Control strategies formenhanced dynamic response in hybrid ac/dc microgids considering enery storage integration
- Autores: Ángel Navarro Rodríguez
- Directores de la Tesis: Pablo García Fernández (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Oviedo ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Pedro Rodriguez Cortes (presid.), Juan Manuel Guerrero Muñoz (secret.), Mark Sumner (voc.), Xiongfei Wang (voc.), José Manuel Cano Rodríguez (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Energía y Control de Procesos por la Universidad de Oviedo
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: RUO
- Resumen
- español
Esta tesis se centra en el control dinámico de microrredes híbridas AC/DC mediante el diseño de nuevas estrategias para una mejor respuesta dinámica. Las propuestas de este trabajo incluyen soluciones para el control de convertidores conectados a la red, el control primario de microrredes híbridas AC/DC con alta penetración de convertidores electrónicos de potencia y cargas de potencia constantes, la compensación de la falta de inercia que caracteriza a este tipo de redes, y el desarrollo de herramientas para abordar el retardo y la latencia en la estimación de la frecuencia y fase de red, así como la estimación de la impedancia de línea.
La presente investigación incluye varias contribuciones y propuestas en los campos de control de convertidores conectados a red y microrredes híbridas AC/DC: 1) Un esquema de control de corriente basado en observador para convertidores trifásicos conectados a la red mediante un filtro LCL, diseñado para evitar el uso de sensores de corriente en el lado de red. 2) Un método online de estimación de la impedancia de red utilizando inyección de pulsos, con una carga computacional moderada y una distorsión armónica total reducida en comparación con otras alternativas, siendo válido para diferentes aplicaciones en el campo de las microrredes (detección de modo isla, localización de fallas, control adaptativo...) 3) Análisis del control dinámico de tensión de convertidores AC y DC bajo una alta presencia de cargas de potencia constante. Se analizan los efectos adversos causados por dichas cargas en los controles de tensión convencionales que utilizan reguladores proporcionales-integrales, lo que pone de manifiesto los beneficios de una nueva alternativa de control de tensión basado en control cuadrático, no utilizada antes en aplicaciones AC. 4) Un compensador de potencia activo para microrredes trifásicas AC, basado en un sistema de almacenamiento de energía, adecuado para mejorar la respuesta transitoria de la frecuencia y magnitud de la tensión de red, proporcionando una inercia virtual o una capacitancia virtual respectivamente. Se ha diseñado un compensador de transitorios de frecuencia utilizando un observador de Luenberger, capaz de funcionar sólo durante los transitorios y superar el problema del retraso en la estimación de la frecuencia. La solución permite reducir el retardo de fase del compensador, mejorando la compensación de transitorios en comparación con los métodos existentes. 5) Un método predictivo de estimación y aislamiento de la secuencia principal y armónicos de red basado en la transformada de Goertzel, que mejora la dinámica de la estimación de magnitud y fase en redes distorsionadas. El estimador puede ser empleado para diferentes aplicaciones de AC (sincronización, control fundamental, compensación armónica...) El método propuesto es capaz de estimar la fase, las secuencias positiva y negativa y las componentes armónicas con una respuesta dinámica mejorada en comparación con otras alternativas. 6) Un esquema de control descentralizado para la regulación de redes de corriente continua utilizando generadores virtuales DC combinados con un control droop P/V. El método propuesto permite ajustar la contribución de cada unidad a la inercia global y al reparto de potencia en estado estacionario, extendiendo el concepto de generador síncrono virtual a redes DC. 7) Definición de dos estrategias de control primario diferentes para una microrred híbrida AC/DC con sistemas de almacenamiento de energía integrados, compuesta por un bus DC y varias subredes AC trifásicas. La primera alternativa se basa en el uso de una topología de control maestro-esclavo tanto en el lado de DC como en las subredes AC. La segunda, está basada en el uso de generadores virtuales DC y generadores virtuales sincrónicos. 8) Dos alternativas de control dinámico mejorado para microrredes híbridas de AC/DC, que exploran el reparto de potencia activa de forma cooperativa entre las subredes DC y AC. El primero se basa en un algoritmo de distribución de potencia adaptable y el segundo en un novedoso esquema de generador virtual híbrido AC/DC. Ambas soluciones tienen como objetivo reducir la dependencia de la red eléctrica principal y mejorar la respuesta en bus DC en condiciones de baja inercia.
Las estrategias de control propuestas han sido verificadas mediante simulaciones y pruebas experimentales. La validación práctica del trabajo realizado se ha llevado a cabo en una microrred híbrida AC/DC de laboratorio desarrollada en las instalaciones del grupo LEMUR en la Universidad de Oviedo, España, y en la microrred de laboratorio del grupo PEMC en la Universidad de Nottingham, Reino Unido.
- English
Abstract The goal of minimizing the fossil fuels dependency in the electrical sector, has triggered the search for alternatives to conventional generation systems based on renewable distributed generation. Those necessities have led to the definition of the microgrid concept, that has been presented in three main topologies during the last years: AC, DC and hybrid AC/DC microgrids. However, the penetration of power electronic converters, renewable energies, reduced size generators, and tightly regulated loads, involve new challenges in this kind of grids, that can compromise their reliability and robustness.
This thesis is focused on the dynamic control of hybrid AC/DC microgrids by promoting new strategies for an improved dynamic response. The proposals in this work includes solutions for the control of grid-tied converters, the primary control of hybrid AC/DC microgrids with high penetration of power electronic converters and constant power loads, paying special attention to the role of interlinking converters, the compensation for the lack of inertia that characterize this kind of grids, and provide tools to address the delay and latency in frequency/phase estimation and the estimation of grid impedance, useful for its application in the converter/primary control, active power compensation, protections or power quality.
The research includes several contributions and proposals in the fields of grid-tied converter control and hybrid AC/DC microgrids: 1) An observer-based current control for LCL in grid-tied 3-phase converters is designed for avoiding the grid-side current sensors. 2) An online grid impedance estimation method is developed based on pulsed signal injection. The method presents a reduced computational burden and total harmonic distortion when compared to other alternatives, being valid for different applications in the field of microgrids (islanding detection, fault location, adaptive control...) 3) The dynamic voltage control of 3-phase AC and DC converters is extensively analyzed under a high penetration of constant power loads. Their adverse effects in conventional feedback voltage control based on proportional-integral regulators is analyzed, evincing the benefits of a novel alternative quadratic-based voltage control, not used before in AC applications. 4) An active power compensator in 3-phase AC microgrids based on an energy storage system, suitable for improving the transient response for the frequency and voltage magnitude by providing virtual inertia or virtual capacitance respectively. An enhanced Luenberger observer-based frequency drift compensator is devised, able to operate continuously or only during transients and overcome the issue of frequency estimation delay. The solution allows a reduction of the compensator phase lag, improving the initial transient compensation when compared with previous proposed methods. 5) A predictive sequence estimation method based on the sliding Goertzel transformation, that improves the dynamics of frequency and phase estimation under highly distorted grid conditions. The estimator can be employed for different AC applications (synchronization, fundamental control, harmonic compensation...) The proposed method can estimate the grid phase, the positive and negative sequences and the harmonics components with an improved dynamic response when compared to state-of-the-art alternatives. 6) A decentralized control scheme is presented for the regulation of DC grids based on DC virtual generators combined with DC P/V droop control. The proposed method allows to adjust the contribution of each unit to the overall inertia and to the steady state power sharing, extending the virtual synchronous generator concept to DC applications. 7) Two different primary control strategies are defined for a hybrid AC/DC microgrid with integrated energy storage systems, composed by a DC bus and several 3-phase AC subgrids, one based on voltage-controlled grid-forming master-slave in both DC and AC sides, and the other based on DC virtual generators and virtual synchronous generators. 8) Two enhanced dynamic control alternatives for hybrid AC/DC microgrids, exploring the cooperative active power sharing between the DC and the AC subgrids. The first one is based on an adaptive power sharing algorithm and the second on a novel hybrid AC/DC virtual generator scheme. Both solutions aim for a reduction in the dependence from the utility grid and improve the response in the DC subgrid under low inertia conditions.
The proposed control strategies have been verified both by simulation and by experimental tests. Practical validation of the conducted work has been carried out in a hybrid AC/DC lab microgrid developed in the facilities of the LEMUR group in the University of Oviedo, Spain, and in the facilities belonging to the PEMC group in The University of Nottingham, UK.
El creciente interés por minimizar la dependencia de combustibles fósiles en el sector eléctrico ha desencadenado la búsqueda de alternativas de generación basadas en energías renovables. Este objetivo ha llevado a la definición del concepto de microrred, que se ha presentado principalmente en tres topologías durante los últimos años: microrredes AC, DC e híbridas AC/DC. Sin embargo, la alta penetración de convertidores electrónicos de potencia, generación renovable, y cargas electrónicas, implican nuevos retos en este tipo de redes, que pueden comprometer su fiabilidad y robustez.
- español
