Control strategies for improving power quality and PLL stability evaluation in microgrids

Abstract

En los últimos años, el interés por la protección del medio ambiente y la sostenibilidad energética ha aumentado de manera constante; este hecho ha promovido actividades de investigación y proyectos centrados en fuentes de energía renovable no convencional (ERNC) como reemplazo de los combustibles fósiles. En este contexto, las tecnologías basadas en ERNC ofrecen una solución para integrar recursos energéticos distribuidos donde se ha introducido el concepto Microred (MR) para facilitar la integración de un gran número de microgeneradores, unidades de almacenamiento de energía y cargas. Esta integración se logra utilizando convertidores basados en electrónica de potencia, y por lo tanto, hay un aumento en estos dispositivos en los sistemas modernos de energía eléctrica. La proliferación de convertidores de potencia afectará inevitablemente tanto la calidad de la energía como la estabilidad de los sistemas eléctricos que tienen interfaces basadas en estos dispositivos. En este contexto, dos cuestiones clave que deben abordarse son las siguientes: (i) los desequilibrios y armónicos inherentemente presentes en la MR debido a la naturaleza aleatoria de las cargas y (ii) dado que las microredes son sistemas débiles, la estabilidad entre el convertidor de potencia y el punto de acoplamiento común (PCC). Estas dos cuestiones críticas en microredes se estudian en esta tesis. El primero se analiza considerando sistemas de 4 hilos mientras que el último se estudia considerando un sistema balanceado de 3 hilos. Para gestionar los problemas de desequilibrio y armónicos en microredes de 4 hilos, se proponen dos enfoques. Primero, se propone una metodología novedosa basada en la aplicación de un filtro de potencia activa (APF, por sus siglas en inglés) de 4 hilos. El control del compensador se basa en la Teoría de la Potencia Conservativa (CPT). En el segundo enfoque, se propone un esquema de control cooperativo basado en la CPT para compartir desequilibrios y armónicos en sistemas trifásicos de cuatro hilos controlados mediante control droop. El comportamiento de los dos esquemas de control propuestos se demuestra mediante el uso de prototipos y utilizando las condiciones de operacion una microred real ubicada en Canadá. Para estudiar cómo la naturaleza débil de las MG afecta la estabilidad de la interfaz entre un convertidor y el PCC, se ha realizado un análisis de estabilidad centrado en el bucle de bloqueo de fase (PLL, por sus siglas en inglés), basado en una modelacion del sistema en coordenadas dq. El sistema estudiado corresponde a un convertidor de 3 hilos conectado a una red débil trifásica equilibrada. El rendimiento de este método se valida mediante la simulación con el software Plexim PLECS y se realiza una validación experimental.