New approach of power calculation for droop-controlled inverters supplying nonlinear loads

Abstract

(English) This thesis framework is that of the control of single-phase inverters in alternate current (AC) microgrids. In this context, voltage sourced inverters present difficulties in coping with power quality issues derived from highly distorted nonlinear loads. When these microgrids operate in islanded mode, the voltage sourced inverters control dynamic performance degrades in terms of stability and speed in attending to abrupt power demand changes. This is more noteworthy when the local control of the inverters follows the droop principles. In this case, nonlinear loads presence affects the dynamic performance of the specialized block utilized for calculating the necessary averaged active and reactive power references (P-Q). Even more, power-sharing among parallelized single-phase inverters needs an accurate P-Q calculation. Therefore, a fast and precise obtention of P-Q becomes essential for the stability of systems with droopoperated VSI. Following this motivation, research has been conducted towards the mitigation of the reported power quality issues. This work provided a novel approach for the P-Q calculation in the presence of single-phase nonlinear loads highly distorted in current. That resulted in a reduction in the transient time of the system's response against abrupt load changes and achieving more accurate P-Q quantities in steadystate. The novel approach was assessed and validated through Hardware in Loop and experimental tests in the Centre of Research on Microgrids of the University of Aalborg, and in the E3PACS laboratory facilities of EEBE-UPC. This work is organized as follows: in Section 1 are listed the objectives and in Section 2 contains an introduction and the state of the art. Section 3 sucinctly shows the main outcomes of this research through the published papers in JCR Q2 journals, in which the results were validated. Section 4 describes the methodology of the conducted research. Section 5 discusses the obtained results and Section 6 summaryzes the main contributions of this work, along with the general conclusions. Section 7 are listed future lines of work and Section 8 contain the mentioned references in this document. Finally, in Appendix I a description of a double (cascaded) second order general integrator is attached, followed with Appendix II and Appendix III where are listed all the published works related to the research, both JCR ranked journals and Conference Proceedings.

(Català) El marc d’aquesta tesi és el control local d’inversors monofàsics en microxarxes de corrent altern (AC). En aquest context, els inversors de font de tensió presenten dificultats per fer front als problemes de qualitat de potència derivats de càrregues no lineals amb elevada distorsió harmònica. Quan aquestes microxarxes operen en mode aïllat, el comportament dinàmic es veu degradat en termes d’estabilitat i de velocitat responent a canvis bruscos de la demanda de potència. Aquest fet és encara més destacable quan el control local dels inversors es basa en el decaïment de la freqüència i amplitud de la tensió respecte de la potència activa i reactiva (conegut com a P-¿ i Q-V o “droop-principles”, en anglès). En aquesta situació concreta, la presència de càrregues no lineals afecta al comportament dinàmic del bloc especialitzat en calcular les necessàries referències de potència activa i reactiva (P-Q). A més, la compartició de potència entre inversors monofàsics paral.lelitzats necessita que aquest càlcul de P-Q sigui precís. Per tant, una obtenció ràpida i precisa de P-Q esdevé essencial per a l’estabilitat de sistemes amb inversors de font de tensió amb control basat en “droop-principles”. Motivat per això, s’ha dut a terme una recerca amb l’objectiu de mitigar el problemes de qualitat de potència esmentats. Aquest treball ha proveeix d’un nou enfocament per al càlcul de P-Q en presència de càrregues no lineals amb elevada pol·lució harmònica en corrent. El resultat ha estat una reducció del temps de la resposta transistòria del sistema davant de canvis abruptes de càrrega, aconseguint un càlcul de P-Q més precís en règim estacionari. Aquest nou enfocament s’ha avaluat i validat per mitjà de tests tipus “Hardware-in-Loop” i experimentals, duts a terme a les instal.lacions del “Centre of Research on Microgrids” de la Universitat d’Aalborg i del laboratori E3PACS de l’EEBE-UPC. Aquest treball s'organitza com segueix: a la Secció 1 es delimiten els objectius de la recerca i, a la Secció 2 es disposa d'una introducció i estat de l'art. A la Secció 3 es mostra de manera suscinta els principals productes d'aquesta recerca, per mitjà dels articles publicats a revista indexada JCR Q2, als quals els resultats han estat validats. La Secció 4 descriu la metodologia seguida pel desenvolupament de la recerca. La Secció 5 es comenten i analitzen els resultats obtinguts i la Secció 6 resumeix les principals contribucions d'aquest treball, així com les conclusions generals. A la Secció 7 es detallen les futures línies de treball i la Secció 8 conté les referències utilitzades per aquest document. Finalment, l'Apèndix I descriu el funcionament de dos integradors generals de segon ordre en cascada (DSOGI) i és seguit de l'Apèndix II i l'Apèndix III on s'han llistat tots els treballs publicats en relació amb aquesta recerca, tant en revistes indexades JCR Q2 com a Conferències, both JCR ranked journals and Conference Proceedings.