Control of voltage source converters for distributed generation in microgrids

Abstract

Microgrids are the near future candidate to reduce the dependence on the carbon-based generation, towards a more environmentally friendly and sustainable energy paradigm. The popularization of the use of renewable energy sources has fostered the development of better technologies for microgrids, particularly power electronics and storage systems. Following the improvements in microgrid technologies achieved in the last decade, a new challenge is being faced: the control and management of microgrids for its operation in islanded mode, in addition to its large scale integration into the current electrical power system. The unregulated introduction of distributed generation based on renewable energy sources into the power system could cause as many problems as it would solve. The unpredictability of the generated power would introduce large disturbances into the electric system, making it difficult to control, and eventually resulting in an unstable system. To overcome these issues, the paradigm of microgrids has been proposed: a small power system, able to operate islanded from the main grid, which will permit the large scale introduction of renewable energy sources interfaced with power electronic converters together with energy storage systems into the distribution grids. Microgrids¿ ability to allow their users to operate islanded from the utility grid, brings the potential to offer a high quality of service. It is in the islanded operation mode, particularly in microgrids with a high proportion of renewable based generation, where the major technical challenges are found. This thesis focuses in three of the main challenges of islanded and weak electrical grids: the power converter control of electrical storage systems, its decentralized control design, and also the improvement of power quality in grids disturbed by renewable generation. These topics are addressed from a control point of view, that is, to tackle the electrical problems, modelling them and proposing advanced control strategies to improve performance of microgrids. Energy storage system are a vital element to permit the islanded operation of microgrids, either in the long or short term. New control strategies are proposed in this thesis for the improvement of the converters¿ performance. In addition to the control of the converter, the management and control of different energy storage systems for microgrids are also studied. In particular, supercapacitors and batteries have been considered for the short and long term operation, respectively. Then, the control of islanded microgrids is addressed. Typical controls for islanded microgrids are analysed and new tools for designing stable controllers are proposed. Also, methodologies to analytically obtain the operating point (power flow) of droop controlled grids are studied and proposed. The high penetration of renewable energy sources in weak low-voltage grids results in undesirable electrical disturbances. This problematic in power quality is tackled and innovative solutions to mitigate it are proposed. In particular, a novel power smoothing scheme with simultaneous state of charge regulation of the ESS and power filtering. The new power smoothing scheme, along with the proposed control strategies for storage systems have been experimentally validated in a laboratory test bench, using a supercapacitor bank and a high power lithium-ion battery available at IREC's facilities.

Les microxarxes són les candidates en un futur a curt termini, a substituir la generació basada en el carbó, de cara a assolir un sistema energètic més respectuós amb el medi ambient i més sostenible. La popularització de l'ús d'energies renovables ha fomentat la millora de les tecnologies per a microxarxes, en particular els sistemes d'emmagatzematge i l'electronica de potència. Desprès de les millores en tecnologies de microxarxes aconseguides durant l'última dècada, hi ha un nou repte al qual fer front: el control i gestió de microxarxes per la seva operació aïllada, a més de la integració a gran escala dins del sistema elèctric actual. La introducció descontrolada de fonts de generació distribuides en el sistema elèctric pot causar tants problemes com els que podria sol·lucionar. La incertesa en la producció elèctrica pot introduir grans pertorbacions al sistema elèctric, fent-lo difícil de controlar, i fins i tot el pot arribar a inestabilitzar. Per tal de fer front a aquestes dificultats, es proposa el paradigma de microxarxa: un petit sistema elèctric capaç d'operar de forma aïlla de la xarxa de distribució elèctrica, el qual hauria de permetre la integració a gran escala d'energies renovables a través de l'electrònica de potència, juntament amb sistemes d'emmagatzematge d'energia, dins de les xarxes de distribució. Les microxarxes permeten als seus usuaris a funcionar aillats de la xarxa elèctrica, donant la possibilitat d'oferir una alta qualitat de servei. És en el mode de funcionament aïllat, particularment en microxarxes amb una altra proporció de generació basada en renovables, on es troben la major part de reptes tecnològics. Aquesta tesi es centra en tres d'aquests reptes de les xarxes aillades i dèbils: el disseny del control per a convertidors de potència per a sistemes d'emmagatzematge elèctric, el control descentralitzat de les microxarxes i també la millora en la qualitat de subministre elèctric en xarxes afectades per generació renovable. Aquestes temes es tracten des d'el punt de vista de la teoria de control de sistemes, aixó significa, abordar el problema elèctric, modelar-lo, i proposar estrategies de control avançades per millorar el funcionament de les microxarxes. Els sistemes d'emmagatzematge són un element vital per permetre l'operació aïllada de les microxarxes, tant a llarg com a curt termini. En aquesta tesi es proposen noves estratègies de control per millorar el funcionament dels convertidors d'electrònica de potència. A més del control del convertidor, també s'estudia la gestió i control de diferents sistemes d'emmagatzematge d'energia per a microxarxes. En particular, supercondensador i bateries s'han considerat per l'operació a curt i llarg termini respectivament. Seguidament, s'enfila el control de microxarxes aïllades. S'analitzen els controls típics per a microxarxes i es proposen noves eines de disseny que permeten garantitzar l'estabilitat. A més a més, metodologies per a obtenir el punt d'operació (el flux de potènica) per a xarxes amb control tipus "droop" també s'estudien i proposen. L'alta penetració de fonts d'energia renovables en xarxes de baixa tensió i febles resulta en pertorbacions elèctriques indesitjables. Aquesta problematica en la qualitat de subministrament s'aborda i es proposen solucions inovadores per mitigar els efectes negatius. En particular, s'ha proposat un nou sistema de suavitzat de potència que regula simltaneament l'estat de càrrega del sistema d'emmagatzematge i filtra la potencia fluctuant. El nou esquema de suavitzat de potència, juntament amb les estrategies proposades per als sistemes d'emmagatzematge elèctric s'han validat experimentalment en un banc de laboratori, emprant superconsadors i una bateria d'alta potència, disponibles a les instal·lacions de l'IREC.