Grid-forming control for high-power inverters

• Autores: Ioseba Erdocia Zabala
• Directores de la Tesis: Andoni Urtasun Erburu (dir. tes.), Luis Marroyo Palomo (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Pública de Navarra ( España ) en 2022
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 208
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Academica-e
• Resumen
  • español

    La crisis medioambiental actual está potenciando el aumento de la demanda de fuentes renovables y sistemas de almacenamiento. La conexión de estas unidades de generación, que se realiza a través de inversores de alta potencia para minimizar costes, está causando el reemplazo completo de los generadores síncronos, dando lugar a que aparezcan más frecuentemente microrredes basadas en inversores de alta potencia que pueden operar conectadas a red, aisladas o en ambos modos. En este escenario, los inversores electrónicos ya no pueden ser controlados en modo grid-following, ya que su funcionamiento como fuentes de corriente podría comprometer la estabilidad del sistema de potencia. Para evitar esto, se ha propuesto controlar los inversores en modo grid-forming, de forma que se comporten como fuentes de tensión, contribuyendo siempre al mantenimiento de la frecuencia y la tensión y siendo capaces de operar de forma aislada. Esta tesis se centra en el desarrollo de estrategias de control grid-forming para inversores de alta potencia. El principal objetivo es diseñar e implementar técnicas que permitan garantizar la operación fiable de los inversores grid-forming en cualquier condición. Por ello, se han abordado los siguientes aspectos: • Modelado del amortiguamiento intrínseco de inversores de alta potencia para diseñar los lazos de control de forma robusta. • Desarrollo de un método que proporcione al control de tensión basado en un único lazo, generalmente implementado en inversores de alta potencia, capacidad para limitar sobrecorrientes. • Análisis de estabilidad de una microrred basada en inversores cuando se utiliza el control droop como estrategia grid-forming. • Diseño de un control droop de frecuencia que garantice la estabilidad transitoria de la microgrid en presencia de sobrecargas y cortocircuitos. • Diseño de un control droop de frecuencia que mejore la estabilidad transitoria de los inversores grid-forming durante huecos de tensión.

  • English

    The present environmental crisis is driving the increase in demand for renewable sources and energy storage systems. The connection of these generation units, made through high-power inverters to minimize costs, is leading to the total replacement of synchronous generators, giving rise to the more frequent appearance of high-power inverter-based microgrids that can work tied to the main grid, islanded or in both operating modes. In this scenario, electronics inverters can no longer be controlled in grid-following mode since their performance as current sources would compromise the stability of the power systems. To avoid this, the concept of controlling the inverters in grid-forming mode has been proposed, in such a way that they perform as voltage sources, always contributing to the maintenance of frequency and voltage and having capability of working under stand-alone mode. This thesis aims to develop grid-forming control strategies for high-power inverters. The main objective is to design and implement techniques that permit ensuring the reliable operation of grid-forming inverters at all possible conditions. Therefore, the following issues are addressed: • Modeling of the inherent damping of high-power inverters to robustly design the control loops. • Development of a method that provides the single-loop voltage control, generally implemented in high-power inverters, with an overcurrent limiting capability. • Stability analysis of inverter-based microgrids when using the conventional droop control as grid-forming strategy. • Design of a frequency droop control that guarantees the transient stability of inverter-based microgrids in stand-alone mode in the presence of overloads or short-circuits. • Design of a frequency droop control that enhances the transient stability of grid-forming inverters in grid-connected mode under voltage dips.