Advanced control techniques applied to power converters

(English) This doctoral thesis focuses on the control of two-level three-phase power converters and is structured around two main lines of research, with a third currently under development. First, a novel control technique is proposed, based on a nonlinear transformation combined with first-order sliding mode control. This transformation enables exact decoupling between control loops and extends the converter’s control range, improving dynamic performance and robustness against disturbances when compared to existing sliding mode control techniques implemented in the abc reference frame. The proposed strategy has been successfully applied to three representative two-level three-phase converters: a unity power factor rectifier, an active power filter, and an inverter. Second, a continuous model predictive control approach is developed for a three-phase inverter with an LCL output filter. In this case, constraints are introduced directly into the cost function to limit the injected current, thus ensuring compliance with the physical limitations of the system while maintaining dynamic behavior in accordance with the design specifications. Finally, a third line of research focuses on the design of a controller for a unity power factor rectifier using a single-loop control structure that avoids the conventional hierarchical approach. This proposal employs a linearized model and capacitor current feedback from the output filter to improve control performance. This allows for a simpler implementation without compromising system stability or accuracy. The control strategies presented in this thesis have been validated through simulation, and some have also been experimentally tested, demonstrating their applicability in real-world scenarios. (Català) Aquesta tesi doctoral se centra en el control de convertidors trifàsics de dos nivells, i s’estructura al voltant de dues línies principals de recerca i una tercera en desenvolupament. En primer lloc, es proposa una nova tècnica de control basada en una transformació no lineal combinada amb control en mode lliscant de primer ordre. Aquesta transformació permet assolir un desacoblament perfecte entre els llaços de control i ampliar el rang de control del convertidor, millorant així les propietats dinàmiques i la robustesa davant pertorbacions, en comparació amb les tècniques existents de control en mode lliscant aplicades en el marc abc. L’estratègia proposada s’ha aplicat amb èxit a tres convertidors trifàsics de dos nivells: un rectificador amb factor de potència unitari, un filtre actiu i un inversor. En segon lloc, s’ha desenvolupat un control predictiu continu basat en model per a un inversor trifàsic amb filtre LCL, en el qual s’introdueixen restriccions en la funció de cost per limitar el corrent injectat, respectant així les limitacions físiques del sistema i garantint un comportament dinàmic d’acord amb les especificacions. Finalment, s’està treballant en una tercera línia centrada en el disseny d’un controlador per a un rectificador trifàsic amb un únic llaç de control, que elimina l’estructura jeràrquica tradicional. Aquesta proposta utilitza un model linealitzat i la retroalimentació del corrent del condensador del filtre de sortida, fet que permet simplificar la implementació sense comprometre l’estabilitat ni la precisió del sistema. Les estratègies presentades en aquesta tesi doctoral s’han validat mitjançant simulació, i algunes també de manera experimental, demostrant-ne l’aplicabilitat en escenaris reals. (Español) Esta tesis doctoral se centra en el control de convertidores trifásicos de dos niveles, estructurándose en torno a dos líneas principales de investigación y una tercera en desarrollo. En primer lugar, se propone una nueva técnica de control basada en una transformación no lineal junto con control en modo deslizante de primer orden. Esta transformación permite lograr un perfecto desacoplo entre los lazos de control y extender el rango de control del convertidor, mejorando así las propiedades dinámicas y la robustez frente a perturbaciones, en comparación con las técnicas existentes de control por modo deslizante en el marco abc. La estrategia propuesta se ha aplicado con éxito a tres convertidores trifásicos de dos niveles: un rectificador con factor de potencia unitario, un filtro activo y un inversor. En segundo lugar, se ha desarrollado un control predictivo continuo basado en modelo para un inversor trifásico con filtro LCL, en el que se introducen restricciones en la función de coste para limitar la corriente inyectada, respetando así las limitaciones físicas del sistema y garantizando un comportamiento dinámico acorde a las especificaciones. Finalmente, se está trabajando en una tercera línea centrada en el diseño de un controlador para un rectificador trifásico con un único lazo de control, que elimina la estructura jerárquica tradicional. Esta propuesta utiliza un modelo linealizado y la realimentación de la corriente del condensador del filtro de salida, lo que permite simplificar la implementación sin comprometer la estabilidad ni la precisión del sistema. Las estrategias presentadas en esta tesis doctoral se han validado mediante simulación, y algunas también de manera experimental, demostrando su aplicabilidad en escenarios reales.