Design and analysis of a multi-stage control for power multi-converters in a DC microgrid

Abstract

Microgrids are designed to connect different types of ac and dc loads, which require robust power controllers to achieve efficient energy transfer. However, the effects of AC and DC disturbances on a single type of controller make achieving such stability in a microgrid a design challenge. Additionally, in multistage systems and loads where disturbances affect both upstream and downstream of the microgrid, these controllers demand greater robustness. This thesis presents an analysis of a sliding mode control (SMC) applied to a multistage microgrid with direct current (DC) and alternating current (AC) power converters. The goal was to implement sliding mode controllers for converters that supply constant power loads DC-DC and DC-AC. The controller was tested considering a unique sliding surface facing external disturbances, such as variations in the frequency of AC converters, sudden changes in upstream voltages, and constant power loads (CPL). Initially, the simple first-order controller was analyzed, then with a washout filter, and subsequently experimentally validated. Next, a second-order controller was analyzed. The influence on the response and stability of the gain values (k) of the controller's sliding surface was also studied. The results show that the controller is robust in terms of sensitivity to external disturbances and steady-state error. However, it was observed that there are limiting values for the sliding surface constant 'k,' where if 'k' is too low, deceleration occurs, and the response to disturbances is critical, and if it is too high, undesired overshoot occurs in the output voltage. This way, it was observed that it is possible to find a single controller that offers some robustness to typical disturbances in a microgrid with commercial voltages.

Las microrredes están diseñadas para conectar diferentes tipos de cargas de CA y CC que requieren controladores de potencia robustos para lograr una transferencia de energía eficiente. Sin embargo, los efectos de las perturbaciones de CA y CC en un único tipo de controlador hacen que lograr dicha estabilidad en una microred sea un desafío de diseño. Adicionalmente, en sistemas de múltiples etapas y cargas donde las perturbaciones afectan tanto aguas arriba como aguas abajo de la microred estos controladores exigen mayor robustez. Esta tesis presenta un análisis de un control de modo deslizante (SMC) aplicado a una microrred de múltiples etapas con convertidores de potencia de corriente continua (DC) y corriente alterna (AC). El objetivo fue implementar controladores de modo deslizante a convertidores que alimentan cargas de potencia constantes CC-CC y CC-CA. El controlador fue probado considerando una superficie deslizante única que enfrenta perturbaciones externas, como variaciones en la frecuencia de los convertidores de CA, cambios repentinos en los voltajes aguas arriba y cargas de potencia constante (CPL). Inicialmente se analizó el controlador de primer orden sencillo, luego con filtro washout y posteriormente se validó experimentalmente. Luego se analizó un controlador de segundo orden. También se analizó la influencia en la respuesta y estabilidad de los valores de ganancia (k) de la superficie de deslizamiento del controlador. Los resultados muestran que el controlador es robusto en cuanto a sensibilidad a perturbaciones externas y error de estado estacionario. Sin embargo, se observó que existen valores de constantes de superficie de deslizamiento “k” límites donde si "k" es demasiado bajo se presenta una desaceleración y la respuesta ante perturbaciones es crítica, y si es demasiado alto vi se presenta un sobrepaso indeseado en el voltaje de salida. De esta manera se observó que es posible encontrar un único controlador que ofreciera cierta robustez a las perturbaciones típicas de una microrred con voltajes comerciales. (Texto tomado de la fuente)