Model Predictive Control of Parallel-Connected Uninterruptible Power Supplies

Abstract

Atualmente, as fontes de tensão ininterruptas (UPS) desempenham um papel fundamental na alimentação de diversas cargas críticas existentes nos sistemas de energia elétrica. Face ao continuo aumento destas cargas bem como da sua sensibilidade perante fenómenos indesejados que inevitavelmente ocorrem nos pontos de entrega da rede elétrica, os sistemas UPS são recorrentemente ligados em paralelo. Desta forma, cargas de maior potência podem ser alimentadas com superior grau de fiabilidade e eficiência. O principal objetivo de um sistema UPS é garantir, permanentemente, uma forma de onda de tensão de elevada qualidade na carga. O mesmo se verifica quando estes sistemas são ligados em paralelo. No entanto, quando duas UPS são ligadas em paralelo, existem dois requisitos fundamentais para o correto funcionamento do sistema, nomeadamente a eliminação de potenciais correntes circulantes e uma distribuição controlada da potência absorvida pela carga pelas duas UPS de acordo com a sua disponibilidade. Esta dissertação tem como principal objetivo o desenvolvimento de um algoritmo para controlar duas fontes de tensão ininterruptas (UPS) de dupla conversão, ligadas em paralelo. Ambas as UPS apresentam topologia multinível, sendo constituídas por dois conversores NPC de 3 níveis (3LNPC). Face às suas vantagens, para controlar todos os conversores dos sistemas UPS foi utilizado controlo preditivo baseado em modelos de estados finitos (FCS-MPC). A estratégia de controlo desenvolvida foi testada em ambiente de simulação e experimental. Os resultados de simulação bem como os resultados experimentais comprovam a eficácia do método proposto. Cada sistema UPS pode fornecer uma percentagem da potência total à carga, eliminando simultaneamente a corrente de circulação entre os dois sistemas e assegurando ainda uma forma de onda de tensão na carga de elevada qualidade, quer para cargas lineares como para cargas não lineares. Para as condições testadas, as UPS apresentam funcionamento estável e rápida resposta dinâmica a variações na distribuição da potência absorvida pela carga.

Nowadays, uninterruptible power supplies (UPS) play a key role in feeding the critical loads of electric power systems. Due to the continuous proliferation of such loads and higher sensitivity regarding undesired grid phenomena at the grid delivery point, UPS systems are frequently connected in parallel. Thus, high-power loads can be supplied with higher efficiency and reliability. The main objective of a UPS is to permanently provide a high-quality voltage waveform to the load. This is also true when these systems are connected in parallel. However, when UPS systems are parallel-connected, two fundamental requirements must be verified to ensure a correct system operation: potential circulating currents must be eliminated, and the load power distributed between the two systems accordingly to their availability. This dissertation has as main objective the development of an algorithm to control two double conversion UPSs, connected in parallel. Both UPS systems present multilevel topology, with two 3-level Neutral Point Clamped converters (3LNPC). Given its advantages, to control all the power converters, Finite Control Set Model Predictive Control (FCS-MPC) was selected. The developed control strategy was tested in simulation and experimental environment. The obtained simulation and experimental results demonstrated the effectiveness of the proposed method. Each UPS system can provide a different percentage of the load power, eliminating the circulating current between the two paralleled systems and ensuring a high-quality load voltage waveform for linear and non-linear loads. For all the tested conditions, both UPSs show stable operation and fast dynamic response to variations regarding the load power distribution.