Ajuste de controladores para UPS pelo método VRFT

Abstract

Este trabalho foi desenvolvido com o intuito de se desenvolver uma metodologia para aplicação do método virtual reference feedback tuning, ou VRFT, em sistemas ininterruptos de energia, também conhecidos como uninterruptible power supplies. Estes são equipamentos com a finalidade de fornecer à cargas críticas energia ininterrupta, mesmo em casos de falha da rede elétrica. A UPS utilizada no trabalho é do tipo online de dupla conversão, ou seja, fornece à carga energia controlada todo o tempo. O VRFT é um método baseado em dados, ou seja, utilizado quando não há modelo matemático da planta disponível. Por ser um método direto, nas aplicações originais do VRFT é necessária a realização de apenas um ensaio em malha aberta para determinação do controlador a ser utilizado. Todavia, o comportamento dinâmico do sistema pode ser melhorado com a utilização de uma realimentação de um sinal de corrente do filtro presente na saída da UPS. Sendo assim, são utilizadas duas malhas de realimentação, uma de tensão e outra de corrente. A utilização deste formato de controlador em trabalhos anteriores, como (SCHILDT, 2014), implicou realização de mais de um teste em malha aberta, sendo o controlador do laço de corrente determinado de forma empírica. Neste trabalho, foi aplicada formulação matemática para determinação deste ganho com a realização de um teste em malha aberta e outro teste para determinação do controlador no laço de realimentação de tensão, totalizando dois testes. Outros requisitos para a aplicação do método VRFT são a determinação de um modelo de referência desejado e a classe do controlador a ser utilizado. Neste trabalho, o modelo de referência escolhido foi flexível, dando ao usuário a possibilidade de alocação de polos. Desta forma, foi possível determinar a eficácia do método, além de se comprovar que o ganho de corrente aumentou a liberdade de escolha do modelo. Ainda, a escolha de controlador com diferente número de polos possibilitou a verificação do funcionamento do método, de forma que aumentando-se os graus de liberdade, obteve-se menor custo de seguimento de referência. Por fim, foram realizados testes de inserção e retirada de carga linear, onde se comprovou funcionamento do sistema em relação às normas internacionais vigentes, onde percebeu-se que a tensão RMS de saída não variou mais que 2% do valor nominal. O trabalho não considerou a utilização de cargas não-lineares em sua concepção. As principais contribuições a serem feitas são a inserção de modos no controlador para a rejeição de harmônicas, além da diminuição de dois para apenas um teste em malha aberta que sirva para determinação de todos os parâmetros dos controladores.

This work aims on developing a methodology for application of the virtual reference feedback tuning, or VRFT, in uninterruptible power supplies, also known as UPS. These are devices that provide uninterruptible power to critical loads, even in case of failure of the power grid. The UPS used in this paper is an online double conversion type, that means it provides the load controlled energy all the time.The VRFT is a data-based method, used when there is no available mathematical model of the plant . As a noniterative method, only one open-loop test is necessary to determine the controller on the original VRFT applications. However, the system’s dynamic behavior can be improved with the usage of a feedback current signal. Thus, two feedback loops are necessary, voltage and current. This dual-loop feedback has been utilized in previous works such as (SCHILDT, 2014), and more than one open-loop test was performed, being the current loop gain empirically determined. In this study, mathematical formula was applied to determine this gain by carrying out one open-loop test, needing another one to determine the voltage feedback loop controller.Other requirements for the application of the VRFT method are the determination of a desired reference model and the controller class to be used. In this work, the reference model chosen was flexible, giving the user the possibility of allocating poles. Thus, it was possible to determine the effectiveness of the method, and it was shown that the current gain increased freedom of choice for the model. Furthermore, the controller choice with a different number of poles made it possible to check the functionality of the method, so that increasing the degrees of freedom afforded lower cost. Finally, tests with insertion and removal of linear load were carried out, which proved that the system worked when compared to current international standards, where it was noticed that the output RMS voltage did not change more than 2% of it’s nominal value. The study did not consider the usage of non-linear loads in it’s design. The main contributions to be made are the inclusion of harmonic rejection modes on the controller in addition to the reduction from two to one open-loop test.