Advanced current-limiting control of inverter-interfaced distributed energy resources to develop self-protected microgrids

Abstract

In the upcoming “smart grid” era, advanced control schemes are required for inverter-interfaced DERs to guarantee stability of inverter-dominated feeders and microgrids. Nevertheless, in many of the recently proposed methods, the safe and stable operation of inverters can not be analytically guaranteed under normal and abnormal grid conditions. In this thesis, single-phase grid-connected inverters are initially considered and an enhanced Current-Limiting Droop (CLD) controller is proposed. In contrast to the original CLD, which limits the inverter current under a lower value than its maximum during faults, the proposed controller fully utilizes the inverter capacity. An inherent current limitation is proven through nonlinear ultimate boundedness theory and is shown to facilitate the operation of Fault-Ride-Through (FRT) schemes. Furthermore, conditions for asymptotic stability of the closed-loop system are derived. Additionally, a new CLD scheme is proposed, which operates without the need of a PLL and introduces a virtual inertia property to DERs. In the sequel, three-phase grid-connected inverters are investigated and a new controller in the dq-frame is proposed to deal with FRT in three-phase systems. Initially, a novel method to divide the current into its symmetrical components during unbalanced faults is proposed. Hence, based on an adaptive bounded integral controller, the proposed scheme provides voltage support to both positive and negative sequences, while ensuring the current boundedness and asymptotic stability of the closed-loop system. In the final part of this thesis, the safe and stable operation of three-phase inverter-based microgrids is investigated. Particularly, an advanced controller is proposed to deal with extreme load conditions. Through the proposed scheme, the limitation of the inverter current during transients is guaranteed, without the need of online adaptation techniques. Furthermore, the proposed approach significantly simplifies the stability analysis of microgrids, since it can be investigated through a Jacobian matrix of reduced size.

Στην επερχόμενη εποχή των «έξυπνων ηλεκτρικών δικτύων», απαιτούνται προηγμένα σχήματα ελέγχου για τους διεσπαρμένους ενεργειακούς πόρους που συνδέονται στο δίκτυο μέσω αντιστροφέων, ώστε να διασφαλιστεί η ευστάθεια γραμμών τροφοδοσίας και μικροδικτύων που κυριαρχούνται από αντιστροφείς. Παρ’ όλα αυτά, σε πολλές πρόσφατες μεθόδους που έχουν προταθεί, η ασφαλής και ευσταθής λειτουργία των αντιστροφέων δεν μπορεί να εγγυηθεί αναλυτικά υπό κανονικές αλλά και μη κανονικές συνθήκες του δικτύου. Στην παρούσα διατριβή εξετάζονται αρχικά μονοφασικοί αντιστροφείς συνδεδεμένοι στο δίκτυο, και προτείνεται ένας βελτιωμένος ελεγκτής Current‑Limiting Droop (CLD). Σε αντίθεση με τον αρχικό CLD, ο οποίος περιορίζει το ρεύμα του αντιστροφέα σε τιμή χαμηλότερη από τη μέγιστη κατά τη διάρκεια σφαλμάτων, ο προτεινόμενος ελεγκτής αξιοποιεί πλήρως τη μέγιστη ισχύ του αντιστροφέα. Ένας εγγενής περιορισμός ρεύματος αποδεικνύεται μέσω της μη γραμμικής θεωρίας ultimate boundedness και παρουσιάζεται ότι διευκολύνει τη λειτουργία σχημάτων αδιάλειπτης λειτουργίας υπό σφάλμα (Fault‑Ride‑Through, FRT). Επιπλέον, προκύπτουν συνθήκες για ασυμπτωτική ευστάθεια του συστήματος κλειστού βρόχου. Περαιτέρω, προτείνεται ένα νέο σχήμα CLD, το οποίο λειτουργεί χωρίς την ανάγκη χρήσης βρόχου κλειδώματος φάσης (PLL) και εισάγει εικονική αδράνεια στους διεσπαρμένους ενεργειακούς πόρους. Στη συνέχεια, εξετάζονται τριφασικοί αντιστροφείς συνδεδεμένοι στο δίκτυο και προτείνεται ένας νέος ελεγκτής στο σύγχρονο σύστημα αναφοράς (dq) για την αντιμετώπιση των απαιτήσεων FRT σε τριφασικά συστήματα. Αρχικά, προτείνεται μια νέα μέθοδος διαχωρισμού του ρεύματος στις συμμετρικές του συνιστώσες κατά τη διάρκεια ασύμμετρων σφαλμάτων. Βάσει αυτής, και αξιοποιώντας έναν προσαρμοστικό φραγμένο ολοκληρωτικό ελεγκτή, το προτεινόμενο σχήμα παρέχει υποστήριξη τάσης τόσο στη θετική όσο και στην αρνητική ακολουθία, ενώ διασφαλίζει ταυτόχρονα τον περιορισμό του ρεύματος και την ασυμπτωτική ευστάθεια του συστήματος κλειστού βρόχου. Στο τελευταίο μέρος της διατριβής διερευνάται η ασφαλής και σταθερή λειτουργία τριφασικών μικροδικτύων βασισμένων σε αντιστροφείς. Συγκεκριμένα, προτείνεται ένας προηγμένος ελεγκτής για την αντιμετώπιση ακραίων συνθηκών φόρτισης. Μέσω του προτεινόμενου σχήματος, ο περιορισμός του ρεύματος του αντιστροφέα κατά τις μεταβατικές καταστάσεις διασφαλίζεται χωρίς την ανάγκη τεχνικών προσαρμογής ορίων. Επιπλέον, η προτεινόμενη προσέγγιση απλοποιεί σημαντικά την ανάλυση ευστάθειας των μικροδικτύων, καθώς μπορεί να εξεταστεί μέσω ενός πίνακα Jacobian μειωμένου μεγέθους.