Advanced hierarchical control structure for virtual oscillator-based distributed generation in multi-bus microgrids under different grid dynamics and disturbances

Tran, Trung Thai; Monti, Antonello (Thesis advisor); Raisz, David Mark (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University (2020, 2021)
Buch, Doktorarbeit

In: E.ON Energy Research Center ; ACS, Automation of complex power systems 89
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Die auf Leistungselektronik basierenden Umrichter, die als Schnittstelle zwischen dezentralen Erzeugern und dem Hauptversorgungsnetz eingesetzt werden, spielen eine entscheidende Rolle bei der zunehmenden Integration von erneuerbaren Energiequellen in bestehende Stromsysteme. Dank fortschrittlicher Steuerungstechnologien können Stromrichter verschiedene Funktionalitäten und eine ganze Reihe von Hilfsdiensten wie Spannungs- und Frequenzregelung, Power-Sharing-Fähigkeit, Netzqualitätskontrolle und Synchronisation bereitstellen. Das Hauptziel dieser Dissertation ist es, einen innovativen Steuerungsansatz für Stromrichter vorzuschlagen, der sie in die Lage versetzt, die anspruchsvollsten technischen Probleme zu überwinden, die mit dem Betrieb und der Steuerung von Multi-Bus-Microgrids verbunden sind, nämlich Spannungsqualität, Verbesserung der Leistungsteilung, Synchronisierung und Leistungsflusssteuerung. Im Gegensatz zu den meisten Arbeiten in der Literatur wird in dieser Dissertation die Virtual Oscillator Control für die primäre Steuerungsebene verwendet. Zusätzliche Regler werden entworfen, um eine einheitliche hierarchische Regelungsstruktur zu verwenden, die die Stabilität des Mikronetzes, die Zuverlässigkeit und die hohe Qualität der Stromerzeugung unter verschiedenen Betriebsbedingungen, Netzstörungen und Unsicherheiten garantiert. Erstens wird eine vollständig dezentralisierte Regelungsmethode entwickelt, die eine neuartige Gleitmodusregelung entwickelt, um Spannungsverzerrungen am Punkt der gemeinsamen Kopplung zu kompensieren, der nicht direkt mit den Umrichterklemmen verbunden ist. Die vorgeschlagene Regelungsmethode verwendet eine Hochpassfiltertechnik, um die Ordnung des endgültigen Regelgesetzes zu reduzieren. Der zweite Beitrag dieser Dissertation auf dem Gebiet der Regelung der Primärebene ist der Entwurf einer neuen Regelungsmethode, die aus einer Gleitmodusregelung niedriger Ordnung und einer modifizierten virtuellen Oszillatorregelung besteht, um die Leistungsteilungsaufgabe von Stromrichtern in photovoltaisch dominierten (PV) Mikrogrids zu verbessern. Die vorgeschlagene Regelungsmethode ermöglicht es dem PV-System, nahtlos zwischen verschiedenen Betriebsmodi zu wechseln, nämlich Maximum Power Point Track (MPPT) und Power-Sharing-Modi, ohne dass eine Rekonfiguration des Reglers erforderlich ist. Die Stabilität des Gesamtsystems wird auch unter verschiedenen Einstrahlungsniveaus und Lastbedingungen aufrechterhalten. Auf der sekundären Steuerungsebene wird in dieser Dissertation zunächst eine verteilte Steuerungsstrategie implementiert, die auf einem durchschnittlichen Konsensprotokoll basiert, um Ungenauigkeiten bei der Leistungsaufteilung zwischen den verteilten Generationen zu beseitigen, die durch die Unstimmigkeiten zwischen den äquivalenten Impedanzen an den Ausgängen der verteilten Generationen sowie durch die Komplexität der Netztopologie verursacht werden. Der vorgeschlagene konsensbasierte verteilte Steuerungsalgorithmus verwendet nur begrenzte Informationen zwischen einer verteilten Generation und ihren Nachbarn. Dadurch wird die Kommunikationsstruktur vereinfacht. Außerdem wird die negative Auswirkung von Kommunikationszeitverzögerungen anhand einer eigenwertbasierten Stabilitätsanalyse analysiert. Diese Analyse wird verwendet, um die Zeitverzögerungsspanne zu definieren, die die Systemstabilität aufrechterhält, und um einen Kompensator zu entwerfen, der die Zeitverzögerungsspanne erhöht. Der zweite Beitrag dieser Forschung zur sekundären Steuerungsebene ist eine autonome Synchronisationssteuerungsstrategie, um einen sanften Übergang zwischen den Betriebsarten eines Multi-Bus-Microgrids zu erreichen. Das Steuersignal wird von der Synchronisationssteuerung an eine oder mehrere führende verteilte Generationen gesendet. Dann kooperieren alle verbleibenden verteilten Generationen auf verteilte Weise, indem sie ein konsensbasiertes verteiltes Protokoll verwenden, um die Spannung auf der Mikronetzseite zur Synchronisierung mit dem Hauptversorgungsnetz zu zwingen. Der letzte Beitrag dieser Dissertation ist die Einführung eines neuen Freiheitsgrades K in die konventionelle Regelungsstruktur der Virtuellen Oszillatorsteuerung, um deren Fähigkeit zur Leistungsdisposition im netzgekoppelten Modus zu verbessern. Es wird ein analytischer Ausdruck abgeleitet, um die Beziehung zwischen dem K-Faktor und der Umrichterleistung und den Spannungsausgängen zu erklären. Basierend auf den theoretischen Analyseergebnissen werden zwei Regelungsansätze vorgestellt, um die Stromrichterleistungen so zu regeln, dass sie den gewünschten Sollwerten der oberen Regelebene folgen. Der erste Schritt zur Demonstration der praktischen Möglichkeit der vorgeschlagenen Regelungsmethoden wird in dieser Dissertation durch die Implementierung der Hardware-in-the-Loop (CHiL)-Simulation der Regelung in der Opal-RT-Plattform eingeführt.

Einrichtungen

• E.ON Energy Research Center [080052]
• Lehrstuhl für Automation of Complex Power Systems [616310]