Synchronization and control methods for advancing the grid side converter of Renewable Energy Sources

Abstract

Η αύξηση στην τιμή καθώς και το περιβαλλοντικό αντίκτυπο των ορυκτών καυσίμων έχουν εγείρει το ενδιαφέρον για τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ), ειδικά όσο αφορά τις ανεμογεννήτριες και τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Η τεχνολογία κλειδί για να επιτρέψει την ιδιαίτερα υψηλή διείσδυση ΑΠΕ είναι ο αντιστροφέας (μετατροπέας ισχύος βασισμένος σε ηλεκτρονικά ισχύος), που είναι υπεύθυνος για την ορθή διασύνδεση των ΑΠΕ με το δίκτυο ηλεκτροδότησης. Επομένως, η βελτίωση της λειτουργίας του αντιστροφέα ισχύος αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση ώστε οι ΑΠΕ να επιτύχουν: την ορθή λειτουργία υπό οποιεσδήποτε συνθήκες λειτουργίας του δικτύου, να εναρμονιστούν με τις πρόσφατους κανονισμούς δικτύου σχετικά με την διασύνδεση ΑΠΕ, και να προσφέρουν την απαραίτητη στήριξη στο δίκτυο όποτε χρειάζεται. Η συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή έχει ως κύριο στόχο την ενίσχυση αντιστροφέα ισχύος όσο αναφορά την λειτουργία κατά την διάρκεια βραχυκυκλωμάτων καθώς και την ποιότητα της εγχεόμενης ισχύος. Η ενίσχυση του αντιστροφέα δύναται να επιτευχθεί βελτιώνοντας τα κύρια υποσυστήματα της μονάδας ελέγχου του. Ο ελεγκτής του αντιστροφέα βασίζεται στη μέθοδο συγχρονισμού, στον ελεγκτή ρεύματος και στον ελεγκτή ισχύος. Η απόκριση της μονάδας συγχρονισμού επηρεάζει άμεσα την λειτουργία των λοιπών υποσυστημάτων του ελεγκτή καθώς και την λειτουργία του αντιστροφέα και κατ’ επέκταση την λειτουργία του συστήματος ΑΠΕ. Επομένως, η διατριβή εστιάζει ιδιαιτέρως στην βελτίωση της μεθόδου συγχρονισμού και προτείνει νέες μεθοδολογίες συγχρονισμού (για μονοφασικούς και τριφασικούς αντιστροφείς). Οι προτεινόμενες μεθοδολογίες συγχρονισμού επιτυγχάνουν την ταχύτατη και υψηλής ακριβείας απόκριση υπό οποιεσδήποτε συνθήκες του δικτύου στο σημείο διασύνδεσης. Επιπλέον, ένα νέος ελεγκτής ρεύματος έχει υλοποιηθεί για την ορθή ρύθμιση των εγχεόμενων ρευμάτων του αντιστροφέα όταν η τάση στο σημείο διασύνδεσης είναι αρμονικά παραμορφωμένη ή παρουσιάζει βυθίσεις λόγω σφαλμάτων. Επίσης, προηγμένες μεθοδολογίες έχουν προταθεί για τον ελεγκτή ισχύος ώστε να επιτυγχάνεται η ορθή λειτουργία του αντιστροφέα κατά την διάρκεια βραχυκυκλωμάτων. Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαιώνουν ότι οι προτεινόμενες μεθοδολογίες για τον συγχρονισμό και έλεγχο του αντιστροφέα μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την λειτουργία του αντιστροφέα και επομένως και του συστήματος ΑΠΕ, όσο αναφορά την ποιότητα της εγχεόμενης ισχύος καθώς και την ορθή και δυναμική απόκριση του συστήματος κατά την διάρκεια βραχυκυκλωμάτων στο δίκτυο. Σύμφωνα με μελέτες που έχουν γίνει στα πλαίσια της διατριβής, καταδεικνύεται ότι η βελτίωση της λειτουργίας του αντιστροφέα από τις προτεινόμενες μεθοδολογίες επιφέρει ευεργετικά αποτελέσματα στην αυξημένη διείσδυση των ΑΠΕ λόγω της προηγμένης τους λειτουργιά και στην ενίσχυση της ευστάθειας και την ποιότητα ισχύος ολόκληρου του συστήματος ηλεκτροδότησης. Επιπλέον, στην διατριβή αυτή περιλαμβάνεται μελέτη για διαφορετικές στρατηγικές ελέγχου των ΑΠΕ κατά την διάρκεια βραχυκυκλωμάτων στο δίκτυο. Η μελέτη καταδεικνύει κάποια προβλήματα που μπορούν να προκληθούν στην λειτουργία των ΑΠΕ κατά το βραχυκύκλωμα τα οποία μπορούν να απειλήσουν την ευστάθεια του συστήματος ηλεκτροδότησης και προτείνονται τρόποι αντιμετώπισης. Σε γενικές γραμμές, η διατριβή προτείνει διάφορες τεχνικές οι οποίες μπορούν να βελτιώσουν την λειτουργία του αντιστροφέα και την διασύνδεση των ΑΠΕ. Οι προτεινόμενες μεθοδολογίες επιδρούν ευεργετικά στη βελτίωση της λειτουργία ενός συστήματος ΑΠΕ, στην ενίσχυση της ευστάθειας και της ποιότητας ισχύος του συστήματος ηλεκτροδότησης, και στη δημιουργία εχεγγύων για την αύξηση της διείσδυσης των ΑΠΕ, το οποίο είναι ιδιαίτερα επωφελές για το περιβάλλον.

The increasing price and the environmental impact of fossil fuels have grown the attention to modern Renewable Energy Sources (RES), such as wind and solar systems. The key technology for enabling a high penetration of RES is the power electronic based Grid Side Converter (GSC), which is responsible for the proper injection of the produced energy into the power grid. Thus, there is a need to advance the operation of the GSC to ensure that RES will be able to meet the modern grid regulations, to operate properly under any grid conditions, and to ensure the support to the grid when needed. The main objective of this Ph.D. dissertation is to enhance the performance of the GSC with regards to its Fault Ride Through (FRT) operation and to its power quality, through the improvement of the main units of the GSC controller. The design of the GSC controller is based on a fast and robust synchronization method, an advanced current controller, and a power controller enhanced with FRT capabilities. The most crucial aspect of the control of a grid-connected RES is the synchronization method. Thus, this Ph.D. dissertation proposes several single- and three-phase synchronization methods that can achieve a fast and accurate response under any grid conditions. Further, a current control that enables a proper operation under grid faults is proposed and some advanced methodologies for enabling the FRT operation of GSC are suggested. The proposed methodologies are directly applied to the GSC controller and it has been experimentally proved that the proposed methods for the synchronization and control of the GSC can improve the performance of RES, in terms of dynamic and FRT operation, as well as enhancing the quality of the injected currents. Investigations performed depict significant impacts from advancing the performance of the GSC. For example, the improved operation of the GSC enables a higher penetration of RES and enhances the power quality and stability of the power system under an increased penetration of RES. In addition to the above contributions, a benchmarking study of different fault ride through strategies for RES has been performed on a dynamic test power system, where some issues have been highlighted and modifications are proposed for the current grid regulations in order to improve the system stability. Further, a centralized control methodology for RES has been suggested to enhance the voltage stability of the power system by utilizing the improved capabilities of RES.