Control contributions to AC microgrid inverters
Authors:   , Heredero Peris Daniel 
Published: July 2023

This thesis is focused on the microgrid control framework. Specifically, it is concentrated on alternative current microgrids. As a result of the author involvement in different industrial projects concerning microgrids during the last years, the goal of the thesis is to apply and expose the acquired experiences for exploring new control possibilities. The followed methodology is detailed in the next lines.

Primarily, the thesis presents two chapters whose purpose is to introduce the concept of operation and to analyse the context and challenges posed by microgrids from a top to bottom approach. The first chapter is oriented in general terms while the second one devotes more efforts in the alternative current microgrids particular case. After identifying the different actors that play an key role in the alternative current microgrids it is disclosed that the inverter becomes a key element. In this sense, the first two chapters allows to pave the way addressing how an inverter installed in an alternative current microgrid can be considered and operated. In this direction, the named grid-tied operation mode reflects the most complex configuration. Considering that the scope of the thesis is focused on voltage source inverters, the grid-tied configuration may not only consider the grid-connected or grid-disconnected operation mode but also the transients between them. Thus, important challenges such as the inverter operation itself, the anti-islanding detection capability according to the behaviour of the inverter and the galvanic isolation restriction in a microgrid framework are dealt.

The control of the voltage source inverters operated in an alternative microgrid results crucial. For this reason, a full chapter carries out a study proposing and delving into various type of controllers according to different possibilities exposed in the literature. It is conducted a stability analysis for stationary reference frame resonant current and voltage controllers. The chapter concludes with a new hybrid formulation based on fractional calculus and conventional resonant control. This novel formulation allows to enhance the controllable frequency bandwidth range decreasing inter-harmonic excitations and reducing the controller order in respect with other classical formulations.

The fourth and fifth chapters are involved into discussing and presenting different operation options when the inverter is considered as a current or as a voltage source. The fourth chapter poses over how to tackle the problem of transients when a current source grid-tied inverter is assumed while grid-connected operated. Two situations are studied; the flying transference from current to voltage source and how to extend the maximum power point extraction when a back-up system supports the inverter operation. A set of different scenarios conducted in simulation and in a real experimental platform complements the two considered situations.
The fifth chapter analyses the operation of the inverter from an opposite perspective. The considered inverter is operated by using a hybrid combination between alternative current droop control strategy when grid-connected and voltage-frequency control when grid-disconnected. In this way it is possible to preserve dynamics capabilities in both operation modes meanwhile the inverter is treated as a voltage source in any case. A predominant resistive model applying virtual resistance is considered for the case of alternative current droop control. For both operation modes an LCL-type coupling filter is assumed, complementing the control strategy with an active damping mechanism to mitigate possible resonances. Then, a three-phase four-wire four-leg inverter is proposed to match better with a proper approximation to an AC microgrid with over-load supervisor when grid-connected and sinusoidal short-circuit proof when grid-disconnected operated
Aquesta tesi s'emmarca en el control de microxarxes. Específicament, es focalitza en microxarxes de corrent altern. La tesi es divideix en sis capítols principals que permeten afrontar amb èxit els reptes considerats per l'operació d'una microxarxa de corrent altern. En primer lloc, la tesi presenta dos capítols el propòsit dels quals és introduir el concepte d'operació i analitzar el context i els reptes que planteja una microxarxa des d'una aproximació de dalt a baix. El primer capítol està orientat als conceptes generals, mentre que en el segon es dediquen més esforços als detalls del cas particular de les microxarxes de corrent altern. Després d'identificar els diferents actors que juguen un paper important en les microxarxes de corrent altern se'n despren que l'inversor n'esdevé clau. Els dos primers capítols permeten entendre de quina forma un inversor instal·lat en una microxarxa de corrent altern pot ser considerat i operat. En aquest sentit, el mode de funcionament anomenat -lligat a la xarxa- reflexa la configuració més complexa a tenir en compte. Tenint present que l'abast de la tesi es centra en els convertidors de font de tensió, en la configuració lligada a la xarxa s'ha de considerar, no sols, el mode de funcionament connectat a la xarxa o desconnectat, sinó, també, el transitori entre ells. Per tant, es tracten importants reptes com ara poden ser la seva operació, la capacitat de detecció d'illa d'acord amb el comportament de l'inversor i la restricció d'ús d'aïllament galvànic en el marc de les microxarxes. El control dels inversors de font de tensió utilitzats per operar una microxarxa de corrent altern resulta crucial. Per aquesta raó, es porta a terme un estudi proposant i aprofundint en diversos tipus de controladors d'acord amb l'exposat en la literatura. En aquest capítol es porta a terme una anàlisi d'estabilitat pel cas de controladors ressonants de corrent i voltatge en el marc de la referència estacionaria. El capítol conclou amb una nova formulació híbrida basada en el càlcul fraccional i el control ressonant convencional. Aquesta nova formulació permet millorar el rang d'ample de banda en freqüència controlable disminuint les excitacions inter-harmòniques i reduint, al seu torn, l'ordre del controlador respecte d'altres formulacions clàssiques. Els capítols quart i cinquè estan involucrats en la discussió i la presentació de diferents opcions d'operació quan l'inversor es considera com una font de corrent o de tensió. El quart capítol planteja com abordar el problema dels transitoris quan es suposa que un inversor lligat a la xarxa opera com a font de corrent mentre es troba connectat a la xarxa. S'estudien dos situacions; la transferència al vol de font de corrent a voltatge i la forma d'extendre l'operació des del punt de màxima potència quan s'admet un sistema d'emmagatzematge com a suport en l'operació de l'inversor. El cinquè capítol analitza el funcionament de l'inversor des d'una perspectiva oposada. L'inversor considerat funciona mitjançant l'ús d'una combinació híbrida entre l'estratègia de control droop per microxarxes de corrent altern quan es troba connectat a la xarxa i el control de voltatge-freqüència quan es troba desconnectat. Així, és possible preservar capacitats dinàmiques en els dos modes de funcionament mentre que l'inversor és tractat com una font de tensió en ambdós casos. Pel cas concret del droop aplicat a xarxes de corrent altern s'ha fet ús d'un model predominantment resistiu aplicant el concepte de resistència virtual. Els dos modes de funcionament consideren l'ús d'un filtre d'acoblament del tipus LCL el control del qual es complementa mitjançant esmorteïment actiu per mitigar possibles ressonàncies. Així, es proposa un inversor trifàsic de quatre fils i quatre branques perquè coincideixi millor l'operació d'aquest amb una aproximació adequada a una microxarxa de corrent altern real amb capacitat de sobrecàrrega i curtcircuit controlats