Origem do Problema de Estabilidade de Conversores CC-CC Conectados em Cascata

Rodrigo P. França; Fabricio H. Dupont; José R. Pinheiro

doi:10.18618/REP.2020.3.0024

Authors

Rodrigo P. França Universidade Federal de Santa Maria - UFSM, Santa Maria-RS, Brasil
Fabricio H. Dupont Universidade Comunitária da Região de Chapecó-UNOCHAPECO, Chapecó-SC, Brasil
José R. Pinheiro Universidade Federal da Bahia - UFBA, Salvador-BA, Brasil

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.2020.3.0024

Keywords:

Cascata, Estabilidade, Middlebrok, Nyquist, Sistema de Geração Distribuída, Teorema do Elemento Extra

Abstract

O presente trabalho objetivou apresentar uma metodologia de associação de métodos de análise da estabilidade para aplicação em conversores CC-CC interconectados, validada por um estudo de caso. A combinação dos critérios de Middlebrook e Nyquist para a análise da estabilidade possibilitou detectar o surgimento de dinâmicas não-modeladas em função do acoplamento dos subsistemas que puderam ser identificadas por meio do Teorema do Elemento Extra (TEE). Além disso, foi demonstrado como a variação paramétrica afetou a estabilidade do sistema interconectado, apontando para a relevância que os valores de carga e os parâmetros do filtro de entrada têm nesta condição. Por fim, resultados experimentais foram obtidos de maneira a validar as análises supracitadas. Conclui-se que a associação de métodos de análise da estabilidade de sistemas em cascata foi essencial para identificar mais precisamente a origem do problema de estabilidade. Além disso, entendeu-se que as dinâmicas não-modeladas precisam ser consideradas na lei de controle empregada nos subsistemas para garantir a estabilidade do sistema interconectado por completo.

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Author Biographies

Rodrigo P. França, Universidade Federal de Santa Maria - UFSM, Santa Maria-RS, Brasil

nasceu em Quaraí, RS, Brasil, em 1991. Recebeu o grau de Engenheiro de Controle e Automação e Mestre em Engenheira Elétrica pela Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil, em 2013 e 2016. Atualmente está realizando Doutorado em Engenharia Elétrica na Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil, no Grupo de Eletrônica de Potência e Controle (GEPOC). Seu interesse atual em pesquisa inclui modelagem de sistemas, controle robusto, e análise da estabilidade.

Fabricio H. Dupont, Universidade Comunitária da Região de Chapecó-UNOCHAPECO, Chapecó-SC, Brasil

nasceu em Cerro Largo, RS, Brasil, em 1984. Possui graduação em Engenharia de Telecomunicações pela Universidade Regional de Blumenau (2007), mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade Regional de Blumenau (2010) e doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria (2014), com período de pesquisa realizado na Universidade Tecnológica Federal do Paraná em missões de estudo pelo Programa Nacional de Cooperação Acadêmica (PROCAD) da CAPES (2011) e doutorado sanduíche na Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) pelo Programa de Doutorado Sanduíche no Exterior (PDSE) da CAPES (2013). Atualmente é professor Universidade Comunitária da Região de Chapecó (Unochapecó). Seus temas principais de interesse em pesquisa são: eletrônica de potência, paralelismo de conversores estáticos, controle inteligente, lógica fuzzy, algoritmos genéticos, controle ótimo, células a combustível e painéis fotovoltaicos.

José R. Pinheiro, Universidade Federal da Bahia - UFBA, Salvador-BA, Brasil

nasceu em Santa Maria, RS, Brasil, em 1958. Recebeu o grau de Engenheiro Eletricista pela Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil, e os graus de Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, SC, Brasil, em 1981, 1984, e 1994, respectivamente. Dr. Pinheiro é atualmente Bolsista de Produtividade em Pesquisa do CNPq - Nível 1B, e Professor Visitante Titular do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Federal da Bahia e Professor Voluntario Titular do Departamento de Processamento de Energia Elétrica da Universidade Federal de Santa Maria, onde atua desde 1985. Em 1987, foi um dos fundadores e líder do Grupo de Eletrônica de Potência e Controle (GEPOC). Entre 2006 e 2015 foi coordenador do PPGEE (CAPES ? Nível 6) da UFSM. Foi o coordenador de Programa Técnico do Congresso Brasileiro de Eletrônica de Potência (COBEP), em 1999, e do Seminário de Eletrônica de Potência e Controle (SEPOC), em 2000, 2005 e 2017. Entre 2001 e 2002, realizou Pós-doutorado na área de Sistemas Distribuídos de Energia, no Center for Power Electronics Systems (CPES), da Virginia Polytechnic Institute and State University (Virginia Tech), Blacksburg, USA. É autor e co-autor de mais de 300 artigos técnicos publicados em conferencias e periódicos nacionais e internacionais. Suas principais linhas de pesquisas e interesse incluem Projetos Otimizados de conversores estáticos, Sistemas Híbridos de conversão estática de energia, Conversão de Energia em Alta Frequência, Modelagem e Controle de Conversores Estáticos e Sistemas Distribuídos de Energia. Dr. Pinheiro é membro da Sociedade Brasileira de Eletrônica de Potência, da Sociedade Brasileira de Automática, e das Sociedades PELS, IAS, IES e PES da IEEE. Em 2015 foi fundador IEEE Joint Chapter, e em 2016 do UFSM/IEEE Student Branch e do Instituto de Redes Inteligente INRI que atualmente abriga o LabEnsaios de inversores PV (INMETRO) e o INCT em Geração Distribuída de Energia Elétrica Elétrica.

References

C. Palacio, J. R. Pinheiro, M. Mezaroba, "Controle de um conversor CC-CA para conexão à rede com emulação de máquina síncrona", Eletrônica de Potência, vol. 24, no. 4, pp. 470-481, 2019. https://doi.org/10.18618/REP.2019.4.0039 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2019.4.0039

S. Luo, "A review of distributed power systems part I: DC distributed power system",IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, vol. 20, no. 8, pp. 5-16,2005. https://doi.org/10.1109/MAES.2005.1499272 DOI: https://doi.org/10.1109/MAES.2005.1499272

T. Vargas, S. S. Queiroz, G. S. da silva, C. Rech,"Estudo da controlabilidade do conversor dual-active bridge em estruturas de conversores em cascata", Eletrônica de Potência, vol. 24, no. 1, pp. 18-26, 2019. https://doi.org/10.18618/REP.2019.1.0012 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2019.1.0012

G. Balen, A. R. Reis, H. Pinheiro, L. Schuch, "Estaçãode carregamento rápido com elemento armazenador de energia e filtro ativo de harmônicos para veículos elétricos", Eletrônica de Potência, vol. 24,no. 1, pp. 95-106, 2019. https://doi.org/10.18618/REP.2019.1.0033 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2019.1.0033

R. D. Middlebrook, "Input filter considerations in design and application of switching regulators",IAS'76, 1976.

C. M. Wildrick, F. C. Lee, B. H. Cho, B. Choi, "A method of defining the load impedance specification for a stable distributed power system",IEEE Transactions on power Electronics, vol. 10, no. 3, pp.280-285, 1995. https://doi.org/10.1109/63.387992 DOI: https://doi.org/10.1109/63.387992

S. Singh, A. R. Gautam, D. Fulwani, "Constant power loads and their effects in DC distributed power systems: A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 72, pp. 407-421, 2017. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.01.027 DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.01.027

M. Cespedes, L. Xing, J. Sun, "Constant-powerload system stabilization by passive damping",IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 26, no. 7, pp.1832-1836, 2011. https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2151880 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2151880

A. M. Rahimi, A. Emadi, "Active damping in DC/DC power electronic converters: A novel method to overcome the problems of constant power loads",IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 56,no. 5, pp. 1428-1439, 2009. https://doi.org/10.1109/TIE.2009.2013748 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2009.2013748

P. Magne, B. Nahid-Mobarakeh, S. Pierfederici,"General active global stabilization of multi loads DC-power networks",IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 27, no. 4, pp. 1788-1798, 2012. https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2168426 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2168426

M. Karppanen, M. Hankaniemi, T. Suntio, M. Sippola,"Dynamical characterization of peak-current-mode-controlled buck converter with output-current feedforward",IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 22, no. 2, pp. 444-451, 2007. https://doi.org/10.1109/TPEL.2006.889921 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2006.889921

X. Zhang, Q.-C. Zhong, W.-L. Ming, "A virtual RLC damper to stabilize dc/dc converters having an LC input filter while improving the filter performance",IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 31,no. 12, pp. 8017-8023, 2016. https://doi.org/10.1109/TPEL.2016.2553786 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2016.2553786

A. Riccobono, E. Santi, "Positive feedforward control of three-phase voltage source inverter for DC in putbus stabilization with experimental validation",IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 49, no. 1,pp. 168-177, 2013. https://doi.org/10.1109/TIA.2012.2229686 DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2012.2229686

X. Zhang, X. Ruan, Q.-C. Zhong, "Improving the Stability of Cascaded DC/DC Converter Systems via Shaping the Input Impedance of the Load Converter With a Parallel or Series Virtual Impedance",IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 62, no. 12,pp. 7499-7512, 2015. https://doi.org/10.1109/TIE.2015.2459040 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2015.2459040

X. Zhang, Q.-C. Zhong, W.-L. Ming, "Adaptive series-virtual-impedance control strategy for load converters to improve the stability of the cascaded system",in Power Electronics for Distributed Generation Systems(PEDG), 2016 IEEE 7th International Symposium on, pp. 1-5, IEEE, 2016. https://doi.org/10.1109/PEDG.2016.7526998 DOI: https://doi.org/10.1109/PEDG.2016.7526998

IEEE,IEEE Recommended Practice for Industrial and Commercial Power Systems Analysis: Approved May31, 1990, IEEE Standards Board: Approved October26, 1990, American National Standards Institute, IEEE, 1990.

X. Feng, J. Liu, F. C. Lee, "Impedance specifications for stable DC distributed power systems",IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 17, no. 2, pp.157-162, 2002. https://doi.org/10.1109/63.988825 DOI: https://doi.org/10.1109/63.988825

A. Kwasinski, C. N. Onwuchekwa, "Dynamic behavior and stabilization of DC microgrids with instantaneous constant-power loads",IEEE Transactions on power electronics, vol. 26, no. 3, pp.822-834, 2011. https://doi.org/10.1109/TPEL.2010.2091285 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2010.2091285

R. W. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of power electronics, Springer Science & BusinessMedia, 2007.

R. C. Dorf, R. H. Bishop,Modern control systems, Pearson, 2011.

R. Middlebrook, "Null double injection and the extra element theorem",IEEE Transactions on Education,vol. 32, no. 3, pp. 167-180, 1989. https://doi.org/10.1109/13.34149 DOI: https://doi.org/10.1109/13.34149

R. Weichel, G. Wang, J. Mayer, H. Hofmann, "Active stabilization of DC-DC converters with input LC filters via current-mode control and input voltage feedback”, in Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2010 IEEE, pp. 3409-3413, IEEE,2010 https://doi.org/10.1109/ECCE.2010.5618315 DOI: https://doi.org/10.1109/ECCE.2010.5618315

R. Ahmadi, D. Paschedag, M. Ferdowsi, "Closed-loop input and output impedances of DC-DC switching converters operating in voltage and current mode control",in IECON 2010-36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, pp. 2311-2316,IEEE, 2010. https://doi.org/10.1109/IECON.2010.5675123 DOI: https://doi.org/10.1109/IECON.2010.5675123

H. Y. Cho, E. Santi, "Modeling and stability analysis in multi-converter systems including positive feedforward control”, in Industrial Electronics, 2008.IECON 2008. 34th Annual Conference of IEEE, pp.839-844, IEEE, 2008. https://doi.org/10.1109/IECON.2008.4758062 DOI: https://doi.org/10.1109/IECON.2008.4758062

F. Barruel, A. Caisley, N. Retière, J. Schanen,"Stability approach for vehicles DC power network: application to aircraft on-board system",in Power Electronics Specialists Conference, 2005. PESC'05.IEEE 36th, pp. 1163-1169, IEEE, 2005.

S. Abe, T. Ninomiya, M. Hirokawa, T. Zaitsu,"Stability design consideration for on-board distributed power system consisting of full-regulated bus converter and POLs",in Power Electronics Specialists Conference, 2006. PESC'06. 37th IEEE,pp. 1-5, IEEE, 2006. https://doi.org/10.1109/pesc.2006.1712174 DOI: https://doi.org/10.1109/pesc.2006.1712174

A. Riccobono, E. Santi, "Comprehensive review of stability criteria for DC power distribution systems",IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 50,no. 5, pp. 3525-3535, 2014. https://doi.org/10.1109/TIA.2014.2309800 DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2014.2309800

C. P. Basso,Linear circuit transfer functions: An introduction to fast analytical techniques, John Wiley& Sons, 2016. https://doi.org/10.1002/9781119236344 DOI: https://doi.org/10.1002/9781119236344