Estrategias de control distribuido del tipo Event-triggered y self-triggered para el control Intracluster del convertidor modular multinivel

Abstract

Este trabajo de tesis se centra en el desarrollo de estrategias de control distribuido para el balance de voltaje intracluster en el Modular Multilevel Converter (MMC, por sus siglas en inglés). Para ello, se proponen, analizan y validan en un entorno Hardware-in-the-Loop (HIL, por sus siglas en inglés) cuatro estrategias de control distribuido del tipo Event-Triggered (ET, por sus siglas en inglés) y Self-Triggered (ST, por sus siglas en inglés). Las estrategias propuestas se denominan Event-Triggered (ET1), Event-Triggered Average (ET2), Pseudo Self-Triggered (PST) y Self-Triggered Average (ST). Estas estrategias son una alternativa a los métodos distribuidos tradicionales para el control del voltaje intracluster en el MMC. Dichos métodos emplean un enfoque distribuido basado en la teoría de consenso. En esta arquitectura de control, un Central Controller (CC, por sus siglas en inglés) se encarga de los objetivos de alto nivel, mientras que los Local Controllers (LC, por sus siglas en inglés) gestionan los de bajo nivel, donde ambos ejecutan sus algoritmos de control al mismo paso de tiempo del CC. En este enfoque de control, los LCs, ubicados en los submódulos del MMC, son responsables del control de voltaje intracluster. En este contexto, dado que la dinámica de estos voltajes es lenta, esta tarea de bajo nivel puede ejecutarse de forma asíncrona, lo cual permite a los LCs operar en instantes de tiempo distintos en relación al CC y usar el hardware de control de forma más eficiente. Esto representa una contribución novedosa que no ha sido reportada en las propuestas de la literatura para el control intracluster del MMC. Aunque se han propuesto técnicas de control ET y ST para esta ejecución asincrónica, las propuestas identificadas en la literatura se han enfocado en sistemas multiagente con modelos dinámicos simplificados, así como en la gestión de microrredes, donde el control se aplica a la interacción entre diferentes fuentes distribuidas de energía eléctrica. Por ello, su implementación en el contexto de un MMC representa un desafío significativo para el diseño de estrategias de control distribuido. Ante este escenario, las estrategias propuestas en esta tesis buscan mejorar el desempeño de los LCs, siendo su objetivo reducir la cantidad de actualizaciones de control, limitar el uso de información de voltaje (intercambiado entre los LCs) de otros submódulos y disminuir la dependencia de mediciones locales. Esta reducción de requisitos contribuye directamente a disminuir la carga computacional de los LC, lo que favorece una implementación más eficiente y escalable. Para garantizar su robustez, cada uno de los desarrollos presentados en esta tesis se fundamenta en un riguroso análisis teórico que incluye una demostración de estabilidad global basada en el enfoque de Lyapunov, además, cada método propuesto es validado en HIL. Por consiguiente, para evaluar la efectividad de las estrategias de control distribuido propuestas, se realizaron simulaciones HIL utilizando índices de desempeño específicamente diseñados para poder comparar los enfoques propuestos. Estos índices permiten cuantificar los resultados obtenidos desde la perspectiva de cada LC, considerando: (i) la cantidad de actualizaciones de la acción de control local. (ii) las actualizaciones de voltajes de otros LCs recibidas a través de la red de comunicación. (iii) las actualizaciones asociadas a la medición de voltaje local. La evaluación se llevó a cabo comparando las estrategias propuestas tanto con un enfoque de control distribuido tradicional basado en consenso como entre las propias propuestas. Finalmente, se discuten los aspectos clave para su implementación en hardware y software, lo que sienta las bases para su futura aplicación en sistemas de conversión de potencia.