Control de convertidores VSC grid forming para aplicaciones en microrredes

Abstract

En este proyecto se ha desarrollado un modelo de simulación en el entorno Matlab/Simulink de una microrred AC desconectada de la red principal, sin generación eléctrica convencional, y alimentada exclusivamente por convertidores VSC controlados en su modo "grid forming". Este modo de control debe emplearse para mantener tensión y frecuencia en la red. El convertidor VSC se ha modelado como un conjunto de tres fuentes de tensión ideales conectadas en estrella con un circuito LC paso-bajo trifásico. La estructura del control es acorde al estado del arte: un control de tensión en cascada en un sistema de referencia móvil "dq" dado por la transformada de Park. Para los parámetros de los reguladores PI se ha hecho una propuesta de diseño original basada en la colocación de polos en lazo cerrado, y no se tiene en cuenta el resto de la red. El control se ha puesto a prueba en dos casos de estudio: el primero con un único VSC alimentando una carga, y el segundo con varios VSC en una microrred más compleja. Se ha visto que en el segundo caso de estudio la estabilidad es más difícil de alcanzar, y se han sacado una serie de conclusiones sobre la posibilidad de diseñar controles que sean aptos en cualquier microrred. Además de esto, los VSC del segundo caso de estudio usan un "droop" de frecuencia gracias al cual se reparten la potencia que inyectan en la microrred. Con esto, los VSC se comportan como máquinas síncronas virtuales.

In this project we have built a simulation model in the Matlab/Simulink environment for an AC microgrid disconnected from the utility grid, without any conventional power generation, and powered entirely by VSC converters in their “grid forming” control mode. This control mode must be used to maintain voltage and frequency in the grid. The VSC converter has been modelled as three wye-connected ideal voltage sources with a three-phase low-pass LC circuit. The control structure is a state-of-the-art one: a cascaded voltage control in a moving “dq” reference frame given by the Park transformation. For the parameters of the PI controllers, an original tuning method has been proposed based on close-loop pole allocation, and the rest of the microgrid has not been considered. The control has been tested in two case studies: the first one with a single VSC feeding a load, and the second one with multiple VSCs in a more complex microgrid. We have verified that it is more difficult to achieve a stable system in the second case study, and a series of conclusions have been taken regarding the possibility of a control design fit for any microgrid. Furthermore, the VSCs from the second case study use a frequency “droop” through which they manage to share the power injected in the microgrid. With this, the VSCs act like virtual synchronous machines.