Provision of ancillary services by grid-tied inverters

Abstract

The growing share of renewable energy sources (RESs) in the electricity generation mix is mostly driven by the environmental concerns and governmental climate targets for reducing greenhouse gas emissions. However, the increasing penetration of RES imposes substantial challenges for the operation of the power system in terms of stability, power quality, and efficiency. This dissertation aims to enhance power system operation through improved functionalities of grid-tied inverters that are used for integrating RESs and energy storage systems (ESSs) to the grid. In this context, a coordinated voltage-frequency support strategy is developed for ESS inverters connected in distribution grids to provide fair and tailor-made support for distribution grids during grid faults. This thesis also proposes several control methods for providing and coordinating various ancillary services by the grid-tied inverters to improve the power quality and efficiency of the distribution grid. A flexible building level coordination strategy is developed for photovoltaic (PV) inverters to adaptively share the provision of reactive power compensation, phase balancing and harmonic compensation according to the loading characteristics of the building. In addition, the coordination strategy has been extended at grid level, where compensation is applied at the distribution substation, where a central controller coordinates the provision of ancillary services for several PV inverters. Further, a centralized control scheme is developed specifically tailored for the requirements of long distribution feeders, to address the challenges arising from non-synchronized communication and long feeders, as well as the unfair utilization of the grid-tied inverters leading to unfair degradation. Furthermore, an advanced decentralized methodology is developed to compensate current asymmetries and harmonics by PV inverters, allowing a plug-and-play operation. This thesis also proposes a junction temperature controller to limit the degradation of PV inverter lifetime and improve its reliability while providing ancillary services. Simulation and experimental results validate the effectiveness of all the proposed solutions for ensuring the proper operation of power electronics converters and for investigating the grid-level impact on power quality, stability and efficiency.

Το αυξανόμενο μερίδιο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) στο μείγμα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας οφείλεται κυρίως στις περιβαλλοντικές ανησυχίες και τους κλιματικούς στόχους των κυβερνήσεων για τη μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Ωστόσο, η αυξανόμενη διείσδυση των ΑΠΕ επιβάλλει σημαντικές προκλήσεις για τη λειτουργία του ηλεκτρικού συστήματος όσον αφορά την ευστάθεια, την ποιότητα ισχύος και την αποδοτικότητα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στη βελτίωση της λειτουργίας του ηλεκτρικού συστήματος μέσω ενίσχυσης του αντιστροφέα ισχύος, ο οποίος χρησιμοποιείται για την ενσωμάτωση των ΑΠΕ και των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας (ΣΑΕ) στο δίκτυο. Σε αυτό το πλαίσιο, αναπτύχθηκε μια συντονισμένη στρατηγική υποστήριξης τάσης-συχνότητας για τους αντιστροφείς ΣΑΕ ώστε να παρέχουν δίκαιη υποστήριξη για τα δίκτυα διανομής κατά τη διάρκεια βραχυκυκλωμάτων. Η παρούσα διατριβή προτείνει επίσης αρκετές μεθόδους ελέγχου για την παροχή και τον συντονισμό διαφόρων επικουρικών υπηρεσιών από τους αντιστροφείς ισχύος για τη βελτίωση της ποιότητας ισχύος και της αποδοτικότητας του δικτύου διανομής. Αρχικά, αναπτύχθηκε μια ευέλικτη στρατηγική συντονισμού για αντιστροφείς φωτοβολταϊκών (ΦΒ) σε επίπεδο κτιρίου ώστε να μοιράζονται προσαρμοστικά την παροχή επικουρικών υπηρεσιών σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά φόρτωσης του κτηρίου. Ακόμη, ο στρατηγικός συντονισμός των επικουρικών υπηρεσιών έχει επεκταθεί και στο επίπεδο δικτύου. Επιπλέον, αναπτύχθηκε ένα κεντρικό σύστημα ελέγχου που προσαρμόζεται ειδικά στις απαιτήσεις μακρινών αναχωρήσεων, για την αντιμετώπιση των προκλήσεων που προκύπτουν από τη μη συγχρονισμένη επικοινωνία και τα μακρινά ακτινωτά δίκτυα. Επιπρόσθετα, αναπτύχθηκε μια αποκεντρωμένη μεθοδολογία ελέγχου για την αντιστάθμιση ασυμμετριών ρεύματος και αρμονικών από αντιστροφείς ΦΒ. Τέλος, η διατριβή προτείνει ένα ελεγκτή θερμοκρασίας για τον περιορισμό της γήρανσης του αντιστροφέα ΦΒ, ενώ παρέχει επικουρικές υπηρεσίες. Οι προσομοιώσεις και τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων λύσεων και την επίδραση τους στην ποιότητα ίσχύος, την ευστάθεια και την αποδοτικότητα του δικτύου.