Control of grid connected power converters with grid support functionalities

The installation of power generation systems based on renewable energy sources has been increasing exponentially over the last decades. However, in spite of the well-known merits of such energy sources, the expansion of renewable-based generation (RG) plants, which interface the grid through power converters, can produce also negative impacts on the electrical grid, due to its power processing mechanism, which is different from traditional generation plants. In fact, the regulation capability of the grid can decrease as much as the share of the RG increases. To avoid this, power conversion systems belonging to RG plants are requested to be more grid-friendly, and responsive to the electrical network conditions. In this way, they can contribute to the electrical network stability as other generation does, instead of behaving as simply grid-feeding systems focused on injecting as much power as possible.This PhD dissertation is focused on the control of grid-connected power converters with grid support functionalities based on the Synchronous Power Controller (SPC) concept. The SPC is an established solution for controlling grid connected power converters and equipping them with emulated and improved synchronous machine characteristics. In addition to the general goal of improving the grid interaction of the RG plants, grid support functionality stands as a main property among the characteristics given by the SPC. In this dissertation the virtual admittance structure, contained in the electrical block of the SPC, which emulates the stator output impedance of the synchronous machines, is analyzed. Moreover, it is extended to a study case where the admittance value can be different for positive- and negative-sequence components. The designed virtual admittance block contains three branches, which are responsible for positive-sequence current injection, negative-sequence current injection and other harmonic components, respectively. The converter¿s performance under asymmetrical grid fault is especially considered in this case.The analysis and arrangements in the design of the SPC¿s power loop controller is another contribution of this research. Other methods that consider synchronous machine emulation normally construct the controller by reproducing the synchronous generation swing equation. Based on the virtual implementation, which is free from mechanical constraints, one can set a proper damping factor achieving thus better dynamics compared to the traditional synchronous machines. However, the increase of the damping factor changes the inherent power-frequency (P-f) droop characteristics, which may lead to undesired deviations in the active power generation. In the framework of this PhD, a method that modifies the conventional swing equation emulation and lets the inherent P-f droop characteristics be configurable, independently of the inertia and damping characteristics, is proposed.The work presented in this dissertation is supported by mathematical and simulation analysis. Moreover, in order to endorse the conclusions achieved, a complete experimental validation has been conducted. As it will be shown, the performance of the SPC has been validated in tests once the main parts, namely virtual admittance and power loop controller, and other parts are settled. The simulation and experimental test scenarios include events like changes in the power operation point, frequency sweeps, voltage magnitude changes, start-up and parallel converters operation, which are given under different control configurations like the different structures for the power loop controller and different control parameters. This PhD research also compares the transient performance of the SPC-based power converters with the ones achieved with conventional control methods. Los convertidores de potencia conectados a la red actúan comúnmente como interfaz entre plantas de generación basadas en energía renovable y la red eléctrica, permitiendo así el procesado de energía eólica y fotovoltaica y su inyección a red. El control de estos convertidores conectados a la red ha sido objeto de estudio en las últimas décadas, ya que su comportamiento y prestaciones influye de forma determinante tanto en la calidad de la red eléctrica, así como en el cumplimiento de los requisitos de conexión a la red fijados por los códigos de red. Junto con la expansión de las plantas de generación de energía renovable, su impacto en el sistema eléctrico ha crecido también, lo cual ha hecho que se lleven a cabo muchos trabajos de investigación orientados a armonizar la penetración de renovables con la estabilidad de la red. Con los sistemas de control actuales la capacidad de regulación de la red disminuye tanto como la proporción de la generación renovable aumenta. En las redes eléctricas del futuro, se espera que los convertidores de potencia, que actúan como interfaz, exploten sus posibilidades de cómputo y control permitiendo mejorar la interacción de la generación renovable con la red. En este contexto los controles de tipo “droop control”, los cuales son ampliamente utilizados en sistemas de generación tradicionales, se pueden aplicar a los convertidores conectados a red para habilitar funciones de soporte de red, ya que estos contribuyen al control de tensión y frecuencia primaria ajustando el intercambio de potencia activo y reactiva de forma proporcional a la desviación de la frecuencia y magnitud de la tensión en el punto de conexión. En el caso de regulación de frecuencia, y para que este sea bidireccional, el convertidor puede interactuar con la red con la ayuda de sistemas de almacenamiento de energía. Sin embargo, la inclusión del “droop control” no conlleva una solución global. Incluso si se ajusta de forma óptima y se dispone de reserva de energía, aún hay cuestiones como la respuesta inercial que no se pueden dar con este tipo de control. La generación en los sistemas tradicionales se lleva a cabo principalmente por generadores síncronos. Comparados con estos, los convertidores conectados a la red difieren principalmente en la falta de la característica electromecánica. En consecuencia, la estática y la dinámica de las unidades de generación de energía renovable son diferentes en comparación con los generadores síncronos. La dinámica de estos convertidores es altamente dependiente de los sistemas de sincronización (PLL), cuyo comportamiento se degrada en condiciones de red adversas o distorsionadas. Además, el control de potencia normalmente depende control de potencia instantáneo. Debido a las diferentes dinámicas, la inercia total en la red no aumenta junto con la integración de las energías renovables. Sin embargo, los códigos de red han incluido requerimientos tales como “inercia sintética" en los requisitos. Otras deficiencias del control del convertidor convencional incluyen el rendimiento inferior bajo condiciones de avería de red, en conexión de red débil y conexión de red de relación X / R baja. Esta tesis doctoral estudia y valida el control de los convertidores conectados a la red con funcionalidades de soporte de red. El objetivo general del trabajo es mejorar las características de interacción de la red de las plantas de generación de energía renovable mediante la especificación de los convertidores conectados a la red con características de la máquina síncrona emulada y mejorada. La tesis ha aportado contribuciones o ha mostrado originalidades en los siguientes aspectos: Un enfoque de ajuste de bucle de control de corriente interno generalizado; Diseño detallado y validación de la admisión virtual para convertidores conectados a la red; Diseño detallado y validación del circuito de control de potencia para la emulación de inercia y amortiguación.