Control PIR para convertidores CD-CD reductores con aplicacion a sistemas de celdas de combustible

Abstract

"La presente tesis explora los beneficios de introducir retardos artificiales en lazos de control. Con el fin de evidenciar dichos beneficios se estudia un sistema de energía renovable compuesto por un arreglo de celdas de combustible de hidrógeno, un convertidor CD-CD reductor y una carga resistiva. Este sistema es regulado mediante un controlador Proporcional Integral Retardado (PIR), el cual se sintoniza utilizando técnicas de análisis espectral, con el objetivo de alcanzar el máximo decaimiento exponencial posible para las trayectorias del sistema en lazo cerrado. Adicionalmente, en el contexto de sistemas de potencia, se verifica experimentalmente las ventajas que proporciona el uso de este tipo de controladores como lo son: facilidad de implementación, atenuación del ruido, suavidad de la señal de control y robustez. A pesar de que los prototipos elaborados en este trabajo de investigación funcionan a baja potencia, permiten observar los beneficios del uso intencional de retardos, descritos anteriormente, en una aplicación real. La investigación, entonces, inicia con un modelo reducido del sistema de celdas de combustible donde la dinámica de las celdas es considerada como una perturbación externa. Lo anterior permite simplificar el análisis al estudio de un convertidor CD-CD reductor sometido a variaciones paramétricas. Para evaluar la efectividad del controlador PIR, se propone una comparativa de desempeño frente a un controlador PID. Con base en los resultados experimentales obtenidos se presenta aquí al controlador PIR como una mejor alternativa al controlador PID en términos de los beneficios anteriormente mencionados. Finalmente, se amplia el modelo del sistema incluyendo la dinámica de las celdas de combustible y se propone un método semi-analítico para sintonizar las ganancias del controlador PIR. La sintonización obtenida siguiendo este método, se pone a prueba mediante simulaciones numéricas logrando una correcta regulación del voltaje de salida entregado por el sistema de celdas de combustible."

" This thesis explores the benefits of introducing artificial delays in control loops. In par- ticular, a renewable energy system composed of an arrangement of hydrogen fuel cells, a DC-DC buck converter and a resistive load is studied. This system is regulated by a Pro- portional Integral Retarded (PIR) controller, which is tuned using spectral analysis to render the trajectories of the closed-loop system with the maximum exponential decay rate. Addi- tionally, in the context of power systems, the advantages provided by the use of this type of controllers are experimentally verified, namely ease of implementation, noise attenuation, smoothness of the control signal and robustness. Despite the fact that the prototypes develo- ped in this research work operate at low power, they allow us to observe the benefits of the intentional use of delays, described above, in a real application. We start with a reduced model of the fuel cell system where the dynamics of the cells is considered as an external disturbance. The above allows simplifying the analysis to the study of a step-down DC-DC converter subject to parametric variations. To evaluate the effective- ness of the PIR controller, a performance comparison against a PID controller is proposed. Based on the obtained experimental results, we present here the PIR controller as a better alternative to the PID controller in terms of the above mentioned benefits. Finally, the model of the system is extended to include the dynamics of the fuel cells and a semi-analytical method is proposed to tune the gains of the PIR controller. The tuning obtained following this method is put to the test by means of numerical simulations, achieving a correct regulation of the output voltage delivered by the fuel cell system."