estudio de microgrids con interfases de convertidores de dc ac

Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC


Motion Control and Industrial

Applications Group

Fabio ANDRADE RENGIFO

Candidato a Doctor - (Universidad Politécnico de Catalunya UPC)

Magíster en ingeniería con énfasis en Automática - (Universidad del VALLE-May.08)

Ing. Electrónico - (Universidad del VALLE-May.03)

Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 2

Estado del arte: MICROGRID

“… MicroGrid concept assumes an aggregation of loads and microsources operating as a single system providing both power and heat. The majority of the microsources must be power electronic based to provide the required flexibility to insure operation as a single aggregated system …” [Lasseter et al, 2002]

MGCC

LC LC LC

DG DG R

Microgrid [Dimeas y Hatziargyriou, 2005]


Estado del arte

Classical electrical system

Integration of DER


Estado del arte

California Energy Commission

U.S. Department of Energy

Microgrid Concept2009 Distributed Generation Interface to the CERTS Microgrid The Operation of Diesel Gensets in a CERTS Microgrid

2006 Validation of the CERTS Microgrid Concept The CEC/CERTS Microgrid Testbed Autonomous Control of Microgrids Dynamic Distribution using (DER) Distributed Energy Resources Control and Design of Microgrid Components

2005 Energy Manager Design for Microgrids

2004 The CERTS Microgrid and the Future of the Macrogrid Behavior of Two Capstone 30kW Microturbines Operating in Parallel with Impedance Between Them Microgrid: A Conceptual Solution

2003 – 2002 – 2001

A Business Case for On-Site Generation: The BD Biosciences Pharmingen Project Microgrid Energy Management System Review of Test Facilities for Distributed Energy Resources Integration of Distributed Energy Resources: The CERTS MicroGrid Concept White Paper on Protection Issues of The MicroGrid Concept Industrial Application of MicroGrids


Estado del arte

Proyectos Europeos que han trabajado en Microgrids

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

MICROGRID – Large Scale Integration of micro-generation to low Voltage Grid (1/1/2003 – 31/12/2005)

More Microgrids – Advanced Architectures and Control Concepts For More Microgrid(1/1/2006 – 31/12/2009)

Crisp – distributed intelligence in critical infrastructure for sustainable power (CRISP) (1/10/2002 – 30-6/2006)

DISPOWER – Distributed Generation with High Penetration of Renewable Energy Sources(1/1/2002 – 31/12/2005)

FENIX - Flexible electricity networks to integrate the expected “energy evolution”(1/10/2005) – (30/9/2009)


Estado del arte

The Netherlands

Romania

Athens

AustriaGermanySpain

France

United Kingdom

Italia

http://www.areva.com/

http://www.ecro.ro/

http://www.edfenergy.com/

http://www.edf.fr/

http://www.ecn.nl/

http://www.labein.es/

http://www.gamesa.es/

http://www.gie-idea.com/

http://www.iberdrola.es/

http://www3.imperial.ac.uk/

http://www.iset.uni-kassel.de/

http://www.nationalgrid.com/

http://www.poyry.com/

http://www.ree.es/

http://www.scalagent.com/

http://www.siemens.de/

http://manchester.ac.uk/

http://www.vu.nl/

http://www.ziv.es/


Estado del arte

DNO MO

MGCC MGCC MGCC

LC LC LC LC LC LC LC LC LC

DG DG DG DG DG DGR R R

Microgrid 1 Microgrid 2 Microgrid n

Control de Microgrid

I. Distribution Network Operator (DNO): Funcionamiento técnico

III. Market Operator (MO): Operaciones de mercado

IV. Microgrid Central Controller (MGCC): Funcionamiento de la Microgrid.

IV. Local Controllers (LC): Controladores. [Dimeas y Hatziargyriou, 2005]


ESTRUCTURA DE UNA MICROGRID

Control de Microgrid (LC)

Compartir potencia:

Load control

BATERIA

CARGAS

3ф 230V / 50 HzRed

Con

exió

n re

d

Publica

Fuente de energía

renovable

PC

C

INV

ER

SO

R 1

INV

ER

SO

R 2

INV

ER

SO

R N

Fuente de energía

renovable

Fuente de energía

renovable

P? Q? P? Q? P? Q? P? Q?

Uno de los mayores problemas que estos sistemas pueden afrontar esta en compartir

la potencia entre generadores y consumidores sin comunicaciones entre ellos


Controlador local (LC)

Filt

ro

Controladores internos:

• Lazo de control de voltaje• Lazo de control de corriente

Inversor

Calculo de P y Q

Filt

ro L

ow

Pas

s

Curva Droop vs P

P

QCurva Droop V vs Q

V

tVsenVref



Controlador local (LC)


“Curvas Droop”


Microgrid conectada a la Red eléctrica publica


Microgrid en modo aisladoR

enew

able

Sour

ce 1

Filter 1Inverter 1 Inverter 2

Ren

ewab

leSo

urce

2

Filter 1

1V

1I

2V

2I

1Z 2Z

3Z

1V

1I

2V

2I

1Z 2Z

3Z

2I iQiP

dqqd

qqdd

IVIV

IVIV

PLL

dqV

dqI

f

f

s

Pkp 0

QkVV v 0

PQV,

1IiQiP

dqqd

qqdd

IVIV

IVIV

PLL

dqV

dqI

f

f

s

Pkp 0

QkVV v 0

PQ V,


Microgrid en modo aislado

A Mathematical model

Ren

ewab

leSo

urce

1


Ren

ewab

leSo

urce

2

Filter 1

1V

1I

2V

2I

1Z 2Z

3Z

qqddi IVIVsP

dqqdi IVIVsQ

sPs

sP if

f

sQs

sQ if

f



Ren

ewab

leSo

urce

1


Ren

ewab

leSo

urce

2

Filter 1

1V

1I

2V

2I

1Z 2Z

3Z

Pk p 0

QkVV v 0

droop curves (f vs P and V vs Q)





Ren

ewab

leSo

urce

1


Ren

ewab

leSo

urce

2

Filter 1

1V

1I

2V

2I

1Z 2Z

3Z

sPs

sP if

f

sQs

sQ if

f

ifpf Pk

ifvf QkVV



working in the time domain

ifpf Pk

ifvf QkVV

qd jVVV

cosVVd

sinVVq

d

q

V

Varctan



working in the time domain

ifpf Pk

ifvf QkVV

qd jVVV

cosVVd

sinVVq

d

q

V

Varctan

22qd

qddq

VV

VVVV

22qd VVV



QV

VkVVV

QV

VkVVV

Pk

qfvqfdq

dfpqdfd

fpf

We have a set of equations which describe the behavior of each inverter



The whole system

22

22222222

22

22222222

222222

11

11111111

11

11111111

111111

QV

VkVVV

QV

VkVVV

Pk

QV

VkVVV

QV

VkVVV

Pk

qfvqfdq

dfpqdfd

fpf

qfvqfdq

dfpqdfd

fpf



The network

Ren

ewab

leSo

urce

1


Ren

ewab

leSo

urce

2

Filter 1

1V

1I

2V

2I

1Z 2Z

3Z

2

2

1

1

22221212

22221212

12121111

12121111

2

2

1

1

2

1

323

331

2

1

q

d

q

d

q

d

q

d

V

V

V

V

GBGB

BGBG

GBGB

BGBG

I

I

I

I

E

E

YYY

YYY

I

I



System

Ren

ewab

leSo

urce

1


Ren

ewab

leSo

urce

2

Filter 1

1V

1I

2V

2I

1Z 2Z

3Z

Variable Value unitLine transmission (Z3) 0.5+3i Ω

Local load (Z1) 13+6i ΩLocal load (Z2) 25+13i Ω

Cut-off freq. of measuring filter (ωf) 37.7 rd/sFrequency droop coefficient (kp) 0.0005 rd/s/W

Voltage droop coefficient (kv) 0.0005 V/VARNominal frequency 377 rd/s



Eigenvalues of lineal system

XAX~~

15.032.29.154006.0061.00

42.25.3686.9097.0954.00

97.034.07.37956.0097.00

000005.154

157.094.00217.057.360

944.0157.00936.0466.07.37

A

;5.37;7.377.35;9.26;8.10;0 654321


Resultados

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

Seg (s)

Pote

ncia (kW

)

Flujo de potencia en la Microgrid

Generador 15kVAGenerador 15kVACargaRed Electrica Publica

Un sistema Microgrid con dos inversores de 15KVA trabajando con la red eléctrica


Resultados

0 2 4 6 8 100

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Tiempo (s)

Po

ten

cia

(W

)

Potencias en la Microgrid

P Generador 1P Generador 2Q Generador 1Q Generador 2

Sistema aislado de dos generadores compartiendo potencia

0 2 4 6 8 10376.6

376.8

377

377.2

377.4

377.6

377.8

378

378.2

378.4

378.6

Tiempo (s)

Fre

cue

nci

a (

Rd

/s)

Variación de la frecuencia

0 1376.5

377

377.5

378

378.5

4.5 5.5376.85

376.9

376.95

377

377.05


Resultados

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40Lugar geometrico de las raices

1 mH

10mH

10mH

1 mH

1 mH10mH

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0-60

-40

-20

0

20

40

60Lugar geometrico de las raices

Variación de la inductancia de transmisión en la Microgrid

Variación de los parámetros kp y kv de las curvas droop


Conclusiones

Se ha mostrados varias configuraciones de Microgrids basadas en convertidores DC/AC operando en dos modos diferentes, un primer modo conectada a la red eléctrica pública y un segundo modo aislada.

En cada modo de operación se maneja consignas diferentes, de esta forma cuando la Microgrid está conectada la red eléctrica pública los generadores dan la máxima potencia posible y cuando la Microgrid está aislada se comparte la potencia por medio de las curvas droop.

Se ha encontrado un modelo de pequeña señal de una Microgrid en modo aislado que permite estudiar la estabilidad del sistema.

Este modelo no tiene en cuenta los lazos de control internos de corriente y voltaje de cada inversor ni la frecuencia de conmutación interna de los IGBT’s. El omitir estos parámetros permite una mejor compresión del funcionamiento del sistema.


• MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCION !!!

estudio de microgrids con interfases de convertidores de dc ac

Documents

microgrid microgrid

microgrid ni

certs microgrid concept

distributed energy white

interfasesde convertidores

expected energy evolution

crisp distributed intelligence

conceptual solution