Advanced digital resonant control techniques for grid-connected voltage source converters

Abstract

It is a fact that the presence of power distributed generation sources in the electrical sector is growing exponentially worldwide. This can mainly be explained by the increase of renewable energy production, which involves principally grid-connected single- and three-phase Voltage Source Converters (VSCs).

Regarding the regulations for medium and high power inverters, it is not enough to generate currents with low harmonic content and a unity-power-factor operation: grid-connected VSCs also have to work properly when the electrical grid presents non-ideal characteristics such as frequency variations, sags, swells or a high impedances, among other disturbances.

In line with the above and to improve the grid currents quality, LCL filters are widely used at the input of VSCs for their attenuation capabilities at high frequencies. However, they present a big resonance that may produce robustness issues. In order to study this problem and to stablish a basis for the controllers design, the grid-connected VSC mathematical models have been obtained, analysed and discretised, including passive and active LCL resonance damping techniques.

Adaptive Feedforward Cancellation (AFC) is the control technique addressed in this research work, leading to robust designs which are able to face all the grid disturbances aforementioned. AFC controllers, formed by resonators, have been considered in continuous- and discrete-time forms, and presenting infinite and finite gain, along with an anti-windup system for limitation purposes.

The development of an AFC control design method (directly in discrete time), and the use of automatic code generation tools, have allowed a fast implementation of the resonant controllers into a Digital Signal Processor (DSP). The experimental results obtained from the VSC prototypes (also developed during this thesis), prove the robustness of this control technique.

Es un hecho que la presencia de fuentes de generación de energía distribuida en el sector eléctrico está creciendo exponencialmente a nivel mundial. Esto se debe esencialmente al incremento de la producción de energías renovables, que están estrechamente relacionadas con convertidores estáticos de potencia monofásicos y trifásicos (VSC) conectados a la red eléctrica. Con respecto a la normativa en el ámbito de los inversores de media y alta potencia, ya no es solamente necesario que éstos generen unas corrientes con un bajo contenido en armónicos y un factor de potencia unitario: el funcionamiento de dichos equipos debe ser correcto frente a situaciones no ideales de la red como variaciones de frecuencia, huecos de tensión o redes débiles, entre otros. En consonancia con lo anterior y para mejorar la calidad de las corrientes de red, los filtros LCL son ampliamente utilizados a la entrada de los VSC por su gran atenuación a altas frecuencias. Sin embargo, la gran resonancia que presentan puede generar problemas de robustez. Para estudiar este fenómeno y crear una base para el diseño de los controladores, se han obtenido, analizado y discretizado los modelos matemáticos de los VSC conectados a la red, incluyendo técnicas de amortiguación pasivas y activas para el filtro LCL. La técnica de control abordada en este trabajo de investigación se denomina Adaptive Feedforward Cancellation (AFC), con la que se han conseguido diseños robustos y capaces de hacer frente a las perturbaciones en la red detalladas anteriormente. Los controladores AFC, formados por resonadores, han sido considerados en tiempo continuo y discreto, y con ganancias infinita y finita, junto con un sistema de limitación anti-windup. El desarrollo de un método de diseño de control AFC (directamente en tiempo discreto) y el uso de herramientas de generación automática de código, han permitido una rápida implementación de los controladores resonantes en un procesador digital de señales (DSP). Los resultados experimentales obtenidos con los prototipos de convertidores monofásico y trifásico (también desarrollados durante esta tesis), confirman la robustez de esta técnica de control.

C’est un fait que la présence de sources de génération d’énergie distribuée dans le secteur électrique est en train de croître exponentiallement à niveau mondiale. Ceci est principalement à cause de l’augmentation de la production d’énergies renouvelables, qui est étroitement liée à des convertisseurs statiques de puissance monophasés et triphasés (VSC) connectés au réseau électrique. Par rapport aux régulations dans le domaine des onduleurs de moyenne et forte puissance, il n’est pas seulement nécessaire qu’ils génèrent des courants à bas contenu harmonique avec un facteur de puissance unitaire: le fonctionnement de ces systèmes doit être correct face à des situations non idéales du réseau comme variations de fréquence, creux de tension ou réseaux faibles, parmi d’autres. Dans cet esprit et pour améliorer la qualité des courants du réseau, les filtres LCL sont vastement utilisés à l’entrée des VSC pour leur capacité d’atténuation aux hautes fréquences. Néanmoins, la grande résonance qu’ils présentent peut générer des problèmes de robustesse. Pour l’étude de ce phénomène et créer une base pour la conception des contrôlleurs, les modèles mathématiques des VSC ont été obtenus, analysés et discretisés, y compris techniques d’amortissement passives et actives pour le filtre LCL. La technique de commande abordée dans ce travail de recherche s’appelle Adaptive Feedforward Cancellation (AFC), avec laquel il a été possible d’obtenir des contrôlleurs robustes et capables de faire face aux perturbations du réseau nommées précédemment. Les contrôlleurs AFC, constitués de résonateurs, ont été considerés en temps continu et discret, et avec des gains infinis et finis, ainsi qu’un système de limitation anti-windup. Le développement d’une méthode de conception de commande AFC (directement en temps discret) et l’utilisation d’outils de génération de code automatique, ont permis une implementation rapide des contrôlleurs résonantes dans un processeur de signal numérique (DSP). Les résultats expérimentaux obtenus avec les prototypes des convertisseurs monophasé et triphasé (aussi développés pendant cette thèse), réalerment la robustesse de cette technique de commande.

És un fet que la presència de fonts de generació d’energia distribuïda al sector elèctric està creixent exponencialment a nivell mundial. Això es deu principalment a l’increment de la producció d’energies renovables, directament vinculades a convertidors estàtics de potència monofàsics i trifàsics (VSC) connectats a la xarxa elèctrica. Pel que fa a la normativa en l’àmbit dels inversors de mitjanes i altes potències, ja no és solament necessari que els convertidors generin corrents amb baix contingut harmònic amb un factor de potència unitari, sinó que el funcionament d’aquests equips deu ser correcte enfront de situacions no ideals de la xarxa com ara variacions de freqüència, forats de tensió o xarxes febles, entre altres. D’acord amb l’anterior, i per millorar la qualitat dels corrents de xarxa, els filtres LCL són àmpliament utilitzats a l’entrada dels VSC per la seva capacitat d’atenuació a altes freqüències. No obstant això, la gran ressonància que presenten pot generar problemes de robustesa. Per estudiar aquest fenomen i crear una base per al disseny dels controladors, s’han obtingut, analitzat i discretitzat els models matemàtics dels VSC connectats a la xarxa, incloent tècniques d’esmorteïment passives i actives per al filtre LCL. La tècnica de control abordada en aquest treball de recerca es denomina Adaptive Feedforward Cancellation (AFC), amb la qual s’han aconseguit dissenys robustos i capaços de fer front a les pertorbacions de la xarxa detallades anteriorment. Els controladors AFC, formats per ressonadors, han sigut considerats en temps continu i discret, i amb ganàncies infinita i finita, juntament amb un sistema de limitació anti-windup. El desenvolupament d’un mètode de disseny de control AFC (directament en temps discret) i l’ús d’eines de generació automàtica de codi, han permès una ràpida implementació dels controladors ressonants en un processador digital de senyals (DSP). Els resultats experimentals obtinguts amb els prototips de convertidors monofàsic i trifàsic (també desenvolupats durant aquesta tesi), confirmen la robustesa d’aquesta tècnica de control