Modelagem e controle de conversores DC-DC híbridos bidirecionais baseados em capacitores chaveados

Abstract

A crescente eletrificação da matriz energética mundial apresenta-se como uma das tendências tecnológicas mais relevantes para o século XXI. Embora esse contexto apresente oportunidades para ganhos de eficiência e desempenho, ele implica a necessidade da supera ção de uma série de desafios tecnológicos. Muitos desses desafios estão ligados ao controle do fluxo bidirecional de energia que emerge naturalmente em aplicações de mobilidade elétrica, armazenamento e distribuição de energia, energias renováveis e smart-grids. São justamente para essas aplicações que os conversores DC-DC baseados em capacitores chaveados tem recebido maior atenção na literatura especializada por concentrarem muitas características vantajosas : alta densidade energética, altas taxas de conversão e elevada eficiência. Considerando a importância da estabilidade e desempenho dinâmico para o controle dessas aplicações, o objetivo deste trabalho é avaliar e comparar a performance dinâmica desses conversores (em particular conversores híbridos) sob diferentes técnicas de controle e em particular averiguar o contraste entre as técnicas de “controle clássico” e “controle moderno”. Este trabalho baseia-se na topologia VQIBC (descrita na literatura em 2021) como referência e apresenta o desenvolvimento para sua modelagem matemática com diversas características : modelo não linear, modelo de pequenos sinais no espaço de estados e modelo de pequenos sinais no domínio de Laplace. O comportamento de regime permanente da topologia foi validado pela construção de um protótipo em laboratório e a resposta transitória dinâmica foi validada por simulações computacionais. Tendo os modelos matemáticos validados, diferentes técnicas de controle foram implementadas em simulação. Representando o controle clássico, foram avaliados o controle PI com os coeficientes kp e ki sendo obtidos através de técnicas algébricas e numéricas, e o controle PI duplo em cascata. Representando o controle moderno foram avaliados o controle LQR e LQI. A comparação e análise dos resultados indica uma clara vantagem para as técnicas de controle moderno (em particular o LQI). Além de apresentar uma performance dinâmica superior, a sua implementação exige um número menor de hipóteses e escolhas arbitrárias e resulta em sistema menos sensível à variações de parâmetros e não-idealidades

The growing electrification of the world’s energy mix emerges as one of the most important technological trends of the twenty-first century. Even though this context provides opportunities for efficiency and performance gains, it implies the need to overcome a number of technological challenges. Many of these challenges are related to the control of a bidirectional flux of energy, which emerges naturally in applications of electric mobility, energy storage and distribution, renewable energies and smart grids. Precisely for these applications, switched-capacitor DC-DC converters have gained and increased attention on the specialized literature for providing many advantageous characteristics : high energy density, high conversion ratios and high efficiencies. Considering the importance of stability and dynamic behavior for the control of these applications, the objective of this work is evaluating and comparing the dynamic performance of these converters (in particular hybrid converters) under different control techniques and in particular analyzing the contrast between “classic control” and “modern control” approaches. This work is based on the topology VQIBC and presents the development of the mathematical modeling for various different characteristics : non linear model, small signal model on the state-space and small signal on the Laplace domain. The steady-state behavior of the converter was validated by the construction of a lab prototype and its dynamic response was validated by computational simulations. Having the mathematical models validated, different control techniques were implemented in simulation. Representing the classic control, the evaluated techniques : a simple PI compensator with coefficients kp and ki obtained by algebraic and numeric methods, and a double cascaded PI loop. Representing modern control the LQR and LQI were evaluated. The comparison and result analysis indicates a clear advantage for the modern techniques (particularly LQI). Beyond improved dynamic performance, its implementation requires less hypotheses and arbitrary choices and results in a system less sensible to parameters variation and non-idealities