Control Methods for Single-phase Voltage Supply with VSCs to Feed Nonlinear Loads in Rural Areas

Abstract

Este artículo aborda el problema de la generación de voltaje sinusoidal en cargas lineales utilizando un inversor de fuente de voltaje (VSI). La estructura port-Hamiltoniana en lazo abierto se utiliza para diseñar un controlador basado en pasividad con ganancias proporcionales-integrales (PI-PBC) con el fin de desarrollar la estrategia de control. La principal ventaja de utilizar controladores basados en pasividad corresponde a la posibilidad de garantizar la estabilidad asintótica transformando el problema de seguimiento de trayectoria en uno de control de regulación. Además del PI-PBC, se emplea un estimador de carga lineal basado en una formulación integral para determinar el valor de la conductancia equivalente en la carga, lo que reduce el número de sensores de corriente. Las validaciones numéricas demuestran que el voltaje sinusoidal proporcionado por el VSI a la carga tiene un error de seguimiento menor a $ 1~\% $, con distorsiones armónicas menores a $2.6~\% $, tanto para voltaje como para corrientes en la carga. Todas las simulaciones se realizaron en MATLAB/Simulink utilizando la biblioteca SimPowerSystems versión 2017a.

This paper addresses the problem of sinusoidal voltage generation in linear loads using a voltage source inverter (VSI). The port-Hamiltonian structure in open-loop is used to design a passivity-based controller with proportional-integral gains (PI-PBC) in order to develop the control strategy. The main advantage of using passivity-based controllers corresponds to the possibility of guaranteeing asymptotic stability by transforming the trajectory tracking problem into a regulation control one. In addition to the PI-PBC, a linear load estimator is employed based on an integral formulation to determine the value of the equivalent conductance in the load, which reduces the number of current sensors. Numerical validations demonstrate that the sinusoidal voltage provided by the VSI to the load has a tracking error lower than $1~\%$, with harmonic distortions lower than $2.6~\%$, both for voltage and currents in the load. All the simulations were conducted in MATLAB/Simulink using the SimPowerSystems library version 2017a.