Bidirectional AC-DC controlled converter for “stand-alone” and “grid-connected” applications A. López†, J. Schulze†*, D. Alba†, J. Tomassini† y S. Junco† 1 Abstract— This paper presents the development, design and construction of a 3 kVA bidirectional AC-DC electronic converter, CEP-AC-DC, which can operate as a stand-alone or grid-connected inverter. This system is part of a micro smart grid R&D program (REILAC) at the Automation and Control Systems Laboratory (LAC, Universidad Nacional de Rosario). The inverter’s main purpose is to link a 300 VDC bus installed in the LAC with the 3x380 VAC+N 50 Hz utility grid. The project includes the construction of the converter, the design of a LCL output filter, the design and construction of electronic measurement and signal conditioning boards, the development and programming of the MCU firmware for the voltage-oriented control (VOC) modulation, control loops and PLL synchronization, the definition and implementation of accurate protections and the wiring and assembly of the equipment. A description of the whole system is provided, along with details of its component subsystems and selection criteria. Some experimental results are shown illustrating the performance of the converter, the filter, and the PLL. Key words— Bidirectional converter, LCL filter, PLL, VOC control, electric micro grid. I. INTRODUCCIÓN E n el Laboratorio de Automatización y Control (LAC) de la Facultad de Ciencias Exactas Ingeniería y Agrimensura (FCEIA) se encuentra en desarrollo una microrred eléctrica inteligente (µREI), denominada REI-LAC [1], cuyo objetivo central es el estudio experimental de métodos de gestión energética y control para redes eléctricas inteligentes (smart grids). En estas redes eléctricas se utilizan diversos tipos de convertidores, que permiten modificar, convertir y distribuir la potencia eléctrica, para adaptar la energía de las distintas fuentes para su almacenamiento y consumo interno, con la posibilidad de intercambio con la red eléctrica comercial. La REI-LAC tiene un carácter híbrido en varios sentidos, ya que incluye (i) generación de energía eléctrica a partir de fuentes solar y eólica; (ii) almacenamiento de naturaleza diversa (baterías electroquímicas, volante de inercia, supercapacitores); (iii) dos subredes, una de CC y otra de CA. La hibridación CC-CA requiere la inclusión de CEP bidireccionales a los fines del intercambio controlado de energía entre las dos subredes y de la microrred con la red comercial. El desarrollo del CEP-AC-DC presentado en este trabajo cumple con un primer objetivo impuesto a esta hibridación, consistente en lograr el intercambio controlado de energía eléctrica con la red comercial que abastece al LAC, † Laboratorio de Automatización y Control (LAC), Universidad Nacional de Rosario, Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura. *Contacto: Jonathan Schulze schulzejo@hotmail.com actuando como un convertidor bidireccional programado con un firmware de control que permite proveer o recibir potencia activa y reactiva controlando la corriente intercambiada con la red. En este trabajo se exponen, en primer lugar, los conceptos básicos de funcionamiento de un convertidor bidireccional trifásico. Se hace referencia al componente principal del CEP, un dispositivo construido en torno a un módulo de potencia, compuesto por un puente trifásico de transistores IGBT, una etapa de medición de tensión y corriente y su correspondiente acondicionamiento de señal, y una etapa de control, implementado sobre un microcontrolador (MCU) de Texas Instruments. Se continúa con la explicación del diseño del filtro LCL implementado para suprimir los armónicos indeseados y lograr un balance de la potencia reactiva que “circula” por los componentes del filtro y un transformador, utilizado para elevar la tensión y lograr una aislación galvánica entre el propio convertidor y la carga y/o la red eléctrica. Continuando con el hardware del equipo, se expone el diseño de una placa de control auxiliar cuya funcionalidad es obtener un arranque suave al momento de conectar el CEP a la barra de continua de manera de limitar el pico de corriente de conexión. También se presentan las protecciones y componentes de accionamiento utilizados, con sus correspondientes criterios de seguridad y enclavamientos. Finalmente, se profundiza en el firmware del convertidor implementado en el MCU de Texas Instruments. En principio, se presentan las transformadas de Park y Clarke empleadas para vincular las corrientes de máquina con las componentes en el marco dq, ecuaciones fundamentales en los métodos de control utilizados. A continuación, se explica el funcionamiento y el propósito del Phase-Locked Loop (PLL) utilizado para lograr la sincronización de frecuencia con la red eléctrica. Por último, se detallan los tipos de control implementados tanto para alimentar una carga local como para intercambiar potencia con la red eléctrica controlando amplitud y fase. Dichos controles se basan en el método de control vectorial Voltage Oriented Control (VOC), el cual permite la implementación del lazo de control en el marco de referencia rotatorio dq, lo que ofrece la posibilidad de determinar de forma directa la potencia activa y reactiva que se desea intercambiar. II. MODOS DE FUNCIONAMIENTO Y CONTROL Dependiendo de la operación a la cual se vean afectados los convertidores CC-CA, estos se pueden clasificar en tres grupos bien definidos (Fig 1.) [2]: grid-forming, grid-feeding o grid-supporting. Fig. 1. Representación simplificada de las distintas configuraciones de CEP: (a) grid-forming, (b) grid-feeding, (c) y (d) grid-supporting. ● Grid-forming: el convertidor actúa como el principal equipo que establece la alimentación de la red. Puede ser representado como una fuente de tensión en serie con una baja impedancia de conexión. En eta configuración, el convertidor es el encargado de fijar la amplitud y la frecuencia del sistema local de tensión, siendo la referencia para el resto de los convertidores conectados a la red. ● Grid-feeding: En este tipo de operación, el convertidor está principalmente diseñado para intercambiar potencia con una red ya energizada. Puede ser representado como una fuente ideal de corriente conectada a la red en paralelo con una alta impedancia. En esta aplicación, es importante resaltar que la tensión generada debe estar perfectamente sincronizada con el sistema de tensión de la red en el punto de conexión, con lo cual este tipo de operación no permite la utilización del convertidor en modo isla o stand-alone. ● Grid-supporting: en este modo de operación, los convertidores se pueden describir de dos formas alternativas: como una fuente de voltaje con baja impedancia en serie o como una fuente de corriente con una impedancia en paralelo. Su principal objetivo es entregar valores adecuados de potencia activa y reactiva para contribuir con la regulación de frecuencia y voltaje de la red. La configuración adoptada para el funcionamiento con conexión a la red eléctrica comercial (grid-connected) es de tipo grid-feeding, ya que —dada la potencia relativamente baja que manejará el equipo— será la red la que imponga los valores de tensión y frecuencia. Este modo de funcionamiento será el principal y al cual nos referiremos en la mayor parte del artículo. Sin embargo, el convertidor posee también la capacidad de alimentar cargas aisladas (modo stand-alone), funcionando en este caso en configuración grid-forming, es decir, estableciendo tensión y frecuencia y manteniéndose aislado de la red comercial. Fig. 2. Estructura básica de un controlador grid-feeding trifásico. En la Fig. 2 se esquematiza la estructura básica de control implementada para el funcionamiento grid-connected. Se trata de un control de corriente en el marco de referencia rotante. El esquema adoptado consiste en dos lazos de control de potencia, uno para la potencia activa P y otro para la potencia reactiva Q, los cuales utilizan como realimentación las corrientes de la salida del convertidor, previamente convertidas al marco de referencia rotante dq mediante las transformaciones de Park y Clarke. Los lazos de control entregan un vector de tensión también en el marco dq, que luego son convertidas a valores en el marco trifásico abc utilizando las transformaciones inversas. Fig. 3. Estructura básica de control de un controlador grid-forming trifásico. La transformada de Clarke convierte las componentes del dominio del tiempo de un sistema de tres fases (de un marco abc) en dos componentes de un marco estacionario ortogonal (αβ). Por su parte, la transformada de Park convierte las dos componentes del marco αβ a un marco de referencia rotatorio ortogonal (dq). Estas transformaciones (que se muestran combinadas en la Fig. 3) convierten las formas de onda alternas de corriente y tensión en señales que son continuas en régimen estacionario, simplificando el control del convertidor. Para que estas transformaciones de marcos de referencia puedan ser realizadas (más precisamente la transformada de Park) se requiere conocer con exactitud el ángulo del marco de referencia, para lo cual se utiliza un PLL sincronizado con la frecuencia de la red. Existen diversos modelos y estrategias de implementación de PLL, que van creciendo en prestaciones y complejidad. De entre estas, optamos por la más comúnmente utilizada, el SRF-PLL (Synchronous Reference Frame PhaseLocked Loop). La estructura básica del SRF-PLL puede verse en la Fig. 4. Las tensiones trifásicas instantáneas son transformadas del marco abc al marco de referencia rotante dq mediante las transformaciones de Clarke y Park. Luego, la posición angular del marco de referencia se controla a través de un lazo de realimentación el cual se encarga de mantener la componente 𝑣𝑞 en cero. La frecuencia estimada de la red es 𝜔, a la cual se le suma 𝜔∗ a modo de compensación feedforward para mejorar la respuesta dinámica de la estimación del ángulo de fase θ, el cual es obtenido mediante la integración de 𝜔 y realimentado para cerrar el lazo. Fig. 5. Gabinete del convertidor de 3 kVA. Arriba, der.: convertidor con placa auxiliar lateral. Arriba, izq.: contactores de maniobra y placas de medición. Abajo: Filtro LCL con el transformador principal. III. ESTRUCTURA GENERAL DEL SISTEMA La Fig. 6 detalla el esquema general del gabinete que alberga el CEP y todas sus partes. El hardware se compone de los siguientes componentes principales, los cuales en su mayoría fueron diseñados y construidos en el LAC: Fig. 4. (a) Esquema de un SRF-PLL. (b) Esquema de un DSOGI-FLL. Este tipo de PLL presenta la ventaja de ser muy sencillo de implementar y es ampliamente utilizado, obteniendo buenas prestaciones en sistemas trifásicos balanceados. Existen otros métodos como el DSOGI-FLL que mejoran las prestaciones para condiciones de sistemas desbalanceados. • Un CEP basado en un diseño multipropósito desarrollado en el LAC [3] y levemente modificado para la aplicación en cuestión. Cuenta con un MCU de Texas Instruments TMS320F28335 que ejecuta la lógica de control y un puente trifásico de IGBT, diseñado para una potencia nominal de 3 kVA. Posee diversos circuitos de adaptación de señales analógicas para medición de variables eléctricas, así como entrada/salida digital y comunicación CAN y USB. • Una placa auxiliar diseñada para este proyecto con la finalidad de expandir la cantidad de canales analógicos disponibles, agregando tres circuitos de acondicionamiento de señal para transformadores de tensión y tres circuitos de acondicionamiento de señal para transformadores de intensidad. También cuenta con un circuito de arranque suave (soft-start) que intercala una resistencia en el bus de CC al momento de energizar el equipo para limitar la corriente de inserción (inrush), y una interfaz para el control de los dos contactores de maniobra. Fig. 6. Esquema general del CEP-AC-DC: En color verde los componentes principales (convertidor, inductancias, transformador, capacitores, placas de medición de tensión y corriente, placa auxiliar de acondicionamiento de señales y circuito de soft-start, contactores de maniobra y llaves electromagnéticas). En color azul y trazo grueso el cableado de potencia. En trazo fino el cableado de señal. • Dos placas de transformadores de tensión, que cuentan con tres transformadores 220/5 VCA en estrella. Se toman mediciones de tensión en dos puntos: la tensión de la red y la tensión en bornes de los capacitores del filtro. Estas dos mediciones son necesarias ya que se deben igualar las tensiones previo al cierre del contactor de conexión con la red y además, en modo isla, se precisa conocer la tensión de la carga, estando el contactor de línea abierto. • Dos placas de transformadores de corriente, que cuentan con tres transformadores cada una para tomar mediciones de corriente tanto de la red como de la carga de forma separada. • Un filtro LCL que incluye un transformador elevador triangulo-estrella. La relación de transformación es 3x155 VCA a 3x380 VCA. El objetivo de este filtro es atenuar las componentes de alta frecuencia que contiene la corriente del CEP debido a la conmutación de los IGBT en el proceso de modulación. Además, provee aislación galvánica con la red eléctrica (véase Diseño del filtro LCL). A nivel lógico, la programación del firmware que ejecuta el procesador digital de señales (DSP) se compone principalmente de una rutina de interrupción ejecutada a una tasa de 10 kHz. Esta toma primeramente muestras de todas las variables analógicas de proceso del sistema (tensiones y corrientes). Seguidamente, se realizan las transformaciones de Park y Clarke, se ejecutan los lazos de control y, finalmente, se actúa sobre el sistema (disparo de transistores). Fig. 7. Detalle del interior del gabinete. Se observan más claramente las placas de medición y la placa auxiliar en el lateral del disipador del convertidor. Estas operaciones se realizan en su mayoría mediante macros de librerías que Texas Instruments provee para sus procesadores. Una parte muy importante que también se realiza en el firmware es la detección de fallas e inmediata protección del convertidor ante situaciones anómalas (sobrecorrientes, sobretensiones, sobretemperatura, etc.), sea deteniendo el funcionamiento (abriendo todas las ramas del puente trifásico) o limitando el valor de la variable que se esté desviando de sus valores normales. fueron L1 = 1,68 mHy, L2 = 6,2 mHy y C = 33 µF. Asimismo, el transformador se ensayó para trabajar mediante simulaciones con un modelo de planta preciso. V. SIMULACIONES Y ENSAYOS En las distintas etapas del desarrollo del proyecto se realizaron simulaciones para corroborar resultados de diseño, prever el funcionamiento del convertidor y mejorar el desempeño de los lazos de realimentación. IV. DISEÑO DEL FILTRO LCL Debido a la presencia de componentes de alta frecuencia en las tensiones y corrientes de salida del convertidor, es necesaria la implementación de un filtro que atenúe lo máximo posible estas frecuencias dejando solo la componente de 50 Hz. Fig. 10. Modelo simplificado por fase del filtro LCL + Transformador utilizado en las simulaciones. Durante el desarrollo del filtro LCL se corroboró el diseño mediante la obtención de su respuesta en frecuencia, que se muestra en la Fig. 11. Fig. 8. Esquema simplificado del filtro LCL implementado con la utilización de un transformador de aislación. Debido a la problemática de la diferencia de tensión entre la salida del convertidor y la tensión de la red (debido a la alimentación mediante una barra de 300 VCC, se puede obtener una tensión de salida máxima de aproximadamente 3x210 VCA) y la necesidad de aislación galvánica entre la red eléctrica de distribución y el convertidor, se decide la implementación de un transformador elevador de 3x155 VCA a 3x380 VCA+N en configuración estrella-triángulo. Éste permite además la utilización de cargas aisladas monofásicas gracias a la presencia de neutro en el secundario. Fig. 9. Modelo por fase de un transformador. El cálculo de los componentes se realizó considerando diversos factores [4], [5]: el ripple máximo de corriente en el primario del transformador (principalmente para la obtención de L1); la existencia de una reactancia de magnetización considerable (LM en la Fig. 9) en el transformador, la cual se intentó compensar mediante la elección de una capacidad C adecuada, de manera de que las corrientes reactivas circulen principalmente entre los componentes del filtro; la impedancia de línea de un transformador de distribución de red promedio (aprox. 4 %), de manera de escoger L2 para “enfrentar” al mismo una impedancia similar (caída del 4 % de la tensión nominal a carga nominal). Los valores resultantes Fig. 11. Diagrama de Bode de la corriente de fase de salida vs. la tensión de entrada del filtro (azul) y de la tensión de salida vs. la tensión de entrada (rojo). Se observa que el pico de resonancia se encuentra en los 3400 Hz aproximadamente, lo cual es bastante por encima de las bajas frecuencias (fundamental, 3er armónico, 5to armónico, etc.) y también está lejos de la frecuencia de conmutación de la electrónica de potencia del convertidor con lo cual su efecto sobre el filtrado es mínimo. En las Fig. 12 y 13 se observa una simulación con un modelo conmutado de inversor trifásico ejecutando un esquema de modulación vectorial con el objetivo de evaluar las formas de onda de corriente a plena carga resistiva. Por otra parte, en las Fig. 15 a 18 se observan ensayos realizados al momento de implementar el SRF-PLL, buscando generar una tensión que siga una señal de referencia tanto en amplitud como en fase. Para esto, se utilizó como referencia de amplitud la tensión RMS medida y el ángulo de referencia para las transformadas de Park se obtuvo desde la salida del SRF-PLL. Fig. 12. Formas de onda de las corrientes a través del inductor L1 y de la carga Fig. 15. Tensión de la fase R a la salida del contactor de carga (celeste) y tensión de la fase R de la red (amarillo). Se ensayó el PLL generando una tensión trifásica tomando como consigna los valores de amplitud y fase de la red, logrando copiar la forma de onda. Los resultados son satisfactorios en las pruebas realizadas, viéndose una diferencia de fase que oscila en torno a 0º, no superando ±1º de diferencia. Fig. 13. Ampliación de la corriente por L1. Se observa el ripple, el cual es mayor cerca del cruce por cero. Se aprecia un valor de ripple máximo de aproximadamente 2,2 Ap-p, que representa un 6 % de los 18 Ap-p de la corriente por L1. La corriente de salida se observa totalmente filtrada y con muy poco contenido armónico y distorsión, como se puede ver en la Fig. 14. Fig. 14. Contenido armónico de la corriente de salida. Fig. 16. Ampliación de la tensión de la fase R a la salida del contactor de carga (celeste) y tensión de la fase R de la red (amarillo) en el punto de cruce por cero. Para conocer en más detalle el contenido frecuencial de la tensión generada por el CEP, se realiza una FFT, que se puede ver en las Fig. 17 y 18. Fig. 17. Transformada de Fourier aplicada a la tensión de salida del CEP. Se observa la fundamental de 50 Hz y el armónico más significativo (3.°) con una diferencia de 31 dB. [3] Amoedo P.; Schmittendorf E.; Alba D.; Vazquez A. “Convertidor multipropósito con aplicación en redes híbridas inteligentes de generación eléctrica a partir de fuentes renovables”, en Orellano, E. (Ed.), Ciencia y Tecnología 2016 en la UNR. 2016. [4] Texas Instruments. “Voltage Source Inverter Design Guide” TIDUAY6A – Noviembre 2015 [5] Ahmed K.; Finney S.; Williams B.; “Passive Filter Design for Three-Phase Inverter Interfacing in Distributed Generation” – Electrical Power Quality and Utilisation, Journal Vol. XIII, No 2, 2007 Fig. 18. Transformada de Fourier aplicada a la tensión de salida del CEP en vacío. Se observa el pico de amplitud en la frecuencia de conmutación (10 kHz) con aproximadamente 46 dB de diferencia con la fundamental. Hasta este punto, los ensayos fueron realizados en vacío (el filtro funciona como una carga para el convertidor debido a las corrientes de magnetización del transformador, pero no hay carga eléctrica externa) debido a que el proyecto está aún en progreso, restando la programación de protecciones robustas contra sobrecarga para proseguir con los ensayos. VI. CONCLUSIONES Del trabajo realizado se extraen las siguientes conclusiones: - La importancia del análisis previo de las diferentes opciones y caminos a seguir previo al diseño y/o implementación de las distintas etapas. - El filtro LCL implementado realiza una tarea correcta en los ensayos realizados entregando tensiones con bajo contenido armónico. - El PLL implementado responde de forma satisfactoria ante el escenario de seguir la referencia de la tensión de la red, logrando una buena sincronización que permitirá la interconexión en paralelo y posterior intercambio de potencia. - El convertidor configurado como inversor trifásico logra implementar el esquema de modulación vectorial pretendido, logrando tensiones y corrientes senoidales en la carga. Finalmente, se destaca la metodología de trabajo llevada a cabo, que consiste en utilizar de forma permanente el modelado matemático y la simulación digital del sistema global y de sus partes constitutivas, previo al paso a la implementación práctica de manera tal de prevenir accidentes y tener una base sólida con la cual realizar ensayos en el equipo. En conjunto con la definición de objetivos claros para cada una de las etapas, el tener en claro los riesgos de operación al tratarse de un equipo que estará conectado a la red eléctrica es crucial para lograr los resultados deseados. REFERENCIAS [1] Junco, S., Alba, D., Ezpeleta, J., Cabello, J., An experimental hybrid micro smart grid with renewable energy sources and storage devices, SiMMIER 2018. [2] Rocabert J.; Luna A.; Blaabjerg F.; Rodriguez P.; “Control of Power Converters in AC Microgrids”, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS. VOL.27. NO. 11, NOVEMBER 2012. Augusto López is an advanced Electronics Engineering student at Universidad Nacional de Rosario (UNR). Since 2017 he is working as a programmer and system integrator at an automation engineering and system integration company, where he is participating in project implementations in vegetable oil plants, automotive plants, food industry, etc.; developing process control and automation programming, as well as SCADA and HMI applications. Currently, he is completing his Final Engineering Project along his project partner Jonathan Schulze at the Automation and Control System Laboratory, LAC-UNR. Jonathan Schulze is an advanced Electronics Engineering student at Universidad Nacional de Rosario (UNR). During 2017 he worked as a production chief in an electronic equipment development and production company. Since 2018 he is working in a vegetable oil extraction plant as an electrical supervisor where CCM boards, supervision of electric equipment, installations and safety devices are involved. In addition, he is currently completing his final engineering project along his project partner, Augusto López, at the Automation and Control System Laboratory, LAC-UNR Daniel Alba received the Electrical Engineer degree from Universidad Nacional de Rosario in 1979. Worked at the Universidad Nacional del Litoral in projects related to Automation and Motor Drives until 1982. Received two Scholarships from CONICET working on Signal Analysis and Control areas until 1987. Became Manager at JCB Electrónica Industrial later renamed as Solidstate Controls Argentina, producing Power Electronics equipment. In 2007 he joined the academic staff of UNR where he currently works at the Automation and Control Systems Laboratory as Graduate Teaching Assistant (JTP) for System Dynamics and Control. His current research interests are Electronic Power Conversion, Electrical Drives, Motion Control Systems and Smart Grids. Sergio Junco received the Electrical Engineer degree from the Universidad Nacional de Rosario in 1976. In 1982, after 3 years at the steel industry and a 2-year academic stage at the University of Hannover, Germany, he joined the academic staff of UNR, where he currently is a Full-time Professor of System Dynamics and Control and Head of LAC, the Automation and Control Systems Laboratory. His current research interests are in modeling, simulation, control and diagnosis of dynamic systems, with applications in the fields of motion control systems with electrical drives, power electronics, mechatronics, vehicle dynamics and smart grids. He has developed, and currently teaches, several courses at both undergraduate and graduate level on System Dynamics, Bond Graph Modeling and Simulation, Advanced Nonlinear Dynamics and Control of Electrical Drives, Mechatronics, as well as Linear and Nonlinear Control with Geometric Tools. Juan Tomassini was born in Rosario, Argentina. He received his degree in Electrical Engineering from the Universidad Nacional de Rosario (UNR), Argentina, in 2013. He worked as an electrical generation programmer in the administrator company of the wholesale electricity market (CAMMESA). Since September 2014 he has been a PhD student in Electrical Engineering and Control at the Faculty of Engineering (FCEIA) of UNR. His work is supported by the Argentine National Council of Scientific and Technical Research, CONICET. His main research interests are on IDA-PBC control, renewable energy and smart grid