Estimadores robustos para realimentação de corrente em fontes ininterruptas de energia (UPS)

Abstract

Este trabalho apresenta a aplicação de metodologias de estimação de estados para a realimentação de corrente de indutor em fontes ininterruptas de energia (em inglês, Uninterruptible Power Supply – UPS). Partindo do modelo médio do estágio de saída para uma UPS monofásica, apresenta-se uma estrutura de controle multi-laço, com controlador quase-ressonante no laço da tensão de saída e controlador proporcional no laço de corrente de indutor. Propõe-se então substituir, na composição do sinal de controle, as medidas de corrente do sensor por estimativas da mesma, obtidas de um estimador de estados. Três metodologias de projeto para este estimador são exploradas: o filtro de Kalman-Bucy de regime permanente; a extensão do filtro de Kalman-Bucy para considerar incertezas de modelo limitadas em norma; e a minimização de norma H2 entre distúrbios e erro de estimação. Resultados de simulação demonstram que o primeiro método é mais adequado para estimação a vazio e sob cargas lineares conhecidas, enquanto o segundo e o terceiro métodos apresentam melhores desempenhos de estimação para cargas não lineares. Com um controlador que cumpre a norma IEC 62040-3 quando realimentado por sensor de corrente, verificou-se que utilizar estimadores de estados projetados com os últimos dois métodos também resultam em desempenhos transitórios que satisfazem a norma. Com cada método de projeto proposto, foi possível obter níveis de distorções harmônicas que cumprem os requisitos de desempenho da IEC62040-3.

The present work appertains to applying state estimation methods to the feedback of inductor current in Uninteruptible Power Supplies (UPS). From the average model for the output stage of a single-phase UPS, a multi-loop control structure is presented, with a quasi-resonant controller in the output voltage loop and a proportional controller in the inductor current loop. Then, it is proposed to replace, in the control signal composition, current sensor measurements for its estimations, obtained by means of a state estimator. Three design methods for the state estimator are investigated: the steady-state Kalman-Bucy filter; the extension of Kalman-Bucy filter to take into account norm-bounded model uncertainties; and the minimizing of an H2 norm bound between disturbances and estimation error. Simulation results show that the first method is more appropriate for estimations under no load or under known linear loads, while the second and third methods result in better estimation performance under non-linear loads. With a controller that suits the IEC 62040-3 international standard when fed by current sensor measurements, it is shown that using state estimators designed under the latter two methods also result in adequate transient performances. With each design method proposed, it was possible to achieve harmonic distortion levels that comply to the requirementes of the IEC 62040-3.