Influence of the Phase-Locked Loop on the Design of Microgrids Formed by Diesel Generators and Grid-Forming Converters

Abstract

En los últimos años, las microrredes (MGs) con generación renovables, grupos electrógenos diésel y convertidores con droop se han utilizado cada vez más para garantizar la continuidad del suministro eléctrico en áreas remotas. La generación renovable suele integrarse en las MGs mediante el uso un convertidor de electrónica de potencia que presenta dos controles internos: un control de corriente y un PLL (phase locked loop) usado para la sincronización. Las dinámicas asociadas al uso de PLLs en redes eléctricas se ha estudiado ampliamente en la literatura. Sin embargo, las interacciones entre los PLL y otros dispositivos de las MGs no se han abordado con igual profundidad. En este artículo, se estudia una MG que incluye un convertidor seguidor fuente de tensión (VSC) y un dispositivo formador de red (grupo electrógeno diésel o convertidor). Todos los elementos de la red se modelan analíticamente y se utilizan los análisis de valores propios y de factores de participación para analizar las interacciones entre los dispositivos. Se demuestra que las MG formadas por grupos electrógenos diésel tienen límites de estabilidad reducidos. Además, se prueba que los márgenes de estabilidad de las MGs formadas por convertidores con droop se pueden mejorar cambiando los parámetros de control del PLL y los controles internos de los convertidores. Los principales hallazgos y conclusiones se resumen y presentan como una guía de diseño de MGs. Los resultados teóricos se validan en un entorno de laboratorio compuesto por dos convertidores de 15 kW y un emulador de red de 75 kW.

In recent years, Microgrids (MGs with renewable energy sources, diesel gen-sets and droop-controlled converters have been increasingly used to guarantee the continuity of power supply in remote areas. Renewable energy sources have been typically connected to MGs by using an electronic converter that features the two controllers: a current-control loop and a phase-locked loop (PLL . Stability issues related to the PLLs application in electrical grids have already been addressed in the literature, however, dynamic interactions in MGs caused by PLLs have not been sufficiently explored. In this paper, a MG that includes a grid-feeding voltage source converter and a grid-forming device (diesel gen-set or converter is studied. All network elements are modelled analytically and the eigenvalue and participation-factor analyses are used to analyse the interactions between the devices. It is demonstrated that MGs formed by diesel gen-sets have reduced stability limits. Also, it is shown that stability margins of MGs formed by droop-controlled converters can be improved by changing the control parameters (e.g. PLL and internal controllers bandwidths . The main findings and conclusions are summarised and presented as a practical MG design guide. Theoretical results are validated in a lab environment comprising two 15~kW converters and one 75~kW grid emulator.