Control no lineal de un convertidor elevador con doble inductor

Abstract

"Este trabajo de tesis presenta un diseño de control no lineal para un convertidor elevador con doble inductor. El propósito de este estudio es demostrar que es posible aplicar la teoría de control no lineal para diseñar un controlador basado en pasividad que pueda modificar, a través de los dispositivos de conmutación, la energía almacenada y las características de amortiguamiento del circuito, sin despreciar las no linealidades del sistema y así, lograr una apropiada regulación y seguimiento de las trayectorias deseadas, lo que resulta en la regulación de la corriente y voltaje de salida para que en trabajos futuros estos puedan ser aplicados a energías renovables (celdas de combustible, celdas solares, etc). En el desarrollo de esta investigación se considera un convertidor electrónico de potencia de tipo elevador con doble inductor, el cual por los dispositivos de conmutación del sistema, consta de dos modos de operación: cuando los interruptores se encuentran desactivados, los inductores se descargan en serie, así la energía es transferida hacia el capacitor y la carga, de esta manera el capacitor se carga de energía. Por otro lado, cuando los interruptores se encuentran activados, los inductores se cargan en paralelo, y la energía almacenada en el capacitor es liberada a la carga. Cabe mencionar que los interruptores funcionan de forma síncrona. Con lo anterior, es posible obtener los modelos matemáticos de ambos modos de operación mediante dos enfoques: uno a partir del análisis de circuitos a través de las leyes de Kirchhoff y el otro en base a la formulación por Euler-Lagrange (se hace notar que estos enfoques de modelado son consistentes entre si), esta última necesaria para aplicar la metodología de control basado en pasividad. Este enfoque presenta dos etapas básicas. Primero una etapa de moldeo de energía donde se modifica la energía potencial del sistema de tal manera que la nueva función de energía potencial tenga un equilibrio deseado mínimo y global. Segundo, una etapa de inyección de amortiguamiento donde se modifica la función de disipación de energía para asegurar la estabilidad asintótica. Las pruebas de simulación realizadas en este trabajo, consisten en validar que los objetivos de control son logrados, esto es, la regulación de la corriente y voltaje de salida. En dichas pruebas se consideran tanto la ausencia como presencia de incertidumbre paramétrica en los elementos inductivos del sistema. Por lo tanto, se diseña un estimador de incertidumbre, con el fin de estimar los parámetros desconocidos e incluir dichas estimaciones al esquema de control y así poder hacer frente a este problema."

"This thesis work presents a non-linear control design for a boost power converter with double inductor. The aim of this work is to demonstrate that it is possible to apply non-linear control theory to design a passivity based controller capable to modify, through switching devices, the stored energy and damping features of the circuit, despite the non-linearities of the system and thus to achieve an appropriate regulation and monitoring of the desired trajectories, resulting in the regulation of the output current and voltage. It is expected in future work, that these results can be applied to renewable energy based systems (fuel cells, solar cells, etc.). For the development of this research, a boost converter with double inductor is considered. Due to the existence of switching devices, this converter presents two operation modes: when the switches are deactivated, the inductors are discharged in series, so the energy is transferred to the capacitor and the load, thus the capacitor is charged. When the switches are activated, the inductors are charged in parallel, and the energy stored in the capacitor is released to the load. It is worth mentioning that the switches operate in synchrony. With the above, it is possible to obtain mathematical models of both operation modes through two approaches: one from the analysis of circuits via Kirchhoff’s laws and the other based on the Euler-Lagrange formulation (which turns out that both approaches are consistent with each other). The latter required to apply the control methodology based on passivity. The PBC approach has two basic stages. First an energy shaping stage where it modify the potential energy of the system in such a way that the new potential energy function has a global and unique minimum in the desired equilibrium. Second, a damping injection stage where it modify the dissipation function to ensure asymptotic stability. The performed simulation scenarios aim to validate that the control objectives are achieved, that is, the regulation of the output current and voltage. These scenarios consider both the absence and presence of parametric uncertainty in the inductive elements of the system. Therefore, an uncertainty estimator is designed in order to estimate the unknown parameters and to include these estimates in the control scheme in order to face this problem."