Contributions to the Analysis and Design of Primary and Secondary Controllers of Electronic Power Converters in Power Systems

Abstract

Los sistemas eléctricos han experimentado cambios importantes en las últimas décadas debido a la integración masiva de fuentes de energía renovable. La adopción de estas nuevas fuentes no sólo implica cambios en el mix de generación, sino también en la tecnología, el tamaño y la ubicación de los generadores. La generación convencional se interconecta principalmente mediante el uso de generadores síncronos, mientras que la generación renovable comúnmente se interconecta mediante el uso de convertidores de electrónica de potencia. En comparación con los generadores síncronos, los convertidores de electrónica de potencia son más rápidos y flexibles. Sin embargo, estos últimos no tienen partes giratorias que almacenen energía cinética y, por lo tanto, no pueden proporcionar fácilmente inercia a los sistemas eléctricos. Además, las fuentes de energía renovable se encuentran más dispersas en el sistema eléctrico y su tamaño es menor en comparación con las centrales eléctricas convencionales. En este contexto, hace unas décadas se propuso el concepto de microrred (MG) para integrar recursos energéticos distribuidos y suministrar energía a cargas en áreas remotas. De esta manera, pequeños generadores renovables pueden sustituir soluciones menos eficientes como los generadores diésel. Inicialmente, el objetivo principal de las MGs era alimentar pequeñas redes eléctricas aisladas, pero las MGs también pueden funcionar conectadas a la red principal. En operación aislada, el balance energético debe realizarse dentro de la MG. Cuando operan conectadas a la red principal, pueden importar o exportar energía según su disponibilidad y las condiciones del mercado. Además, debido a la flexibilidad de la generación interconectada mediante convertidores, las MGs pueden proporcionar servicios auxiliares cuando se operan conectadas a la red principal. Para garantizar la calidad del suministro eléctrico, el control de las MGs se divide en tres niveles de control similares a las capas de control en redes convencionales. El nivel más bajo, el control primario, es responsable del control local de los dispositivos. Inmediatamente sobre este, el control secundario coordina el funcionamiento de todos los dispositivos. Finalmente, el objetivo del control terciario es la optimización económica de los recursos de la red. Los

controladores de convertidores en MGs, aunque son muy similares a los usados en redes convencionales, presentan algunas diferencias. Por ejemplo, existen ciertos controladores que fueron inicialmente propuestos para su aplicación en MGs y que están cada vez más presentes en las redes convencionales. Por otra parte, el control secundario que coordina la sincronización y el funcionamiento en modo isla sólo se puede encontrar en las MGs. Esta tesis aborda el control de convertidores de electrónica de potencia en MGs. Más concretamente se centra en el estudio del control primario y secundario de MGs. A lo largo de la tesis se emplean herramientas de pequeña señal, ampliamente empleadas para evaluar la estabilidad de redes convencionales, para estudiar la coordinación de los dispositivos en las MGs y las interacciones entre controladores en diferentes niveles de control. Todos los estudios fueron validaos mediante simulación y algunos también de forma experimental en una plataforma con varios convertidores. Al final de la tesis se extraen las conclusiones y se proponen algunas líneas futuras de investigación.

Electric power systems have experienced important changes in the past decades due to the massive integration of renewable energy sources. The adoption of these new sources not only imply changes in the generation mix but also in the technology, the size and the location of the generators. Conventional generation is mostly interfaced by using synchronous generators whereas renewable energy sources are commonly interfaced by using electronic power converters. Compared to synchronous generators, electronic power converters are faster and more flexible. However, the latter do not have rotating parts or kinetic energy stored and then cannot easily provide inertia to power systems. In addition, renewable energy sources are more spread across electrical networks and their size is smaller compared to conventional power plants. In this context, the concept of microgrid (MG) was proposed to integrate distributed energy resources and supply loads in remote areas. In this way, small renewable energy resources can substitute less efficient solutions such as diesel generators. Initially, the main intention of MGs was to feed small-scale isolated electrical grids, however, they can also be operated connected to the main grid. In islanded operation, the energy balance must be established within the MG, while in grid-connected operation the MG can import or export energy according to its availability and the market conditions. Moreover, due to the inherent flexibility of converter interfaced generation, MGs can provide ancillary services when connected to electrical grids. To guarantee the quality of power supply, MG operation tasks are divided into three layers of control similar to the control layers in conventional grids. The lowest level, primary control, is responsible for the local control of devices. Then secondary control coordinates the operation of all devices. Finally, the objective of the tertiary control is the economic optimization of the grid. Although similar, converter controllers in MGs present some differences compared to the control of electronic power converters in conventional grids. For example, there are some primary controller designs that were proposed for their application in MGs and are now

becoming more present in conventional grids. In addition, the secondary control that coordinates the synchronization and the islanding can only be found in MGs. This thesis addresses the control of electronic power converters in MGs. It focuses on the study of primary and secondary controllers for MGs. A common tool used to assess the stability of power systems (small signal analys) is used along the thesis to study, from the stability point of view, the interactions between controllers applied at different layers, and the coordination of MG devices. Studies were validated using simulations. Part of them were also validated experimentally in a facility with several converters. At the end of the thesis, conclusions are drawn and some future research guidelines proposed.