Aplicação de controle preditivo baseado em modelo com restrição de função custo em conversores chaveados

Abstract

Com a crescente necessidade de um uso mais consciente dos recursos energéticos do planeta, a adoção de fontes renováveis de energia tem se expandido continuamente, com o objetivo de reduzir os impactos ambientais. Nesse contexto, a conversão eficiente de energia torna-se fundamental. Os conversores chaveados desempenham um papel essencial na integração dessas fontes à rede elétrica, exigindo estratégias de controle que lidem com a intermitência das fontes renováveis. Quando aplicados a sinais de corrente contínua (CC), esses conversores são frequentemente controlados por malhas baseadas em ações proporcional-integral-derivativas (PID) ou em estruturas de avanço e atraso de fase. Este trabalho investiga o uso do Controle Preditivo Baseado em Modelo (MPC) com restrições na função custo como alternativa ao MPC convencional para o controle de conversores chaveados, propondo cinco funções custo diferentes. A pesquisa é realizada por meio de simulação computacional no ambiente MATLAB/Simulink. O conversor chaveado utilizado para aplicar o MPC aprimorado é o conversor buck. A partir da análise do funcionamento do conversor, são extraídos modelos matemáticos que representam sua dinâmica, essenciais para a operação do MPC. Devido à natureza discreta do conversor, utilizou-se a variação FCS-MPC, que emprega um conjunto de controle finito. Cinco variações de restrições de função custo foram propostas, com o objetivo de mitigar o sobressinal na resposta dinâmica, baseando-se em uma segunda previsão do comportamento do conversor em termos de tensão e corrente. As figuras de mérito utilizadas para garantir uma operação ótima do MPC foram: a Integral do Erro Absoluto (IAE), a Integral do Erro Quadrático (ISE), a Integral do Tempo multiplicado pelo Erro Absoluto (ITAE) e a Integral do Tempo multiplicado pelo Erro Quadrático (ITSE). Os resultados obtidos demonstraram que os cinco algoritmos FCS-MPC propostos apresentam respostas mais rápidas e melhores desempenhos dinâmicos do que o FCS-MPC convencional, além das estruturas de controle clássicas em malha simples e malha dupla. A aplicação do controle ótimo mostrou-se sensível a variações paramétricas, mas eficaz na rejeição de perturbações nas variáveis medidas do conversor.