Predictive control strategies of modular multilevel matrix converter
Authors:   , Cuzmar Leiva Rodrigo Hernán 
Published: December 2024

Actualmente, el mundo está cambiando la forma en que genera energía, pasando de un sistema eléctrico basado en baja penetración de energías renovables, flujos de potencia unidireccionales y baja participación de conversores de potencia, a un sistema eléctrico con alta inclusión de energías renovables, flujos de potencia bidireccionales y alto uso de conversores de potencia. Los conversores AC-AC jugarán un rol fundamental en los sistemas del futuro, en aplicaciones como la interconexión de sistemas de potencia, sistemas de transmisión AC de baja frecuencia (LFAC), sistemas de conversión de energía eólica (WECS) y como accionamiento de motores de medio/alto voltaje para bombas, molinos, cintas transportadoras, tracción marina, entre otras aplicaciones. Chile y Australia predicen que, para el 2050, los sistemas eólicos serán una de las principales fuentes de energía para industrias y personas. Adicionalmente, ambos países presentan una actividad minera activa, aplicación que considera múltiples accionamientos para motores. Sin embargo, los futuros conversores AC-AC para las aplicaciones mencionadas anteriormente, como por ejemplo el conversor matricial modular multinivel (M3C), presentan diversos desafíos para su implementación, tales como alto acoplamiento de los estados internos, alta complejidad para el control y balance de varios capacitores flotantes, gran cantidad de señales de control y oscilaciones en el voltaje de los capacitores a frecuencias críticas, desafíos que complican su implementación en aplicaciones de alto voltaje que requieren un gran número de sub-módulos. Este proyecto de investigación apunta al desarrollo de estrategias de control predictivo para controlar un M3C, que se componen de dos partes: un controlador interno encargado del control de corrientes y del control de balance local del clúster, y un controlador externo que logra el control de balance entre clústeres y mitiga las oscilaciones de baja frecuencia del voltaje de los capacitores de los sub-módulos. Por un lado, se proponen dos estrategias como controlador interno: una basada en control predictivo por modelo con desplazamiento de fase secuencial y otra basada en control predictivo por modelo con conjunto de control finito (FCS-MPC). Por otro lado, se proponen dos generadores de referencia como controlador externo: el primero genera corrientes circulantes en función de la energía de los clústeres en un espacio transformado, y el segundo considera corrientes circulantes y voltaje de modo común para balancear la energía del M3C. Finalmente, los resultados experimentales prueban la eficacia de la estrategia de control diseñada para controlar un M3C, logrando alcanzar las referencias de corriente y energía. Más aún, todas las propuestas son comparadas con estrategias de la literatura. En estado estacionario, el error de seguimiento promedio de corrientes y voltajes es de 1.96% y 1.82%, respectivamente, reduciendo el rizado del voltaje de los capacitores para baja frecuencia en 31% y para frecuencias iguales en 36%. Durante transientes, por un lado, cambios en escalón de potencia y frecuencia son seguidos instantáneamente. Por otro lado, cambios en escalón en los controles de balance local y entre clústeres son seguidos en 80 y 200 ms, respectivamente. Finalmente, la carga computacional de todas las propuestas incrementa linealmente con el número de sub-módulos, con excepción de la estrategia basada en FCSMPC.