Implementación de un control digital de potencia activa y reactiva para inversores

Esta tesis se centra en los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica. El objetivo principal es controlar la potencia inyectada a la red desde los paneles solares, optimizando el diseño y el control de los inversores cuando se emplean como interfaz entre la red eléctrica y los sistemas fotovoltaicos para entregar energía a la red con la mejor calidad posible y según las exigencias de la red. El control del la potencia inyectada a la red no solamente incluye el control de la potencia activa, sino también la potencia reactiva. En esta tesis, se propone un algoritmo sencillo y robusto para el diseño del control del inversor conectado a la red, basado en la utilización del control digital DSPWM “Digital Sinusoidal Pulse Width Modulation”, asociado al control del desfase entre la tensión de salida del inversor y la tensión de la red. A nivel de diseño, en esta tesis se desarrollan y se analizan las limitaciones de los convertidores VSCs “Voltage Source Converters” como inversores para entregar potencia activa y reactiva a la red asegurando una óptima conexión desde los paneles solares, cuidando el funcionamiento del inversor y mejorando el factor de potencia y el contenido armónico de la corriente inyectada a la red. Desde el punto de vista del control, se ha desarrollado una nueva estrategia de control. Se propone un método de control del inversor que permite controlar no solo la corriente inyectada a la red y el factor de potencia sino que, de forma dinámica, puede reconfigurarse para cambiar el tipo de factor de potencia que se desea entregar a la red dependiendo de las necesidades de la red eléctrica. El control se basa en la utilización de un número mínimo de patrones de disparo previamente calculado y tabulado aplicado a una tensión del bus de continua constante. Actuando sobre el desfase de la tensión de salida del inversor como parámetro de control, se puede controlar la amplitud de la corriente de salida, el factor de potencia y, por lo tanto, la magnitud de la potencia entregada a la red, tanto activa como reactiva. Una de las ventajas que nos proporciona este método de control es su simplicidad en cuanto a los requerimientos de capacidad de cómputo del circuito de control y por otra parte nos permite reconfigurar el control de manera rápida y sencilla en caso de que se requiera inyectar no solo potencia activa, sino también potencia reactiva. Se analiza el comportamiento de éste método para diferentes configuraciones dentro del sistema de control global, utilizando a la salida del inversor un filtro L y un filtro LCL calculando la distorsión armónica total de la corriente para cada configuración. Se presenta el método para el seguimiento del punto de máxima potencia y la estructura de los lazos de control, así como el método seguido para calcular los reguladores y la implementación digital del control. Se presentan el controlador de corriente y el controlador de tensión del DC-bus, el modulador de fase, desarrollando un modelo de ecuaciones lineales para el diseño del controlador y se analiza la estabilidad del inversor conectado a la red eléctrica. Dentro de esta línea de investigación y para llevar a cabo el control digital del inversor, se ha realizado, en primer lugar, la implementación de las técnicas de modulación sinusoidal del ancho del pulso SPWM “Sinusoidal Pulse Width Modulation”, bipolar y unipolar, de forma digital. La implementación del modulo SPWM digital que forma parte del control del inversor se ha realizado en una FPGA “Field Programmable Gate Array” validando los resultados de simulación y experimentales. El funcionamiento del control propuesto se ha validado mediante simulaciones de los modelos promediado y conmutado del inversor con control de fase. Por último este control ha sido implementado en una FPGA y validado con los resultados de simulaciones y experimentales.------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------This thesis is focused on photovoltaic systems connected to the grid. The aim is to control the power injected into the grid from solar panels, by optimizing the design and control of inverter when are used as an interface between electrical power and photovoltaic systems, in order to deliver energy to the grid with the best quality and according to the grid demands. Injected power does not only include the control of the active power, but also the reactive power. An algorithm for design a simple and robust control of the inverter connected to the grid is proposed in this work. It is based on the digital control strategy DSPWM "Digital Sinusoidal Pulse Width Modulation", associated to the control of the phase shifting of the inverter output voltage with respect to the grid voltage. This work develops and analyzes the limitations of the converters VSCs "Voltage Source Converters" as inverters to deliver active and reactive power to the grid ensuring optimal connection from the solar panels, caring inverter operation and improving the power factor and harmonic content of the current injected into the grid. A new control strategy has been developed. The proposed control is able to control, not only the current injected into the grid, but also the power factor, with a minimum number of DSPWM patterns. Varying the power factor, within a certain range, the injected reactive power (inductive or capacitive) can be dynamically changed and controlled. The basic idea of the proposed control is to obtain a low cost and simple inverter implementation using a phase shifting strategy with a minimum number of DSPWM patterns previously calculated and tabulated (look-up table), applied to a constant DC bus voltage. Acting on the phase shift of the inverter output voltage as control parameter, the output current amplitude and the power factor can be controlled, and therefore the amplitude of the power injected into the grid, both active and reactive power. The proposed control strategy is simple and required a relatively low hardware and computational resources. The behavior of this method for different configuration within the overall control system, using the inverter output filter L and a LCL filter by calculate the total harmonic distortion of current for each configuration is analyzed. A method for maximum power point tracking and a structure of the control loop and digital implementation of the control are presented. The current controller, the voltage controller of DC-bus and the phase modulator are obtained by developing a model of linear equations for the controller design and stability analysis of the inverter connected to the grid. In this line of research and in order to carry out digital control of inverter, the bipolar and unipolar DSPWM modulation has been implemented using FPGA “Field Programmable Gate Array” platform and validated by means of simulation and experimental results. The proposed control has been validated by simulations of averaging and switched inverter model with phase control. Finally, this control has been implemented in a FPGA and validated with simulations and experimental results