Controle preditivo aplicado a inversores monofásicos conectados à Rede

Abstract

Este trabalho apresenta um estudo aprofundado sobre a aplicação do Controle Preditivo Baseado em Modelo (Model Predictive Control – MPC) em inversores monofásicos conectados à rede elétrica. Inicialmente, discute-se a fundamentação teórica do MPC, com ênfase nas vantagens de sua abordagem multivariável e na possibilidade de incluir diferentes restrições e objetivos em uma única função de custo. Em seguida, a modelagem matemática do inversor monofásico é descrita, considerando a contabilização tanto das dinâmicas do filtro indutivo quanto das características da rede elétrica. A partir dessa modelagem, propõe-se uma metodologia de discretização baseada no método de Euler, visando a futura implementação do algoritmo preditivo em plataformas de processamento digitais, como DSPs ou FPGAs. Além disso, explora-se o impacto da inclusão de termos de penalização de chaveamento na função de custo, evidenciando o compromisso entre a redução da frequência de comutação e a precisão no rastreamento da corrente de referência. Simulações são realizadas para diversos cenários de operação, avaliando-se parâmetros como a distorção harmônica total (THD), a frequência de chaveamento efetiva e o respectivo erro de rastreamento em relação à referência. Por fim, o trabalho demonstra que, embora o ajuste dos fatores de ponderação ainda seja majoritariamente empírico, a aplicação do MPC em inversores monofásicos traz benefícios significativos em termos de qualidade de energia e confiabilidade do sistema.

This work presents an in-depth study on the application of Model Predictive Control (MPC) in single-phase inverters connected to the electrical grid. Initially, the theoretical fundamentals of MPC are discussed, highlighting the advantages of its multivariable approach and the possibility of including various constraints and objectives within a single cost function. Subsequently, the detailed mathematical modeling of the single-phase inverter is described, considering both the dynamics of the inductive filter and the characteristics of the electrical grid. Based on this modeling, a discretization methodology using Euler’s method is proposed, aiming at the future implementation of the predictive algorithm on digital processing platforms such as DSPs or FPGAs. Additionally, the impact of including switching penalty terms in the cost function is explored, illustrating the trade-off between the reduction of switching frequency and the accuracy of reference current tracking. Simulations are performed across various operational scenarios, evaluating parameters such as Total Harmonic Distortion (THD), effective switching frequency, and the corresponding tracking error relative to the reference. Finally, the study demonstrates that although the tuning of weighting factors remains mostly empirical, the application of MPC in single-phase inverters yields significant improvements in terms of power quality and system reliability.