k es la corriente del inductor del lado de la red; uik es el voltaje de salida del inversor; uck es el voltaje del condensador del filtro LCL; udc es el voltaje del bus de CC; idc es la corriente de salida del bus de CC; O es el punto medio de la cuadrícula; y N es el punto medio del condensador de CA. Para un sistema simétrico trifásico de tres cables, el voltaje de salida del inversor se puede describir como .

Aunque el significado físico del modelo matemático en un sistema de coordenadas estacionario de tres fases es claro, es difícil lograr ningún ajuste de error estático. Para facilitar el análisis, las variables en las coordenadas del eje a / b / c se convierten mediante la conversión de potencia igual a la misma fundamental de cuadrícula que el sistema de coordenadas del eje directo giratorio y en cuadratura (d / q) de frecuencia síncrona, como la ecuación 3:

El método de diseño de los parámetros LCL está de acuerdo con la “Investigación sobre controlador resonante proporcional para convertidores conectados a la red con filtro LCL” de Shi Liguang, [1] y para garantizar parámetros óptimos, se verificaron en la frecuencia resonante. Los valores de potencia activa del lado de CC del inversor son, respectivamente, P = 7.5 kW y P = 10 kW. Los parámetros están diseñados de acuerdo con L₁/L₂ = 4 (Tabla 2). Las condiciones conocidas son la raíz cuadrada media del voltaje de la red: U_n = 220 V; Voltaje del bus de CC: U_dc = 650 V; y frecuencia de conmutación: f_sw = 5kHz.

Control

El análisis de la estrategia de control

La teoría del poder instantáneo fue propuesta por H. Akagi y A. Kanazawa en 1983. [2] Está construido sobre la base de la transformación de coordenadas. La potencia activa y reactiva instantánea se calculan de acuerdo con el valor instantáneo de la transformación de coordenadas de dos fases. Para superar la teoría tradicional de potencia activa y reactiva, el cálculo se basa en el promedio de la definición del ciclo. Se reducen los retrasos computacionales provocados por el período de acumulación, que ayudarán a controlar la estrategia para tomar decisiones utilizando la potencia instantánea. Para facilitar el control de desacoplamiento PQ, la dirección del vector resultante del voltaje de la red debe elegirse como la dirección del eje d.

Con base en la Ecuación 3, el modelo matemático del diagrama de bloques de dominio continuo del inversor conectado a la red se puede obtener en el sistema de coordenadas estacionario de dos fases (Figura 3). La transformación de coordenadas introduce fuertes acoplamientos entre los componentes del eje d / q del sistema. Sin desacoplamiento, el diseño del controlador se complicará, mostrando que el efecto de control actual no es muy satisfactorio.

El control de desacoplamiento del eje d / q del inversor LCL conectado a la red en el sistema de coordenadas giratorias de dos fases se muestra en la Figura 4.

Diseño de controlador

El filtro LCL tiene un buen efecto de filtrado en armónicos más altos, pero sus características de alto orden hacen que la corriente de la red tenga resonancia no amortiguada, lo que plantea requisitos más altos en el diseño de bucle cerrado. Su pico resonante debe suprimirse para superar las características no amortiguadas. La estrategia de amortiguación activa es tomar la realimentación de voltaje y corriente del capacitor del filtro para suprimir el armónico de frecuencia resonante. [3 y 4]

Las características de frecuencia desde el voltaje del lado del inversor hasta la corriente del inductor del lado del inversor para el sistema de 7.5 kW se muestran en la Figura 5. Hay dos picos resonantes, el segundo de los cuales es causado por una resonancia en serie de L1, L2 y C . [5] El mismo problema existe en los sistemas de 10 kW.

Con amortiguación activa, en la frecuencia de resonancia en serie, el controlador puede inhibir mejor el choque (Figura 6). Considerando la simetría interna de corriente del eje d / q desacoplado, este artículo solo cubre el diseño del controlador integral proporcional-integral de bucle de corriente id ( PI) parámetros.

La función de transferencia de bucle abierto de la Figura 7 es:

No se permite la existencia de un gran rebasamiento en el proceso de regulación actual. Esto es para lograr un rendimiento de seguimiento de corriente rápido para los requisitos dinámicos del bucle de corriente. Los parámetros PI del bucle de corriente se diseñan de acuerdo con el sistema típico de tipo II, y el ancho de banda de frecuencia intermedia apropiado se define como hi = τs / ([1.5T] s). hi = 5 se toma a menudo en ingeniería. La relación de parámetros es según el sistema típico tipo II, en el que tenemos:

Por tanto, la solución es:

Análisis de resultados de simulación

El modelo del sistema está construido en MATLAB / Simulink de acuerdo con los parámetros de diseño de la Tabla 2 y el método de diseño de controlador mencionado anteriormente (Figura 8).

 Las figuras 9 y 10 son las corrientes de, respectivamente, el inversor de 7.5 kW y el análisis de distorsión armónica total (THD) del lado de la red. Filtrado por LCL, los armónicos de la frecuencia de conmutación caen por debajo del 0.5% y los armónicos totales caen al 3.11% (desde el 7.01%). Los armónicos cumplen los requisitos de la Tabla 1. La tasa de distorsión de la corriente de la red es baja. La figura 11 muestra que el factor de potencia es cercano a 1; De este modo se realiza el seguimiento de potencia unitario, que cumple con la condición de conexión a la red.

Las figuras 12 y 13 son, respectivamente, el análisis de THD del lado de la red y del inversor de 10 kW. Filtrado por LCL, los armónicos altos son obviamente suprimidos; los armónicos totales caen al 2.68%, lo que cumple con los requisitos de los armónicos de corriente de la red.

Conclusiones

A través de experimentos de simulación en sistemas de 7.5 y 10 kW, los resultados muestran que el filtro LCL puede suprimir eficazmente los armónicos. El efecto inhibidor sobre la frecuencia de conmutación es más obvio y los armónicos de corriente se reducen significativamente. Usando el control de circuito externo de potencia, el factor de potencia es cercano a 1. La corriente del condensador del filtro y el control de retroalimentación de voltaje mejoran significativamente la estabilidad del sistema. Los resultados de la simulación demostraron la viabilidad de este método en aplicaciones de ascensores.

Referencias
[1] Shi Liguang. “Investigación sobre controlador proporcional-resonante para convertidor conectado a la red con filtro LCL”, Universidad de Tianjin, 2013.
[2] Akagi, H., Y. y Kanazawa, A. Nabae. “Teoría generalizada de la potencia reactiva instantánea en circuitos trifásicos”, IPEC 1983, 1375-1386.
[3] Xu Jinming, Xie Shaojun y Xiao Huafeng. “Investigación sobre mecanismos de control de amortiguación activos del filtro LCL”, Actas de la CSEE, 2012.09: 27-33 +6.
[4] Zhang Xing y Zhang Chongwei, "Rectificador y control PWM", Beijing: Mechanical Industry Press, 2012.02.
[5] Qiu Zhiling, "El estudio sobre técnicas clave de convertidor trifásico de tres líneas conectado a la red basado en filtro LCL", Universidad de Zhejiang, 2009.