Power control and voltage quality enhancement on inverter-based AC microgrids

Abstract

(English) Nowadays, the environmental concerns for conventional fossil fuel-based power generation are transforming the energy landscape into a more sustainable system. To this end, distributed generation (DG) units have gradually become more important in modern energy systems with an increasing integration of renewable energy resources (RES). However, this transformation also implies new challenges for operating and controlling the network safely and efficiently, given the variability and intermittency inherent to these resources.

Microgrids (MGs) are small-scale power systems that have emerged as promising solutions for integrating RES such as photovoltaic, wind turbines, fuel cells, biogas digestors, etc. However, given the heterogeneous nature of RES, power electronic devices are required to enable their integration into the AC systems. The incorporation of power converters increases the controllability of these resources but also brings new challenges regarding control and protection. In inverter-based AC MGs, the scope of this thesis, the DG units are interfaced with the MG by inverters, which require to be controlled to ensure the correct operation, stability, and voltage quality of the AC system.

To solve these challenges, several inverter control approaches have been proposed in the state-of-the-art. Nevertheless, there remain significant challenges, limitations, and research gaps. In particular, the main shortcomings found in the state-of-the-art can be gathered into two main control areas: a) Power sharing and voltage regulation (Power management), and b) voltage unbalance compensation (Voltage quality).

On one hand, power sharing and voltage regulation control approaches aim to ensure the voltage amplitude and frequency stability and its regulation within desired limits in islanded AC MGs. However, existing literature exhibits the following shortcomings: line impedance performance dependency, scalability issues, and control loop coupling. On the other hand, voltage unbalance compensation control approaches aim to increase the voltage quality of the MG. However, a lack of robustness and limitations on the place of compensation were found in the state-of-the-art strategies.

This thesis aims to investigate novel control strategies to improve the power control performance and increase the voltage quality on inverter-based AC MGs, focusing on addressing the research gaps in the existing literature. The thesis is presented as a compendium of three peer-reviewed papers that collect the main contributions and results of the thesis. These papers propose three novel control approaches that outperform and overcome most of the identified state-of-the-art shortcomings and limitations. The main contributions of the thesis can be summarized as follows:

On one hand, regarding power sharing and voltage regulation, the proposed approach exhibits the following key properties, a) the control performance is independent of the line impedance nature, b) scalability with respect to the number of inverters within the MG, and c) decoupling between the voltage regulation control loop and the power sharing control loop.

On the other hand, regarding voltage unbalance compensation, the two proposed approaches exhibit the following outstanding properties, a) fair control effort distribution without control data exchange between inverters, b) robustness to connection and disconnection of inverters and loads, c) reduction of communication burden, and d) flexibility to compensate for multiple local/remote nodes.

(Català) Avui en dia, les preocupacions mediambientals associades a la generació d'energia basada en combustibles fòssils convencionals estan transformant el panorama energètic cap a un sistema més sostenible. En aquest sentit, les unitats de generació distribuïda (GD) han esdevingut més importants en els sistemes energètics moderns amb una integració creixent de recursos d'energia renovable (RES). No obstant això, aquesta transformació també implica nous reptes per operar i controlar la xarxa de manera segura i eficient, donada la variabilitat i la intermitència inherents a aquests recursos.

Les microxarxes (MGs) són sistemes elèctrics a petita escala que han emergit com a solucions prometedores per integrar RES com ara fotovoltaica, aerogeneradors, piles de combustible, digestors de biogàs, etc. No obstant això, atesa la natura heterogènia dels RES, es requereixen dispositius electrònics de potència per permetre la seva integració en els sistemes de corrent altern (CA). La incorporació de convertidors de potència augmenta la capacitat de control d'aquests recursos però també comporta nous reptes pel que fa al control i la protecció. En les MGs basades en inversors de CA, l'abast d'aquesta tesi, les unitats de GD s'interfereixen amb la MG mitjançant inversors, que requereixen ser controlats per assegurar el correcte funcionament, estabilitat i qualitat de la tensió del sistema de CA.

Per resoldre aquests reptes, s'han proposat diversos enfocaments de control d'inversors en l'estat de l'art. No obstant això, encara persisteixen reptes significatius, limitacions i llacunes de recerca. En particular, les principals mancances trobades en l'estat de l'art es poden agrupar en dues àrees principals de control: a) Compartició de potència i regulació de la tensió , i b) Compensació del desequilibri de la tensió.

D'una banda, els enfocaments de control de compartició de potència i regulació de la tensió tenen com a objectiu assegurar l'estabilitat de l'amplitud i la freqüència de la tensió i la seva regulació dins dels límits desitjats en les MGs de CA aïllades. No obstant això, la literatura existent presenta les següents mancances: dependència del rendiment de la impedància de la línia, problemes d'escalabilitat i acoblament del bucle de control. D'altra banda, els enfocaments de control de compensació del desequilibri de la tensió tenen com a objectiu augmentar la qualitat de la tensió de la MG. No obstant això, es van trobar una manca de robustesa i limitacions en el lloc de compensació en les estratègies de l'estat de l'art.

Aquesta tesi té com a objectiu investigar noves estratègies de control per millorar el rendiment del control de potència i augmentar la qualitat de la tensió en les MGs basades en inversors de CA, centrant-se en abordar les llacunes de recerca en la literatura existent. La tesi es presenta com un compendi de tres articles revisats per parells que recullen les principals contribucions i resultats de la tesi. Aquests articles proposen tres nous enfocaments de control que superen la majoria de les mancances i limitacions identificades en l'estat de l'art. D'una banda, pel que fa a la compartició de potència i la regulació de la tensió, l'enfocament proposat presenta les següents propietats clau: a) el rendiment del control és independent de la naturalesa de la impedància de la línia, b) escalabilitat pel que fa al nombre d'inversors dins de la MG, i c) desacoblament entre el bucle de control de regulació de la tensió i el bucle de control de compartició de potència.

D'altra banda, pel que fa a la compensació del desequilibri de la tensió, els dos enfocaments proposats presenten les següents propietats destacades: a) distribució equitativa de l'esforç de control sense intercanvi de dades de control entre inversors, b) robustesa davant la connexió i desconnexió d'inversors i càrregues, c) reducció de la càrrega de comunicació, i d) flexibilitat per compensar múltiples nodes locals/remots.

(Español) Hoy en día, las preocupaciones ambientales por la generación de energía convencional basada en combustibles fósiles están transformando el panorama energético hacia un sistema más sostenible. Con este fin, las unidades de generación distribuida (GD) han ido cobrando mayor importancia en los sistemas energéticos modernos con una creciente integración de recursos de energía renovable (RER). Sin embargo, esta transformación también implica nuevos desafíos para operar y controlar la red de manera segura y eficiente.

Las microrredes (MR) son sistemas de energía a pequeña escala que han surgido como soluciones prometedoras para la integración de RER como la fotovoltaica, aerogeneradores, celdas de combustible, etc. No obstante, dada la naturaleza heterogénea de los RER, se requieren convertidores electrónicos de potencia para permitir su integración en los sistemas de corriente alterna (CA). La incorporación de estos convertidores de potencia aumenta la controlabilidad de estos recursos, pero también trae nuevos desafíos de control. En las MR de CA basadas en inversores, el ámbito de esta tesis, las unidades de GD se interconectan con la MR mediante inversores, los cuales deben ser controlados para asegurar la correcta operación, estabilidad y calidad de voltaje del sistema de CA.

Para resolver estos desafíos, se han propuesto varios enfoques de control de inversores en el estado del arte. No obstante, aún existen desafíos significativos, limitaciones y oportunidades de investigación. En particular, las principales deficiencias encontradas en el estado del arte se pueden agrupar en dos áreas principales de control: a) Compartición de potencia y regulación de voltaje, y b) Compensación de desequilibrios de voltaje.

Por un lado, los enfoques de control de compartición de potencia y regulación de voltaje tienen como objetivo asegurar la estabilidad de la amplitud del voltaje y la frecuencia, así como su regulación dentro de los límites deseados en microrredes de CA en modo isla. Sin embargo, la literatura existente muestra las siguientes deficiencias: el rendimiento depende de la impedancia de la línea, problemas de escalabilidad y acoplamiento de los lazos de control. Por otro lado, los enfoques de control de compensación de desequilibrios de voltaje tienen como objetivo aumentar la calidad del voltaje de la MR. Sin embargo, se encontraron falta de robustez y limitaciones en el lugar de la compensación en las estrategias del estado del arte.

Esta tesis tiene como objetivo investigar nuevas estrategias de control para mejorar el rendimiento del control de potencia y aumentar la calidad del voltaje en microrredes de CA, centrándose en abordar las oportunidades de investigación encontradas en la literatura existente. La tesis se presenta como un compendio de tres artículos revisados por pares que recogen las principales contribuciones y resultados de la tesis. Estos artículos proponen tres nuevos enfoques de control que superan y eliminan la mayoría de las deficiencias y limitaciones identificadas en el estado del arte. Las principales contribuciones de la tesis se pueden resumir de la siguiente manera:

Con respecto a la compartición de potencia y la regulación de voltaje, el enfoque propuesto presenta las siguientes propiedades clave: a) el rendimiento del control es independiente de la naturaleza de la impedancia de la línea, b) escalabilidad con respecto al número de inversores dentro de la MR, y c) desacoplamiento entre el lazo de control de regulación de voltaje y el lazo de control de compartición de potencia.

Con respecto a la compensación de desequilibrios de voltaje, los dos enfoques propuestos presentan las siguientes propiedades destacadas: a) distribución del esfuerzo de control sin intercambio de datos de control entre inversores, b) robustez ante la conexión y desconexión de inversores y cargas, c) reducción de la carga de comunicación, y d) flexibilidad para compensar múltiples nodos locales/remotos.