Estudio de microgrids con interfases de convertidores de dc ac

Estudio de Microgrids con interfases
de convertidores de DC/AC
Fabio ANDRADE RENGIFO

Candidato a Doctor - (Universidad Politécnico de Catalunya UPC)
Magíster en ingeniería con énfasis en Automática - (Universidad del VALLE-May.08)
Ing. Electrónico - (Universidad del VALLE-May.03)

Motion Control and Industrial
Applications Group
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC

Estado del arte: MICROGRID

“… MicroGrid concept assumes an aggregation of loads and microsources operating as a single system
providing both power and heat. The majority of the microsources must be power electronic based to
provide the required flexibility to insure operation as a single aggregated system …” [Lasseter et al, 2002]

MGCC

LC LC LC

DG DG R

Microgrid [Dimeas y Hatziargyriou, 2005]

Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 2

Estado del arte

Integration of
Classical DER
electrical
system

Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC

Estado del arte

California Energy Commission
U.S. Department of Energy

Microgrid Concept
2009
2003 – 2002 – 2001
 Distributed Generation Interface to the CERTS Microgrid
 The Operation of Diesel Gensets in a CERTS Microgrid  A Business Case for On-Site Generation: The BD Biosciences
Pharmingen Project
2006  Microgrid Energy Management System
 Validation of the CERTS Microgrid Concept The CEC/CERTS  Review of Test Facilities for Distributed Energy Resources
Microgrid Testbed  Integration of Distributed Energy Resources: The CERTS
 Autonomous Control of Microgrids MicroGrid Concept
 Dynamic Distribution using (DER) Distributed Energy  White Paper on Protection Issues of The MicroGrid Concept
Resources  Industrial Application of MicroGrids
 Control and Design of Microgrid Components
2005
 Energy Manager Design for Microgrids
2004
 The CERTS Microgrid and the Future of the Macrogrid
 Behavior of Two Capstone 30kW Microturbines Operating in
Parallel with Impedance Between Them
 Microgrid: A Conceptual Solution


Estado del arte
Proyectos Europeos que han trabajado en Microgrids
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

MICROGRID – Large Scale
Integration of micro-generation
to low Voltage Grid
(1/1/2003 – 31/12/2005)
More Microgrids – Advanced
Architectures and Control Concepts For
More Microgrid
(1/1/2006 – 31/12/2009)
Crisp – distributed intelligence in critical
infrastructure for sustainable power
(CRISP)
(1/10/2002 – 30-6/2006)
DISPOWER – Distributed Generation with
High Penetration of Renewable Energy
Sources
(1/1/2002 – 31/12/2005)
FENIX - Flexible electricity networks to
integrate the expected “energy evolution”
(1/10/2005) – (30/9/2009)


Estado del arte
The Netherlands

United Kingdom

Romania

France

Athens

Spain Germany Austria Italia


Estado del arte

Control de Microgrid
DNO MO

MGCC MGCC MGCC

LC LC LC LC LC LC LC LC LC

DG DG R DG DG R DG DG R

Microgrid 1 Microgrid 2 Microgrid n

I. Distribution Network Operator (DNO): Funcionamiento técnico
III. Market Operator (MO): Operaciones de mercado
IV. Microgrid Central Controller (MGCC): Funcionamiento de la Microgrid.
IV. Local Controllers (LC): Controladores. [Dimeas y Hatziargyriou, 2005]


ESTRUCTURA DE UNA MICROGRID

Control de Microgrid (LC)

Compartir potencia:

Publica
3ф 230V / 50 Hz
Red
INVERSOR N

INVERSOR 1
INVERSOR 2

PCC

Conexión
red
Uno de los mayores problemas que estos
sistemas pueden afrontar esta en compartir
Load control la potencia entre generadores y consumidores
sin comunicaciones entre ellos

CARGAS
Fuente de Fuente de Fuente de
energía energía energía
renovable renovable renovable

BATERIA


Controlador local (LC)


Inversor

Filtro
Vref  Vsent 

Controladores internos:
• Lazo de control de voltaje
• Lazo de control de corriente

 Curva Droop P
 vs P Filtro Low Calculo
V Curva Droop Q Pass de P y Q
V vs Q


Controlador local (LC)


“Curvas Droop”


Microgrid conectada a la Red eléctrica publica


Microgrid en modo aislado

 
I1 I2
Z3
 
Renewable

Renewable
Source 1

Source 2
 
V1 Z1 Z2 V2

Inverter 1 Filter 1
  Filter 1 Inverter 2

 
I1 I2
Z3
f PQ   0  k p P ,V   ,V   0  k p P PQ f
s f V  V0  kvQ V  V0  kvQ s f
Z1 Z2
Pi Qi
    Pi Qi
I1 I2 Idq
Vd I d  Vq I q Idq  Vd I d  Vq I q
Vd I q  Vq I d PLL 
PLL  Vd I q  Vq I d
  Vdq
Vdq V V2
1



A Mathematical model
 
I1 I2
Z3
 
Renewable

Renewable
Source 1

Source 2
 
V1 Z1 Z2 V2

Inverter 1 Filter 1

f
Ps   Pi s 
Pi s   Vd I d  Vq I q s f
Qi s   Vd I q  Vq I d f
Qs   Qi s 
s f



 
I1 I2
Z3
 
Renewable

Renewable
Source 1

Source 2
 
V1 Z1 Z2 V2

Inverter 1 Filter 1

  0  k p P

V  V0  kv Q

droop curves (f vs P and V vs Q)



 
I1 I2
Z3
 
Renewable

Renewable
Source 1

Source 2
 
V1 Z1 Z2 V2

Inverter 1 Filter 1

f
Ps   Pi s 
s f    f   k p f  P
 i

f V   f V  kv f  Qi

Qs   Qi s 
s f



working in the time domain
   f   k p f  P
 i

V   f V  kv f  Qi



V  Vd  jVq

Vq  V sin   Vq 
  arctan 
 

Vd  V cos   Vd 



working in the time domain
   f   k p f  P
 i

V   f V  kv f  Qi


 
VqVd  Vd Vq
    
Vd  Vq
2 2
V  Vd  jVq

Vq  V sin 
V  Vd  Vq  Vq 
2 2
  arctan 
 

Vd  V cos   Vd 





   f   k p f P


 k p f Vd
Vd   f Vd  Vq  Q
 V

  V   V   k v f Vq Q
Vq

d f q
 V

We have a set of equations which describe the behavior of each
inverter



The whole system
1   f 11  k p1 f 1 P
 1

V   V   V  k p1 f 1Vd 1 Q

 d1 f 1 d1 1 q1
V1
1


 k v1 f 1Vq1
Vq1  1Vd 1   f 1Vq1  Q1
 V1

 2   f 2 2  k p 2 f 2 P2


   V   V  k p 2 f 2Vd 2 Q
Vd 2

f 2 d2 2 q2 2
V2

V   V   V  k v 2 f 2Vq 2 Q

 q2 2 d2 f 2 q2
V2
2




The network  
I1 I2
Z3
 
Renewable

Renewable
Source 1

Source 2
 
V1 Z1 Z2 V2

Inverter 1 Filter 1

 I1d   G11  B11  G12 B12  Vd 1 
  I    
 I1  Y1  Y3  Y3   E1   1q    B11 G11  B12  G12  Vq1 

        I 
 I 2    Y3 Y2  Y3   E2 
 2d  G12 B12 G22  B22  Vd 2 
    
 I 2 q   B12
   G12 B22 G22  Vq 2 
 



 System 
I1 I2
Z3
 
Renewable

Renewable
Source 1

Source 2
 
V1 Z1 Z2 V2

Inverter 1 Filter 1

Variable Value unit
Line transmission (Z3) 0.5+3i Ω
Local load (Z1) 13+6i Ω
Local load (Z2) 25+13i Ω
Cut-off freq. of measuring filter (ωf) 37.7 rd/s
Frequency droop coefficient (kp) 0.0005 rd/s/W
Voltage droop coefficient (kv) 0.0005 V/VAR
Nominal frequency 377 rd/s




Eigenvalues of lineal system

X  A X

~ ~
 
 37.7  0.466  0.936 0 0.157 0.944
 0  36.57  0.217 0  0.94 0.157
 
 154.5 0 0 0 0 0 
A 
 0 0.097  0.956  37.7  0.34  0.97
 0  0.954 0.097  9.86  36.5  2.42
 
 0
  0.061 0.006 154.9  2.32  0.15


1  0; 2  10.8; 3  26.9; 4  35.7 5  37.7; 6  37.5;


Resultados

Un sistema Microgrid con dos inversores de 15KVA trabajando con
la red eléctrica
Flujo de potencia en la Microgrid
20

15

10

5
Potencia (kW)

0

-5

-10
Generador 15kVA
Generador 15kVA
-15
Carga
Red Electrica Publica
-20
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
Seg (s)


Resultados
Sistema aislado de dos generadores compartiendo potencia

Potencias en la Microgrid Variación de la frecuencia
3500 378.6

378.4
378.5
3000
377.05

Frecuencia (Rd/s)
378.2 378

2500 377
378 377.5
Potencia (W)

377 376.95
377.8
2000

376.5 376.9
377.6 0 1
1500 376.85
377.4 4.5 5.5

1000 377.2

P Generador 1
377
500 P Generador 2
Q Generador 1 376.8
Q Generador 2
0
0 2 4 6 8 10 376.6
0 2 4 6 8 10
Tiempo (s)
Tiempo (s)


Resultados

Lugar geometrico de las raices Lugar geometrico de las raices
40 60

30
40

20
1 mH

20
10 10mH
10mH
1 mH
0 0

-10
10mH -20

-20

1 mH -40
-30

-40
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 -60
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

Variación de la inductancia de transmisión en la Variación de los parámetros kp y kv de las curvas
Microgrid droop


Conclusiones

Se ha mostrados varias configuraciones de Microgrids basadas en convertidores
DC/AC operando en dos modos diferentes, un primer modo conectada a la red
eléctrica pública y un segundo modo aislada.

En cada modo de operación se maneja consignas diferentes, de esta forma
cuando la Microgrid está conectada la red eléctrica pública los generadores dan la
máxima potencia posible y cuando la Microgrid está aislada se comparte la
potencia por medio de las curvas droop.

Se ha encontrado un modelo de pequeña señal de una Microgrid en modo
aislado que permite estudiar la estabilidad del sistema.

Este modelo no tiene en cuenta los lazos de control internos de corriente y
voltaje de cada inversor ni la frecuencia de conmutación interna de los IGBT’s. El
omitir estos parámetros permite una mejor compresión del funcionamiento del
sistema.


MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCION !!!


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