Control of grid-tied converters in microgrids

Abstract

With the increased proliferation of grid-connected converters in microgrids, problems associated to the interaction among their corresponding filters, such as electrical resonances, arise. In addition, the converter should have a stable behaviour independently of the applications demands: delivering or obtaining energy from the grid with good waveform quality (harmonics, reactive, unbalance…) and responding fast to reference changes or disturbances. Therefore, converter control algorithms should eliminate resonances in the common coupling point and ensure quality and speed requirements in the response are met. Thus, the main objective in this dissertation is the analysis and developing of techniques for controlling grid-tied converters in distributed power generation systems. The following partial objectives should be addressed in order to achieve our main objective: • Development of current control techniques using oversampling that allows increasing the bandwidth in order to compensate computational and modulation delay of the system. • Study and development of dynamics in double loop structures (V-I). • Study of dynamics in current controllers for LCL filter converters. • Study the application of passivity theory to the establishment of stability regions in current control for LCL filter converters side. • Study and development of condenser current indirect measurement techniques in LCL filters. Oversampling and voltage derivative techniques. • Study and development of resonance damping techniques for grid-tied converters. Study of active resistance effect on damping when connected in series with the converter. • Study and development of an introduction of the virtual impedance in a broad range of frequencies. Application of oversampling and current derivative.

Con el aumento del número de convertidores conectados a red en microrredes surgen problemas asociados a la interacción entre los filtros de acoplo, tales como resonancias eléctricas. Además, en estas aplicaciones es importante que el convertidor tenga un funcionamiento estable, suministre o consuma energía con una buena calidad de onda (armónicos, reactiva, desequilibrio), tenga una respuesta rápida a los cambios de consigna y un buen rechazo a perturbaciones. Por tanto es importante hacer el control del convertidor de manera que se eviten las resonancias en el punto de acoplamiento y se cumplan estos requisitos de calidad y rapidez en la respuesta. Así, el objetivo global de este trabajo de investigación es el análisis y desarrollo de técnicas para el control de convertidores conectados a red en aplicaciones de sistemas de generación de potencia distribuidos. Para la consecución del objetivo principal será necesario abordar los siguientes objetivos parciales: • Desarrollo de técnicas de control de corriente que permitan aumentar el ancho de banda mediante la utilización de sobremuestreo para la compensación del retardo de computación y modulación del sistema. • Estudio y desarrollo de la dinámica de estructuras de doble lazo (V-I). • Estudio de la dinámica de los controladores de corriente en convertidores con filtro LCL. • Estudio de aplicación de la teoría de pasividad al establecimiento de regiones de estabilidad en control de corriente del lado de convertidor de un LCL. • Estudio y desarrollo de técnicas de medida indirecta de corriente de condensador en filtros LCL. Técnicas basadas en sobremuestreo y derivada de la tensión en el condensador. • Estudio y desarrollo de técnicas para amortiguación de resonancias en convertidores conectados a red. Estudio del efecto amortiguador de la resistencia activa en serie con el convertidor. • Estudio y desarrollo de introducción de inductancia virtual en un rango amplio de frecuencias. Utilización de sobremuestreo y derivada de la corriente.

Co aumento do número de convertedores conectados a rede en microrredes xorden problemas asociados á interacción entre os filtros de acoplo, tales como resonancias eléctricas. Ademais, nestas aplicacións é importante que o convertedor teña un funcionamento estable, subministre ou consuma enerxía cunha boa calidade de onda (harmónicos, reactiva, desequilibrio), teñan unha resposta rápida os cambios de consigna e un bo rexeitamento a perturbacións. Por tanto é importante facer o control do convertedor de maneira que se eviten as resonancias no punto de acoplamento e se cumpran estes requisitos de calidade e rapidez na resposta. Así, o obxectivo global deste traballo de investigación es a análise e desenrolo de técnicas para o control de convertedores conectados a rede en aplicacións de sistemas de xeración de potencia distribuídos. Para la consecución do obxectivo principal será necesario abordar os seguintes obxectivos parciais: • Desenvolvemento de técnicas de control de corrente que permitan aumentar o ancho de banda mediante a utilización de sobremostreo para a compensación do retardo de computación e modulación do sistema. • Estudio y desenvolvemento da dinámica de estruturas de dobre lazo (V-I). • Estudio da dinámica dos controladores de corrente en convertedores con filtro LCL. • Estudio de aplicación da teoría de pasividade ao establecemento de rexións de estabilidade en control de corrente do lado do convertedor de un LCL. • Estudio e desenvolvemento de técnicas de medida indirecta de corrente de condensador en filtros LCL. Técnicas baseadas en sobremostreo e derivada da tensión no condensador. • Estudio y desenvolvemento de técnicas para amortecemento de resonancias en convertedores conectados a rede. Estudio do efecto amortecedor da resistencia activa en serie co convertedor. • Estudio e desenvolvemento de introdución de indutancia virtual nun rango amplo de frecuencias. Utilización de sobremostreo e derivada de corrente.