Control strategies formenhanced dynamic response in hybrid ac/dc microgids considering enery storage integration

Resumen

Esta tesis se centra en el control dinámico de microrredes híbridas AC/DC mediante el diseño de nuevas estrategias para una mejor respuesta dinámica. Las propuestas de este trabajo incluyen soluciones para el control de convertidores conectados a la red, el control primario de microrredes híbridas AC/DC con alta penetración de convertidores electrónicos de potencia y cargas de potencia constantes, la compensación de la falta de inercia que caracteriza a este tipo de redes, y el desarrollo de herramientas para abordar el retardo y la latencia en la estimación de la frecuencia y fase de red, así como la estimación de la impedancia de línea. La presente investigación incluye varias contribuciones y propuestas en los campos de control de convertidores conectados a red y microrredes híbridas AC/DC: 1) Un esquema de control de corriente basado en observador para convertidores trifásicos conectados a la red mediante un filtro LCL, diseñado para evitar el uso de sensores de corriente en el lado de red. 2) Un método online de estimación de la impedancia de red utilizando inyección de pulsos, con una carga computacional moderada y una distorsión armónica total reducida en comparación con otras alternativas, siendo válido para diferentes aplicaciones en el campo de las microrredes (detección de modo isla, localización de fallas, control adaptativo...) 3) Análisis del control dinámico de tensión de convertidores AC y DC bajo una alta presencia de cargas de potencia constante. Se analizan los efectos adversos causados por dichas cargas en los controles de tensión convencionales que utilizan reguladores proporcionales-integrales, lo que pone de manifiesto los beneficios de una nueva alternativa de control de tensión basado en control cuadrático, no utilizada antes en aplicaciones AC. 4) Un compensador de potencia activo para microrredes trifásicas AC, basado en un sistema de almacenamiento de energía, adecuado para mejorar la respuesta transitoria de la frecuencia y magnitud de la tensión de red, proporcionando una inercia virtual o una capacitancia virtual respectivamente. Se ha diseñado un compensador de transitorios de frecuencia utilizando un observador de Luenberger, capaz de funcionar sólo durante los transitorios y superar el problema del retraso en la estimación de la frecuencia. La solución permite reducir el retardo de fase del compensador, mejorando la compensación de transitorios en comparación con los métodos existentes. 5) Un método predictivo de estimación y aislamiento de la secuencia principal y armónicos de red basado en la transformada de Goertzel, que mejora la dinámica de la estimación de magnitud y fase en redes distorsionadas. El estimador puede ser empleado para diferentes aplicaciones de AC (sincronización, control fundamental, compensación armónica...) El método propuesto es capaz de estimar la fase, las secuencias positiva y negativa y las componentes armónicas con una respuesta dinámica mejorada en comparación con otras alternativas. 6) Un esquema de control descentralizado para la regulación de redes de corriente continua utilizando generadores virtuales DC combinados con un control droop P/V. El método propuesto permite ajustar la contribución de cada unidad a la inercia global y al reparto de potencia en estado estacionario, extendiendo el concepto de generador síncrono virtual a redes DC. 7) Definición de dos estrategias de control primario diferentes para una microrred híbrida AC/DC con sistemas de almacenamiento de energía integrados, compuesta por un bus DC y varias subredes AC trifásicas. La primera alternativa se basa en el uso de una topología de control maestro-esclavo tanto en el lado de DC como en las subredes AC. La segunda, está basada en el uso de generadores virtuales DC y generadores virtuales sincrónicos. 8) Dos alternativas de control dinámico mejorado para microrredes híbridas de AC/DC, que exploran el reparto de potencia activa de forma cooperativa entre las subredes DC y AC. El primero se basa en un algoritmo de distribución de potencia adaptable y el segundo en un novedoso esquema de generador virtual híbrido AC/DC. Ambas soluciones tienen como objetivo reducir la dependencia de la red eléctrica principal y mejorar la respuesta en bus DC en condiciones de baja inercia. Las estrategias de control propuestas han sido verificadas mediante simulaciones y pruebas experimentales. La validación práctica del trabajo realizado se ha llevado a cabo en una microrred híbrida AC/DC de laboratorio desarrollada en las instalaciones del grupo LEMUR en la Universidad de Oviedo, España, y en la microrred de laboratorio del grupo PEMC en la Universidad de Nottingham, Reino Unido.