Controlador Híbrido Robusto PI-LQG Para Melhoria da Performance do STATCOM

P. Robson M. Costa; Marcus R. de Castro; Isaac R. Machado; Vandilberto P. Pinto

doi:10.18618/REP.2020.1.0006

Authors

P. Robson M. Costa Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e de Computação, Universidade Federal do Ceará, Campus Sobral, Sobral - CE, Brasil
Marcus R. de Castro Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e de Computação, Universidade Federal do Ceará, Campus Sobral, Sobral - CE, Brasil
Isaac R. Machado Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e de Computação, Universidade Federal do Ceará, Campus Sobral, Sobral - CE, Brasil
Vandilberto P. Pinto Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e de Computação, Universidade Federal do Ceará, Campus Sobral, Sobral - CE, Brasil

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.2020.1.0006

Keywords:

Filtro de Kalman, LQG, LQR, PI, STATCOM

Abstract

Este trabalho propõe uma técnica de controle híbrida Proporcional Integral - Linear Quadratic Gaussian (PI-LQG) para o Static Synchronous Compensator (STATCOM). Na técnica proposta, adiciona-se o filtro de Kalman ao controlador Linear Quadratic Regulator (LQR) com ação integral, formando o controlador LQG, tal combinação torna o sistema mais robusto e menos suscetível a ruídos de processo e de medição. Ao se utilizar um controlador híbrido, as matrizes de ponderação para projetar os ganhos do controlador LQR e do filtro de Kalman são de menor ordem, facilitando a sintonia dos controladores. Para a validação da técnica proposta, são utilizadas duas técnicas de controle para comparação: PI tradicional e PI-LQR com ação integral. Os resultados são obtidos via simulação, no software PSIM, e experimentalmente.

Downloads

Download data is not yet available.

Author Biographies

P. Robson M. Costa, Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e de Computação, Universidade Federal do Ceará, Campus Sobral, Sobral - CE, Brasil

nascido em 05/06/1994 em Guaraciaba do Norte-CE, é engenheiro eletricista (2016) pela Universidade Federal do Ceará (UFC), especialista em Engenharia Industrial (2017) pela Universidade Ateneu e mestre em Engenharia Elétrica e de Computação pela UFC (2019).

Atualmente, é professor substituto no curso de engenharia elétrica na Universidade Federal do Ceará, campus Sobral. Suas áreas de interesse são: eletrônica de potência, sistemas fotovoltaicos, processamento digital de sinais, acionamentos de máquinas elétricas, filtros ativos e FACTS.

Marcus R. de Castro, Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e de Computação, Universidade Federal do Ceará, Campus Sobral, Sobral - CE, Brasil

nascido em 18/05/1973 em Fortaleza-CE, é engenheiro eletricista (2000), mestre (2004) pela Universidade Federal do Ceará e doutor em engenharia elétrica (2010) pela Université de Reims Champagne-Ardenne.

Atualmente é professor associado da Universidade Federal do Ceará, campus Sobral. Suas áreas de interesse são: eletrônica de potência, qualidade do processamento da energia elétrica, sistemas de controle eletrônicos e acionamentos de máquinas elétricas.

Isaac R. Machado, Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e de Computação, Universidade Federal do Ceará, Campus Sobral, Sobral - CE, Brasil

nascido em 27/03/1982 em Parnaíba-PI, obteve título de engenheiro eletricista pela Universidade
Federal do Ceará (UFC) em 2004. É mestre e doutor em engenharia elétrica pela UFC (2007) e COPPE/UFRJ (2013), respectivamente.

Atualmente é professor adjunto do curso de engenharia elétrica da UFC e do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação (PPGEEC/UFC), na cidade de Sobral-CE. Tem experiência na área de eletrônica de potência aplicada a sistemas de potência, atuando principalmente nos seguintes temas: processamento de energia, acionamentos de máquinas elétricas, fontes renováveis de energia (solar, eólica e ondas), filtros ativos e FACTS.

Vandilberto P. Pinto, Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e de Computação, Universidade Federal do Ceará, Campus Sobral, Sobral - CE, Brasil

nascido em 28/07/1977 em Fortaleza-CE. Possui graduação em Matemática pela Universidade Federal do Ceará (2001), formação técnica pelo Centro Federal de Educação Tecnológica do Ceará no curso de Telecomunicações (1998), Mestrado (2007) e Doutorado (2012) em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Ceará. Realizou o estágio de Pós-doutorado no Instituto Tecnológico de Aeronáutica-ITA (2017).

Atualmente é professor Adjunto IV do curso de Engenharia Elétrica e do Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e Computação da UFC (PPGEEC-UFC) da Universidade Federal do Ceará no campus de Sobral. Tem experiência em sistemas de potência, fontes alternativas, controle e automação industrial, controle de sistemas eólicos, robótica, otimização e teoria de controle. Atuando principalmente nos seguintes temas: controle ótimo e robusto, estimação, filtro de Kalman, inteligência artificial (IA), restrições tipo desigualdades matricial linear (LMI), sistemas eólicos, Robótica Móvel e detecção e diagnóstico de falhas em sistemas dinâmicos.

References

B. Singh, A. Chandra, and Kamal Al-Haddad, Power Quality Problems and Mitigation Techniques, vol. 37, no. 4. 2015. https://doi.org/10.1002/9781118922064 DOI: https://doi.org/10.1002/9781118922064

M. a Abido, "Power System Stability Enhancement Using Facts Controllers: a Review," Arab. J. Sci. Eng., vol. 34, no. 1, p. 153-172, Apr. 2009.

K. Al-Haddad, R. Saha, A. Chandra, and B. Singh, "Static synchronous compensators (STATCOM): a review," IET Power Electron., vol. 2, no. 4, p. 297-324, Jul. 2009. https://doi.org/10.1049/iet-pel.2008.0034 DOI: https://doi.org/10.1049/iet-pel.2008.0034

V. Blasko and V. Kaura, "A new mathematical model and control of a three-phase AC-DC voltage source converter," IEEE Trans. Power Electron., vol. 12, no. 1, p. 116-123, Jan. 1997. https://doi.org/10.1109/63.554176 DOI: https://doi.org/10.1109/63.554176

B. Bahrani, S. Kenzelmann, and A. Rufer, "Multivariable-PI-based dq current control of voltage source converters with superior axis decoupling capability," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 58, no. 7, p.3016-3026, Jul. 2011. https://doi.org/10.1109/TIE.2010.2070776 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2010.2070776

P. W. Lehn and M. R. Iravani, "Experimental evaluation of STATCOM closed loop dynamics," IEEE Trans. Power Deliv., vol. 13, no. 4, p. 1378-1384, 1998. https://doi.org/10.1109/61.714511 DOI: https://doi.org/10.1109/61.714511

P. Rao, M. L. Crow, and Z. Yang, "STATCOM control for power system voltage control applications," IEEE Trans. Power Deliv., vol. 15, no. 4, p. 1311-1317, Oct. 2000. https://doi.org/10.1109/61.891520 DOI: https://doi.org/10.1109/61.891520

B. N. Singh, A. Chandra, and K. Al-Haddad, "DSP-based indirect-current-controlled STATCOM. Part 1: Evaluation of current control techniques," IEE Proc. - Electr. Power Appl., vol. 147, no. 2, p. 107, Jul. 2002. https://doi.org/10.1049/ip-epa:20000066 DOI: https://doi.org/10.1049/ip-epa:20000066

D. Shen and P. W. Lehn, "Modeling, analysis, and control of a current source inverter-based STATCOM," IEEE Trans. Power Deliv., vol. 17, no. 1, p. 248-253, Jan. 2002. https://doi.org/10.1109/61.974214 DOI: https://doi.org/10.1109/61.974214

B. Kedjar and K. Al-Haddad, "DSP-based implementation of an LQR with integral action for a three-phase three-wire shunt active power filter," IEEE Trans. Ind. Electron., 2009. https://doi.org/10.1109/TIE.2008.2006027 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2008.2006027

W. Ren, L. Qian, D. Cartes, and M. Steurer, "A multivariable control method in STATCOM application for performance improvement," in Conference Record - IAS Annual Meeting (IEEE Industry Applications Society), 2005.

D. Pullaguram, S. Mishra, N. Senroy, and M. Mukherjee, "Design and Tuning of Robust Fractional Order Controller for Autonomous Microgrid VSC System," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 54, no. 1, p. 91-101, Jan. 2018. https://doi.org/10.1109/TIA.2017.2758755 DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2017.2758755

C. Pang and M. Kezunovic, "A new approach to PID controller design of STATCOM," in 2008 40th North American Power Symposium, 2008, p. 1- 6. https://doi.org/10.1109/NAPS.2008.5307412 DOI: https://doi.org/10.1109/NAPS.2008.5307412

E. Song, A. F. Lynch, and V. Dinavahi, "Experimental validation of nonlinear control for a voltage source converter," IEEE Trans. Control Syst. Technol., vol. 17, no. 5, p. 1135-1144, Sept. 2009. https://doi.org/10.1109/TCST.2008.2001741 DOI: https://doi.org/10.1109/TCST.2008.2001741

J. Liu, Y. Gao, W. Luo, and L. Wu, "Takagi-Sugeno fuzzy-model-based control of three-phase AC/DC voltage source converters using adaptive sliding mode technique," IET Control Theory Appl., vol. 11, no. 8, p. 1255-1263, May 2017. https://doi.org/10.1049/iet-cta.2016.0689 DOI: https://doi.org/10.1049/iet-cta.2016.0689

J. Liu, Y. Yin, W. Luo, S. Vazquez, L. G. Franquelo, and L. Wu, "Sliding Mode Control of a Three-Phase AC/DC Voltage Source Converter Under Unknown Load Conditions: Industry Applications," IEEE Trans. Syst. Man, Cybern. Syst., vol. 48, no. 10, p. 1771-1780, Oct. 2018. https://doi.org/10.1109/TSMC.2017.2758598 DOI: https://doi.org/10.1109/TSMC.2017.2758598

H.-S. Kim, H.-S. Jung, and S.-K. Sul, "Discrete-Time Voltage Controller for Voltage Source Converters With LC Filter Based on State-Space Models," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 55, no. 1, p. 529-540, Jan. 2019. https://doi.org/10.1109/TIA.2018.2868552 DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2018.2868552

F. Huerta, D. Pizarro, S. Cóbreces, F. J. Rodríguez, C. Girón, and A. Rodríguez, "LQG servo controller for the current control of LCL grid-connected Voltage-Source Converters," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 59, no. 11, p. 4272-4284, Nov. 2012. https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2179273 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2179273

J. M. Kanieski, R. Cardoso, H. Pinheiro, and H. A. Gründling, "Kalman filter-based control system for power quality conditioning devices," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 60, no. 11, p. 5214-5227, Nov. 2013. https://doi.org/10.1109/TIE.2012.2226412 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2012.2226412

R. Panigrahi, B. Subudhi, and P. C. Panda, "A robust LQG servo control strategy of shunt-active power filter for power quality enhancement," IEEE Trans. Power Electron., vol. 31, no. 4, p. 2860-2869, Apr. 2016. https://doi.org/10.1109/TPEL.2015.2456155 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2015.2456155

M. T. Andani, H. Pourgharibshahi, Z. Ramezani, and H. Zargarzadeh, "Controller design for voltage-source converter using LQG/LTR," in 2018 IEEE Texas Power and Energy Conference (TPEC), 2018, p. 1-6. https://doi.org/10.1109/TPEC.2018.8312072 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEC.2018.8312072

V. P. Pinto, J. Carlos Teles Campos, N. Rocha, and C. Brandão Jacobina, "Multivariable Robust Controller With Integral Action Application In A Wind Power Generation System," Eletrônica de Potência, vol. 16, no. 2, p. 147-157, May 2011. https://doi.org/10.18618/REP.2011.2.147157 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2011.2.147157

F. Huerta, J. Perez, S. Cobreces, and M. Rizo, "Frequency-Adaptive Multiresonant LQG State-Feedback Current Controller for LCL-Filtered VSCs Under Distorted Grid Voltages," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 65, no. 11, p. 8433-8444, Nov. 2018. https://doi.org/10.1109/TIE.2018.2814004 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2018.2814004

M. Karimi-Ghartemani, H. Karimi, and M. R. Iravani, "A Magnitude/Phase-Locked Loop System Based on Estimation of Frequency and In-Phase/Quadrature-Phase Amplitudes," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 51, no. 2, p. 511-517, Apr. 2004. https://doi.org/10.1109/TIE.2004.825282 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2004.825282

H. Akagi, E. H. Watanabe, and M. Aredes, Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning, vol. 407. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2007. https://doi.org/10.1002/0470118938 DOI: https://doi.org/10.1002/0470118938

R. Pena, J. C. Clare, and G. M. Asher, "Doubly fed induction generator using back-to-back PWM converters and its application to variable-speed wind-energy generation," IEE Proc. - Electr. Power Appl., 2002.

K. Ogata, Modern Control Engineering, vol. 17. Prentice-Hall, 2002.

M. Athans, "The Role and Use of the Stochastic Linear-Quadratic-Gaussian Problem in Control System Design," IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 16, no. 6. p. 529-552, Dec. 1971. https://doi.org/10.1109/TAC.1971.1099818 DOI: https://doi.org/10.1109/TAC.1971.1099818

D. Simon, Optimal State Estimation: Kalman, H∞, and Nonlinear Approaches. 2006. https://doi.org/10.1002/0470045345 DOI: https://doi.org/10.1002/0470045345

S. Skogestad, Multivariable Feedback Control: Analysis and Design. 2005.