Control of grid-tied converters in microgrids

Resumo

La red de distribución de energía eléctrica es cada vez más compleja debido al aumento del número de sistemas de generación distribuida (SGD). Ejemplos de SGD son las fuentes de energía renovables tales como turbinas hidráulicas, paneles fotovoltaicos, aerogeneradores, y pequeños sistemas de generación no renovables como grupos electrógenos, turbinas de gas, y pilas de combustible. Los SGD proporcionan ventajas en comparación con un sistema tradicional de generación eléctrica centralizado. Estas tecnologías permiten acercar las fuentes de producción eléctrica a los consumidores. Esto mejora la calidad del suministro eléctrico y la capacidad de regulación de la tensión en las cargas y consumidores de energía eléctrica. Asimismo, también permite aumentar la fiabilidad gracias a una estructura de generación descentralizada combinada con una integración efectiva de fuentes de energía renovables. No obstante, los SGD también introducen nuevos retos que deben ser abordados para operar de forma segura y eficiente la red eléctrica. A medida que el número de SGD aumenta, la red eléctrica es más difícil de controlar y administrar. Este problema se debe a la interacción entre las distintas fuentes de energía que operan en paralelo pero con direferentes tiempos de despacho y, en algunos casos, con una producción intermitente de energía eléctrica. Por lo tanto, nuevos algoritmos deben ser desarrollados para controlar el balance de potencias y proteger a los SGD. Con el objetivo de resolver esta problemática, aparece el concepto de microrred (MR). Una MR es un conjunto de cargas y generadores eléctricos que se coordinan de forma descentralizada. La red de distribución de energía eléctrica interactúa con la MR como si fuese un único elemento que se puede comportar como un productor o como un consumidor de energía eléctrica. Por lo tanto, la MR reduce la complejidad del sistema percibido por la red eléctrica y facilita su control y regulación. La MR puede operar en dos modos diferentes de funcionamiento: conectada a la red de distribución o en modo isla. Ejemplos de MRs que operan en modo isla pueden encontrarse en aviación, automoción, marina, y en áreas rurales. Durante el modo de funcionamiento en isla, la MR debe ser capaz de seguir las variaciones temporales en la demanda de las cargas locales. Dado que habitualmente los generadores locales tienen una respuesta lenta y poca inercia, las MR que operan en modo isla frecuentemente contienen sistemas adicionales de almacenamiento de energía que permiten atender las variaciones en demanda y generación eléctrica de forma rápida. Con el objetivo de integrar de forma efectiva los diferentes tipos de fuentes de energía y sistemas de almacenamiento en una MR, diferentes equipos de conversión electrónica de potencia (CEP) son habitualmente empleados para la interconexión de dichos elementos. En particular, los convertidores eléctronicos de potencia en fuente de tensión (VCEP) son habitualmente empleados como interfaz entre los diferentes elementos que conforman la MR gracias a su flexibilidad en el control del flujo de energía. Estos dispositivos permiten regular la tensión y equilibrar el reparto de potencias mediante el control de la amplitud y la fase de su tensión de salida. No obstante, a medida que el número de fuentes distribuidas en la MR aumenta, resulta más difícil conseguir una regulación de la tensión fiable y un reparto de potencia adecuado. Los sistemas convencionales basados en un control droop pueden experimentar oscilaciones de tensión y potencia o incluso inestabilidad. Con el objetivo de resolver estos problemas, el control de una MR se organiza habitualmente en tres niveles denominados primario, secundario, y terciario. El control primario abarca los algoritmos de más bajo nivel: los lazos de corriente y tensión locales a cada uno de los elementos que conforma la MR. A pesar de encargarse de la regulación local, este nivel condiciona la estabilidad y respuesta dinámica del sistema global. El objetivo de esta tesis doctoral es la mejora del rendimiento del control primario en una MR mediante el desarrollo de nuevos controladores de corriente y tensión que mejoren la robustez y la respuesta dinámica del sistema. Estos controladores proporcionan una base sólida sobre la que operan los controladores de más alto nivel. El control secundario genera referencias eléctricas en la MR. Estas referencias son consignas de tensión y corriente para los controles primarios. El nivel secundario también es responsable de sincronizar la MR con el sistema de distribución eléctrica durante la transición desde el modo de funcionamento aislado al modo conectado a la red. Finalmente, el control terciario regula el nivel de producción eléctrica global y el flujo de potencia ente la MR y la red eléctrica. Una gran variedad de métodos han sido usados en el control primario de un VCEP. A continuación presentamos algunas de las soluciones más habituales para el control de la tensión y la corriente en un VCEP, con el objetivo de explicar las ventajas y limitaciones de estos métodos cuando son implentados en una MR. Los enfoques más habituales utilizan técnicas pertenecientes a la teoría de control clásica (métodos basados en funciones de transferencia), teoría de control lineal moderna (estructuras de espacio de estados), control no lineal, control adaptativo, control robusto, y control predictivo. Entre los diferentes métodos, los controles lineales son la opción más popular para el control primario de un CEP porque, en una MR, el sistema físico y las perturbaciones más habituales son modeladas de forma efectiva usando un modelo lineal. Además, en comparación con las estructuras no lineales, los métodos lineales disponen de una amplia variedad de herramientas matemáticas para el análisis, las cuales permiten determinar la estabilidad, la respuesta dinámica, y la robustez para diferentes condiciones de funcionamiento. Debido a estas ventajas, los controles lineales son particularmente adecuados para el control de CEP y son la opción elegida en la mayoría de las aplicaciones. Esta tesis doctoral se centra en el diseño de controles lineales para el control primario de un convertidor de potencia que opera en una MR. RESUMEN CAPÍTULO 1 Un VCEP que funciona en modo aislado o conectado a la red eléctrica necesita un filtro de acoplamiento que permita la interconexión del VCEP con las cargas locales o con la red eléctrica. Este filtro atenúa el ruido de conmutación que el VCEP genera y proporciona una tensión, o una corriente dependiendo del modo de operación, con una baja distorsión armónica en el punto de acoplamiento. Sin embargo, el tipo de filtro de acoplamiento instalado en un convertidor de potencia también tiene influencia en el rendimiento del convertidor y puede causar inestabilidad o acentuar interacciones no deseadas entre los diferentes elementos que conforman la MR. Por lo tanto, un conocimiento detallado de las características del filtro de acoplamiento instalado es clave para poder analizar las prestaciones del control primario en un VCEP. El Capítulo 1 compara las dos topologías de filtro comunmente usadas en un convertidor conectado a la red eléctrica (L y LCL) e indica sus principales características y limitaciones. A continuación, se introducen las técnicas de control de corriente y de control de tensión habitualmente empleadas para el control primario de convertidores en una MR. El controlador primario de un convertidor de potencia regula la corriente y la tensión a la salida del convertidor de acuerdo a una referencia externa. En el caso de un inversor con un filtro LCL, dos señales son frecuentememte controladas: la corriente de salida del convertidor y la corriente entregada a la red. En esta tesis doctoral, la corriente del lado de red es siempre la variable controlada. Esta elección permite regular de forma más precisa la potencia entrega a la red, en comparación con un controlador de la corriente del lado del convertidor. Diferentes tipos de controladores lineales de corriente para inversores conectados a la red eléctrica mediante un filtro LCL han sido propuesto en la literatura. Algunas de las soluciones propuestas utilizan técnicas propias de la teoría de control moderna, otras emplean sofisticados esquemas de feed-forward (o prealimentacion); no obstante, los controladores del tipo proporcional-integral y proporcional-resonante continúan siendo las soluciónes más populares en la literatura. Un problema común a cualquier controlador con una realimentación lineal es la existencia de limitaciones en la capacidad de seguimiento a consigna, la capacidad de rechazo a perturbación, y la robustez a variación de parámetros, las cuales obligan a llegar a una solución de compromiso. Ejemplos claros de dichas limitaciones son el controlador dead-beat y el controlador repetitivo. Estos controladores maximizan el rendimiento en uno de los tres aspectos indicados previamente a expensas de ofrecer unas prestaciones pobres en los otros dos. Los diseños usados en estas aplicaciones deben alcanzar un compromiso entre estas limitaciones. Los diseñadores, frecuentemente, necesitan sintonizar o ajustar los parámetros del controlador para conseguir un equilibrio satisfactorio entre la respuesta dinámica del sistema y la robustez a variaciones en el modelo de la planta o a perturbaciones. Sin embargo, los controladores tradicionalmente usados no disponen de suficientes grados de libertad para controlar de forma completa la dinámica de un sistema con un orden elevado, como es el caso de un convertidor, el cual incluye un retardo de modulación, un filtro LCL, y un controlador embebido que introduce un retardo de computación adicional. Por este motivo, los controladores tradicionales suelen requerir ajustes ad-hoc en su estructura, con el objetivo de mejorar el seguimiento a consigna, la robustez, o simplemente para conseguir un sistema estable. Estos cambios realizados a medida para unas condiciones particulares son denominados en la literatura como mecanismos de compensación de retardo, métodos de amoriguamiento activo, o términos de impedancia virtual. El Capítulo 1 explica en detalle las limitaciones indicadas previamente mediante el estudio de la impedancia de salida de un CEP con un controlador convencional de corriente y de tensión. El trabajo de investigación presentado en esta tesis doctoral ha sido financiado por el Ministerio de Educación, Cultura y Deporte Español bajo el programa de ayuda para la etapa predoctoral FPU14/00683, y también por el Ministerio de Ciencia e Innovación y por la Comisión Europea, Fondo Europeo de Desarrollo Regional (ERDF) bajo el proyecto DPI2016-75832. RESUMEN CAPÍTULO 2 Los controladore resonantes (CRs) tradicionales son habitualmente empleados en el control de convertidores conectados a la red eléctrica mediante un filtro LCL, debido a las ventajas que ofrecen. Entre las ventajas más importantes, distinguimos el error nulo en régimen permanente en las dos sequencias (positiva y negativa) de la frecuencia fundamental, un proceso de diseño y sintonía sencillo, y una implementación simple y con requerimiento computacionales bajos. No obstante, estas soluciones tradicionales basadas en CRs no permiten posicionar los polos del sistema en lazo cerrado en posiciones convenientes cuando son aplicadas a un sistema de orden elevado como es el caso de un CEP con un filtro LCL. Por lo tanto, la respuesta en el seguimiento a consigna y en el rechazo a perturbaciones empeoran y son dependientes de los parámetros del filtro LCL y de la frecuencia de muestreo. Además, habitualmente, un mecanismo adicional denominado amortiguamiento activo debe ser incorporado al sistema con el objetivo de obtener estabilidad. El Capítulo 2 presenta un CR mejorado con una respuesta estable, un seguimiento a consigna rápido, una sobreoscilación despreciable, un buen rechazo a perturbación, y un bajo esfuerzo de actuación para convertidores conectados a la red eléctrica mediante un filtro LCL. La solución desarrollada utiliza un método de posicionamiento de polos directo en tiempo discreto que pertenece a la teoría de control clásica. La propuesta emplea dos filtros (funciones de transferencia) adicionales al CR, con el objetivo de mejorar las prestaciones del CR. De esta manera, se evita la complejidad y elevada carga computacional propia de los métodos basados en espacio de estados. Simulaciones y resultados experimentales han sido incluidos para validar las prestaciones de la propuesta de controlador. El trabajo de investigación incluido en este capítulo ha sido publicado en la revista IEEE Transactions on Power Electronics y ha sido presentado en el IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE 2017). Este capítulo contiene material audiovisual adicional que puede ser descargado en http://ieeexplore.ieee.org. En este video se muestra el banco de pruebas y el procedimiento llevado a cabo durante el quinto ensayo presentado en el Capítulo 2. RESUMEN CAPÍTULO 3 Este capítulo presenta un controlador de corriente para un convertidor conectado a la red eléctrica mediante un filtro LCL que permite controlar con error nulo en régimen permanente ambas secuencias de la componente fundamental de la corriente entrega a la red. A diferencia de la propuesta descrita en el Capítulo 2, el controlador de corriente presentado en el Capítulo 3 utiliza una estructura en espacio de estados. Esta estructura permite eliminar el problema de wind-up en los integradores del control sin necesidad de añadir mecanismos o lazos adicionales. Además, esta propuesta incorpora las ventajas propias de una técnica de posicionamiento de polos: una respuesta dinámica estable y rápida en seguimiento a consigna y en rechazo a perturbación con una sobreoscilación despreciable. Estas ventajas se mantienen de manera independiente al filtro LCL utilizado o a la frecuencia de muestreo elegida. Simulaciones y resultados experimentales que validan la propuesta han sido incluidos al final del capítulo. El trabajo de investigación incluido en este capítulo ha sido publicado en la revista IEEE Transactions on Power Electronics y ha sido presentado en el IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE 2016). RESUMEN CAPÍTULO 4 Este capítulo presenta un controlador de corriente del lado de red para un convertidor conectado a la red eléctrica mediante un filtro LCL, con capacidad de eliminar armonicos en la corriente. El controlador propuesto solamente mide la corriente y la tensión de la red eléctrica en el punto de acoplamiento y combina unas excelentes características dinámicas con una buena robustez a variaciones en el modelo de planta y a perturbaciones armónicas. A diferencia de las propuestas previas de controladores de corriente armónica, la solución presentada en el Capítula 4 ofrece un método generalizado que permite obtener unas prestaciones consistentes (con mínima variación en la respuesta dinámica del sistema) y un sistema estable, independientemente del número de armónicos de corriente eliminados y de la frecuencia de resonancia del filtro LCL (asumiendo que dicha frecuencia es inferior a la frecuencia de Nyquist del sistema discreto). La respuesta transitoria del sistema a un cambio en la referencia es completamente amortiguada y rápida. La velocidad de respuesta se establece de acuerdo con el carácter paso-bajo del filtro LCL con el objetivo de minimizar el esfuerzo en la actuación y usar todo el ancho de banda disponible en el sistema físico. En lo referente al rechazo a perturbación, el controlador propuesto ofrece una impedancia infinita a cualquier perturbación (como por ejemplo los armónicos en la tensión de la red eléctrica) que se encuentren situados en un conjunto de frecuencias especificadas por el diseñador. Esto permite al diseñador eliminar todos los armónicos de corriente no deseados con un método de diseño sencillo. Además, las prestaciones del controlador presentado son evaluadas en relación a una restricción fundamental (el Teorema Integral de Bode), la cual impone una restricción entre la robustez a variaciones en la impedancia de red y el número de frecuencias en las que se requiere error nulo en el rechazo a perturbaciones. Para finalizar el capítulo, se presentan simulaciones y resultados experimentales que validan la propuesta. El trabajo de investigación incluido en este capítulo ha sido publicado en la revista IEEE Transactions on Industry Applications y ha sido presentado en el IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE 2017). RESUMEN CAPÍTULO 5 El Capítulo 5 presenta un método de sincronización con la red eléctrica que permite un arranque suave sin utilizar sensores de tensión. La propuesta presentada requiere una baja carga computacional y tiene la capacidad de realizar un seguimiento de la componente de secuencia positiva de la tensión de la red eléctrica, incluso en una red trifásica débil (con una impedancia de red elevada) y con una tensión desiquilibrada y distorsionada. Solamente doce operaciones en punto flotante son necesarias para obtener las componentes en fase y en cuadratura que definen un marco de referencia síncrono con la secuencia positiva de la frecuencia fundamental de la red eléctrica. A diferencia de un lazo de seguimiento de fase (PLL), la solución propuesta no precisa de ninguna medida de tensión. Por lo tanto, este método es particularmente adecuado para aplicaciones donde ocurran situaciones de red débil, en las cuales el voltage en el punto de acoplamiento es distinto de la tensión de la red eléctrica y puede contener una cantidad significativa de ruido. El error en la estimación de la fase depende de la fidelidad entre el modelo de planta y el sistema físico. Si la impedancia de red se desprecia (se considera de valor cero) y los parámetros del filtro LCL son conocidos, entonces ambas soluciones, la propuesta del Capítulo 5 y un esquema basado en un PLL, resultan en el mismo error en régimen permanene. Resultados experimentales muestran las ventajas de la propuesta en comparación con una estructura de sincronización basada en un PLL con un filtro de medias móviles. El trabajo de investigación incluido en este capítulo ha sido presentado en el IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE 2018). RESUMEN CAPÍTULO 6 El Capítulo 6 presenta un controlador de tensión para un VCEP con una alta robustez a variaciones en el modelo de planta. Esto permite su uso cuando existen amplias variaciones en la carga conectada al VCEP. Un controlador de tensión es necesario en un convertidor con un control droop que opera en modo isla con otros generadores en paralelo o conectado a la red eléctrica. En estos modos de funcionamiento, el convertidor en fuente de tensión puede experimentar grandes variaciones en la impedancia de carga vista en el punto de acoplamiento, dependiendo del número de generadores funcionando en paralelo o del valor de la impedancia de la red eléctrica. El contolador propuesto optimiza la respuesta transitoria del sistema mediante la reducción de la impedancia de salida del convertidor de manera selectiva en las frecuencias en las que la corriente de salida del convertidor tiene una amplitud mayor. El controlador propuesto consigue eliminar por completo el error en la tensión de salida a las frecuencias armónicas especificadas por el diseñador gracias a presentar una impedancia de salida nula a dichas frecuencias. La estructura de control presentada solamente mide la tensión de salida; por lo tanto, utiliza una estructura con un único lazo de tensión, el cual hace uso de todo el ancho de banda disponible en el sistema físico. El método de diseño propuesto únicamente necesita, como parámetros de entrada, los valores del filtro LC instalado, la frecuencia de muestreo, y el conjunto de frecuencias armónicas en las cuales se espera que la carga genere una circulación de corriente. El controlador de tensión propuesto ha sido validado experimentalamente en ambos modos de funcionamiento: modo isla y conectado a la red eléctrica. El trabajo de investigación incluido en este capítulo ha sido presentado en el IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE 2018).