Interface gráfica para sintonia do controlador múltiplo-ressonante de ganho finito aplicado a fontes ininterruptas de energia

Abstract

O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de uma interface gráfica (Graphical User Interface, GUI) para sintonia do controlador múltiplo-ressonante de ganho finito aplicado a fontes ininterruptas de energia (Uninterruptible Power Supplies, UPS). Primeiramente, é apresentado um breve contexto da utilização de UPSs, além do modelo da UPS considerada neste trabalho, suas cargas lineares e não-lineares e as normas que impõem restrições no desempenho destes sistemas. Baseado em (BERTOLDI, 2019), são apresentados os valores de atenuação de cada harmônica que devem ser impostos em malha fechada para que a norma IEC 62040-3 seja atendida para diferentes valores de potência de UPS. São apresentados os controladores múltiplo-ressonantes de ganho finito e o sistema em malha fechada, onde o sinal de controle é representado como uma realimentação de estados. O ganho de realimentação é determinado através da solução de um problema de otimização convexa sujeito a restrições de Desigualdades Matriciais Lineares (Linear Matrix Inequalities, LMI), garantindo estabilidade robusta e desempenho transitório desejado. Para sintonia do controlador múltiplo-ressoante de ganho finito, são propostos problemas de otimização visando aproximar a atenuação de distúrbios em malha fechada dos valores necessários para que a norma IEC 62040-3 seja atendida com o menor número possível de modos ressonantes. Neste caso, os parâmetros livres na otimização são o coeficiente de amortecimento de cada harmônica, número de modos ressonantes inseridos no controlador e restrições de D-estabilidade. Tais problemas de otimização são resolvidos através da execução do algoritmo proposto neste trabalho, que é executado através de uma GUI. O algoritmo proposto determina os valores do coeficiente de amortecimento ξ e do parâmetro 𝑟, associado à máxima frequência natural do sistema, para atendimento da norma IEC 62040-3. Nos resultados obtidos, são apresentadas a GUI desenvolvida e os resultados de simulação com os parâmetros determinados pela solução do problema de otimização para UPSs de potência 0,8 kVA, 3,5 kVA e 10 kVA. Para verificação da validade do método, são exibidos os valores de atenuação em função de cada harmônica e a cada iteração do algoritmo, além de ser exibida uma comparação do sinal de controle com os ganhos otimizados e com os ganhos infinitos.

This work presents the development of a Graphical User Interface (GUI) for tuning the finite gain multiple-resonant controller applied to Uninterruptible Power Supplies (UPS). Firstly, a brief context of the use of UPSs is presented, in addition to the UPS model considered in this work, their linear and nonlinear loads and the standards that impose restrictions on the performance of these systems. Based on (BERTOLDI, 2019), the attenuation values of each harmonic that must be imposed in closed loop are presented so that the IEC 62040-3 standard is met for different UPS power values. The finite gain multiple-resonant controllers and the closed-loop system are presented, where the control signal is represented as a state feedback. Feedback gain is determined by solving a convex optimization problem subject to Linear Matrix Inequalities (LMI) constraints, ensuring robust stability and desired transient performance. For tuning the finite gain multiple-resonant controller, optimization problems are proposed in order to approximate the closed-loop disturbance attenuation to the values required for the IEC 62040-3 standard to be met with as few resonant modes as possible. In this case, the free parameters in the optimization are the damping coefficient of each harmonic, number of resonant modes entered in the controller and D-stability constraints. Such optimization problems are solved by executing the algorithm proposed in this work, which is executed through a GUI. The proposed algorithm determines the values of the damping coefficient ξ and the parameter 𝑟, associated with the maximum natural frequency of the system, to comply with IEC 62040-3. In the obtained results, the developed GUI and the simulation results with the parameters determined by the solution of the optimization problem for 0.8 kVA, 3.5 kVA and 10 kVA UPSs are presented. To verify the validity of the method, the attenuation values are displayed as a function of each harmonic and each iteration of the algorithm, as well as a comparison of the control signal with the optimized gains and infinite gains.