Aportaciones al control corriente de convertidores VSC de sistemas eólicos conectados a redes eléctricas perturbadas
Authors:   , García Quintanilla José Ignacio 
Published: July 2023

With the increasing development of renewable energy sources and their integration into the grid, international standards require next-generation plants to achieve the same levels of reliability and performance as the current generation. As far as the wind power market is concerned, maintaining good growth prospects worldwide in the coming years requires manufacturers, if they want to be competitive, to develop wind power equipment with increasingly advanced grid integration features and be prepared to adapt to future grid regulations, which are becoming more restrictive as grid integration
progresses. Grid-connected power converters are designed with the objective of ensuring correct operation under generic grid voltage conditions and it is particularly important to design control structures that ensure robust and safe operation under transient grid conditions. In this sense, maintaining correct synchronization during disturbances is one of the most important aspects to be considered in the interaction between the converter and the grid. The main contributions of this thesis focus on two key areas. Firstly, a robust, fast and reliable phase tracking synchronization solution is proposed for voltage source converters with current control loop in grid-connected wind power systems, with the significant contribution of a new pre-filtering structure and the variable dynamics of the phase tracking loop. Secondly, the small-signal analysis of the synchronization system is proposed as a previous step to obtain the converter
impedance model, in the frequency domain, which is presented as a highly effective tool for the study of the instability associated with the dynamics of the synchronization system in weak grids.
The proposed synchronization structure has as main blocks the pre-filtering stage, consisting of a quadrature filtered signal generator, and a phase-locked loop based on vector operations on the voltages with an adaptive system that changes the response dynamics of the synchronization system. The system rejects disturbances, such as voltage harmonics or
unbalances, and improves transient stability in the case of grid faults, giving stable support to advanced current control techniques operating in conflicting grid scenarios, thereby meeting the transient operation requirements imposed by grid codes. Time-domain simulations of the synchronization structure in different chapters of this thesis represent the prerequisite step to its integration, testing and validation in a high-power test bench under transient grid conditions.
In relation to the contributions to the study of stability in weak grids, this work develops a small-signal impedance model of a commercial voltage source converter with current control in synchronous coordinates which, when implemented as a multiple-input multiple-output system in the d-q domain, characterises the effect of the dynamics of the synchronization system in the current control loop. Stability criteria based on converter passivity, Bode diagrams and the generalized Nyquist criterion are studied and applied to the converter-grid impedance model to identify the negative effect of the conventional synchronization system dynamics, supported by the synchronous reference system, on the converter stability under weak grid conditions. The small-signal model of the different elements of the proposed synchronization structure is developed and incorporated into the converter impedance model. The application of the stability criteria mentioned above shows the reduction of the stability problems.
Con el creciente desarrollo de las fuentes de energía renovable y su integración en la red, los estándares internacionales requieren que estas nuevas plantas de generación alcancen los mismos niveles de confiabilidad y desempeño que la generación convencional. En lo que respecta a los sistemas eólicos, los convertidores de potencia conectados a red se diseñan con el objetivo de garantizar un correcto funcionamiento bajo condiciones de tensión de red genéricas, siendo especialmente importante el diseño de estructuras de control que garanticen un funcionamiento robusto y seguro bajo condiciones transitorias de red. En ese sentido, mantener una correcta sincronización durante las perturbaciones es uno de los aspectos más importantes a considerar en la interacción entre el convertidor y la red eléctrica. Las aportaciones de esta tesis se centran en dos líneas principales. Por un lado, se propone una solución de sincronización con seguimiento de fase robusta, rápida y fiable para convertidores de fuente de tensión con lazo de control de corriente en sistemas eólicos conectados a red, con la aportación significativa de una nueva estructura de prefiltrado y la dinámica variable del lazo de seguimiento de fase. Y, por otro lado, se propone el análisis de pequeña señal de los sistemas de sincronización como paso previo a la obtención del modelo de impedancia del convertidor, en el dominio de la frecuencia, que se presenta como una herramienta muy eficaz para el estudio de la inestabilidad asociada a la dinámica del sistema de sincronización en redes débiles. La estructura de sincronización propuesta tiene como bloques principales la etapa de prefiltrado, consistente en un generador de señales filtradas en cuadratura, y una PLL (phase locked loop) basada en operaciones vectoriales sobre las tensiones con un sistema adaptativo que cambia la dinámica de respuesta del sistema de sincronización. El sistema proporciona rechazo de perturbaciones, como armónicos de tensión o desequilibrios, y mejora la estabilidad transitoria en caso de faltas en la red, dando soporte estable a técnicas de control de corriente avanzadas que operan en escenarios de red conflictivos, cumpliendo los requerimientos de operación en régimen transitorio impuestos por los códigos de red. Las simulaciones en el dominio del tiempo de la estructura de sincronización en diferentes capítulos de este trabajo, son el paso previo a su integración, ensayo y validación en un banco de pruebas de alta potencia bajo condiciones transitorias de red. En relación a las aportaciones para el estudio de la estabilidad en la conexión a redes débiles, este trabajo desarrolla un modelo de impedancia de pequeña señal de un convertidor comercial de fuente de tensión con control de corriente en coordenadas síncronas que, implementado como un sistema de múltiples entradas y múltiples salidas en el dominio d-q, caracteriza el efecto de la dinámica del sistema de sincronización en el lazo de control de corriente. Se estudian los criterios de estabilidad basados en la pasividad de convertidor, diagramas de Bode y el criterio generalizado de Nyquist y se aplican al modelo de impedancia de convertidor y red para identificar el efecto negativo de la dinámica del sistema de sincronización convencional, apoyado en el sistema de referencia síncrono, en la estabilidad del convertidor en condiciones de red débil. Se desarrolla el modelo de pequeña señal de los diferentes elementos de la estructura de sincronización propuesta y se incorpora al modelo de impedancia del convertidor. La aplicación de los criterios de estabilidad citados anteriormente evidencia la reducción de los problemas de estabilidad.