Controlador Híbrido Robusto PID-MRAC aplicado aos Conversores DC-DC Conectados em Cascata

Rodrigo Paz França; Fabricio Hoff Dupont; Rodrigo Varella Tambara; José Renes Pinheiro

doi:10.18618/REP.2024.1.0036

Authors

Rodrigo Paz França Universidade Federal de Santa Maria https://orcid.org/0000-0001-6272-7289
Fabricio Hoff Dupont Community University of Chapecó Region - Unochapecó https://orcid.org/0000-0003-2257-2897
Rodrigo Varella Tambara Universidade Federal de Santa Maria https://orcid.org/0000-0003-2968-6184
José Renes Pinheiro Universidade Federal de Santa Maria https://orcid.org/0000-0001-9686-8004

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.2024.1.0036

Keywords:

Geração Distribuída, Estabilidade, Sistema em cascata, Controle adaptativo, Incertezas

Abstract

Sistemas de Geração Distribuída são formados pela conexão de diversos elementos como conversores de energia, inversores, filtros, entre outros, que são projetados individualmente para garantir estabilidade e desempenho. Devido à interação entre os elementos conectados, o sistema pode se tornar instável ou oscilatório. A literatura relaciona esse problema ao comportamento de Carga de Potência Constante de conversores operando em malha fechada. Entretanto, este trabalho demonstra que o problema de instabilidade nesse tipo de sistema pode estar relacionado com incertezas presentes na planta e suas interações. Utilizando um estudo de caso que formado por um filtro de entrada LC conectado em cascata com um conversor Buck com um compensador na tensão de saída e, por meio do critério de Middlebrook, identificouse que o sistema em cascata é instável, e através do Teorema do Elemento Extra mostrou-se que isso é devido a presença de dinâmicas não modeladas. Assim, pelo fato de controladores clássicos do tipo PID não garantirem, em muitos casos, a estabilidade, em sistemas conectados em cascata, este artigo propõe um controlador híbrido robusto PID-MRAC. Nesse controlador, a saída do PID é responsável por manter o adequado desempenho transitório e a ação MRAC é responsável pela robustez em relação às incertezas estruturadas e não estruturadas.

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Author Biographies

Rodrigo Paz França, Universidade Federal de Santa Maria

nasceu em Quaraí, RS, Brasil, em 1991. Recebeu o grau de Engenheiro de Controle e Automação e Mestre em Engenheira Elétrica pela PUC-RS, Brasil, em 2013 e 2016. Recebeu o grau de doutor em Engenharia Elétrica na Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil, em 2020. Seu interesse atual em pesquisa inclui modelagem de sistemas, controle robusto, e analise da estabilidade.

Fabricio Hoff Dupont, Community University of Chapecó Region - Unochapecó

recebeu o grau de Engenheiro de Telecomunicações (2007) e Mestre em Engenharia Elétrica (2010) pela Universidade Regional de Blumenau (FURB), Brasil, e Doutor em Engenharia Elétrica (2014) pela Universidade Federal de Santa Maria, (UFSM), Brasil. Atualmente é professor na Universidade Comunitária da Região de Chapecó e Diretor de Engenharia da empresa Latina Controle e Automação. É membro das sociedades PELS e IES da IEEE. Seus interesses atuais em pesquisa incluem eletrônica industrial, fontes de alimentação, modelagem e controle de conversores estáticos e técnicas de otimização aplicadas à eletrônica de potência.

Rodrigo Varella Tambara, Universidade Federal de Santa Maria

possui graduação, mestrado e doutorado em Engenharia de Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria em 2008, 2010 e 2014, respectivamente. Atualmente é professor da UFSM. Seus interesses de pesquisa incluem controle adaptativo e aplicações de controle em eletrônica de potência. É docente permanente do Programa de PósGraduação de Engenharia Elétrica da UFSM e pesquisador dos grupos de pesquisa GSEC e GEPOC.

José Renes Pinheiro, Universidade Federal de Santa Maria

recebeu o grau de Engenheiro Eletricista pela UFSM, e os graus de Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela UFSC, em 1981, 1984, e 1994, respectivamente. É Prof. Titular (Voluntário) do DPEE da UFSM, onde atua desde 1985. Desde 2018, também atua como Prof. Titular Visitante no PPGEE da UFBA. Em 1987, foi um dos fundadores e líder do Grupo de Eletrônica de Potência e Controle (GEPOC). Entre 2006 e 2015 foi coord. do PPGEE da UFSM. Entre 2001 e 2002, realizou pós-doutorado no Center for Power Electronics Systems (CPES), Virginia Tech, EUA. 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. É membro da SOBRAEP, da SBA, e das Sociedades PELS, IAS, IES e PES da IEEE.

References

W. El-Khattam and M. M. Salama, "Distributed generation technologies, definitions and benefits," Electric power systems research, vol. 71, no. 2, pp. 119-128, 2004. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2004.01.006 DOI: https://doi.org/10.1016/j.epsr.2004.01.006

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/10.1080/10463356.2005.11883254 DOI: https://doi.org/10.1109/MAES.2005.1499272

S. Singh, A. R. Gautam, and 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

X. Feng, J. Liu, and 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/10.4278/0890-1171-17.2.157 DOI: https://doi.org/10.1109/63.988825

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

X. Zhang, X. Ruan, and 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

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

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

G. V. Hollweg, P. J. D. de Oliveira Evald, E. Mattos, L. C. Borin, R. V. Tambara, and V. F. Montagner, "Self-tuning methodology for adaptive controllers based on genetic algorithms applied for grid-tied power converters," Control Engineering Practice, vol. 135, p. 105500, 2023. https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2023.105500 DOI: https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2023.105500

P. J. D. de Oliveira Evald, G. V. Hollweg, W. B. da Silveira, D. M. C. Milbradt, R. V. Tambara, and H. A. Gründling, "Performance comparison of discrete-time robust adaptive controllers for grid-tied power converters under unbalanced grids," e-Prime - Advances in Electrical Engineering, Electronics and Energy, vol. 4, p. 100143, 2023. https://doi.org/10.1016/j.prime.2023.100143 DOI: https://doi.org/10.1016/j.prime.2023.100143

G. V. Hollweg, R. V. Tambara, J. R. Massing, L. C. Borin, E. Mattos, G. G. Koch, C. R. D. Osório, and V. F. Montagner, "Model reference adaptive controllers with improved performance for applications in lcl filtered grid-connected converters," Control Engineering Practice, vol. 138, p. 105591, 2023. DOI: https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2023.105591

P. J. D. de Oliveira Evald, G. V. Hollweg, L. C. Borin, E. Mattos, R. V. Tambara, V. F. Montagner, and H. A. Gründling, "An optimal initialisation for robust model reference adaptive pi controller for gridtied power systems under unbalanced grid conditions," Engineering Applications of Artificial Intelligence, vol. 124, p. 106589, 2023. https://doi.org/10.1016/j.engappai.2023.106589 DOI: https://doi.org/10.1016/j.engappai.2023.106589

G. V. Hollweg, P. J. D. de Oliveira Evald, R. V. Tambara, and H. A. Gründling, "A robust adaptive super-twisting sliding mode controller applied on grid-tied power converter with an lcl filter," Control Engineering Practice, vol. 122, p. 105104, 2022. https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2022.105104 DOI: https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2022.105104

R. W. Erickson and D. Maksimovic, Fundamentals of power electronics. Springer Science & Business Media, 2007.

C. M. Wildrick, F. C. Lee, B. H. Cho, and 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

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

F. Barruel, A. Caisley, N. Retière, and 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. IEEE, 2005, pp. 1163-1169.

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

A. Riccobono and 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

P. Ioannou and K. Tsakalis, "A robust direct adaptive controller," IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 31, no. 11, pp. 1033-1043, 1986. https://doi.org/10.1109/TAC.1986.1104168 DOI: https://doi.org/10.1109/TAC.1986.1104168

R. Varella Tambara, "Um controlador adaptativo robusto aplicado a conversores estáticos conectados à rede elétrica através de filtro LCL," Ph.D. dissertation, Universidade Federal de Santa Maria, 2014.

P. A. Ioannou and J. Sun, Robust adaptive control. Courier Corporation, 2012.