Modeling, control and design of AC microgrids in islanded mode

Abstract

The present doctoral thesis is focused on the analysis and design of control strategies for the secondary control layer of islanded AC microgrids without the use of communications. The work is submitted as a compendium of publications, composed by journals and international conference papers.

The first contribution is a control strategy for the secondary control layer based on a switchable configuration, that does not require the use of communications. For stability analysis purposes, a closed-loop system modeling is presented, which is also used to determine design considerations for the control parameters.

The second contribution is a complementary control strategy that improves the frequency regulation of the previous proposed control, using a dynamic droop gain in the primary layer. For this purpose, a time protocol that drives the variable parameters is proposed which guarantees an effectively reduction of the maximum frequency error without relying on complex techniques, maintaining the simplicity of the basis strategy and the non-use of communications.

The third contribution is a multi-layer hierarchical control scheme that is composed by a droop-based primary layer, a time-driven secondary layer and an optimized power dispatch tertiary layer. The proposed control guarantees an excellent performance in terms of frequency restoration and power sharing.

The fourth contribution is an improved secondary control layer strategy without communications, which presents superior operating performance compared with the previous proposals. The scheme is based on a event-driven operation of a parameter-varying filter which ensures perfect active power sharing and controllable accuracy for frequency restoration. A complete modeling that considers the topology of the MG and the electrical interaction between the DGs is derived for the stability analysis and to determine design guidelines for the key control parameters.

For the purpose of analyzing and verifying the operational performance of the control schemes, an experimental MG was implemented, where selected tests were carried out. The obtained results are discussed and its relation with the doctoral thesis objectives analyzed. The thesis ends presenting conclusions and future research lines.

La presente tesis doctoral se enfoca en el análisis y diseño de estrategias de control para la capa de control secundaria en microrredes aisladas de corriente alterna, sin el uso de comunicaciones. El trabajo se presenta en la modalidad de compendio, por lo que está compuesto por publicaciones previamente aceptadas en revistas y congresos científicos internacionales. La primera contribución es un estrategia de control para la capa secundaria basada en una configuración conmutable, que no requiere el uso de comunicaciones. Con el propósito de analizar la estabilidad, se presenta el modelado del sistema de lazo cerrado, que también es usado para determinar reglas de diseño de los parámetros de control. La segunda contribución es una estrategia de control complementaria que mejora la regulación de frecuencia de la propuesta anterior, usando una ganancia dinámica en la capa de control primaria. Se propone la variación de los parámetros siguiendo un protocolo de tiempo, garantizando la reducción del error máximo de frecuencia sin depender de técnicas complejas, manteniendo la simplicidad de la estrategia base y sin requerir comunicaciones. La tercera contribución es un esquema de control jerárquico compuesto por una capa primaria basada en el método de la pendiente, una capa secundaria controlada por un protocolo de tiempo y una capa terciaria que optimiza el despacho de potencias. El control propuesto garantiza un excelente desempeño en términos de la regulación de la frecuencia y la compartición de potencias. La cuarta contribución es una estrategia de control para la capa secundaria que no usa comunicaciones, la cual presenta un comportamiento operativo superior comparado con las propuestas anteriores. El esquema está basado en una operación controlada por eventos, de un filtro con parámetros variables que garantiza una perfecta compartición de potencias y una precisa restauración de frecuencia. Además, para el análisis de la estabilidad y la determinación de pautas de diseño de los parámetros se presenta un modelo que considera la topología de la microrred y las interacciones eléctricas de los generadores. Con el objetivo de analizar y verificar el desempeño operativo de los esquemas de control, se implementó una microrred experimental donde se llevaron a cabo las pruebas requeridas. Se discutieron los resultados obtenidos y se analizó su relación con los objetivos de la tesis doctoral. El documento termina presentado las conclusiones así como futuras líneas de investigación