Study of the Impact of Power Converters Equipped with LC-LCL filters interfacing renewable energy sources to the grid

Arab, Naima (2021). Study of the Impact of Power Converters Equipped with LC-LCL filters interfacing renewable energy sources to the grid. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The demand and variety of power converters interfacing with renewable energy sources have been increasing steadily in recent years, presenting new challenges for the current centralized power grid. The microgrid is a new alternative that increases the penetration rate of the renewable energies (wind and photovoltaic energy, etc.) while the electrical power quality is improved. However, the increased penetration rate of the distributed generators DGs systems can pose problems with reverse power flow, voltage fluctuations and other issues to distribution networks. Beside this, the loads variations, the power generated by the renewable energy sources, and also the transition between grid-connected and the islanded modes impact the microgrid stability. The instabilities are linked to the fact that the power flow in this type of network is bidirectional. In addition, the power fluctuations generated by the renewable energy sources in MGs require the coordinated control of DGs, which allows further stable MG operation. Therefore, the reliability and stability are the major concerns in a microgrid system. On the other hand, distributed generators are equipped with an LC-LCL filter to produce higher power quality while relieving it for reactive power compensation and harmonic elimination.

As part of this doctoral thesis, the local control of a distributed generator which is connected to the loads and to the grid via an LCL filter has been optimally designed as to have the active damping based on LQR control. In addition, this proposed control takes into consideration the perturbation and the tracking of a desired reference model in order to guarantee the stability and robustness of the distributed generator. The controllers have been experimentally implemented using real time with dSPACE. Two applications have been successfully completed; first application is a distributed generator connected to the grid via an LCL filter (PUC5-LCL) and the second one is a single stage multifunctional SPV-APF-LCL which was designed to achieve optimal multifunctional operation for residential power supply.

In order to improve the power sharing between the distributed generators in a microgrid, a new droop control in the primary control has been proposed to keep the voltage and frequency of the microgrid constant. This droop control is based on supplementary control loop (stabilizer) added in the conventional droop control and is applied to several converters interfacing with renewable energy sources connected in parallel on the AC bus. The microgrid application with the proposed droop control has been verified in the real time environment using dSPACE and RT-LAB.

The application of its commands involves the modeling of these complete systems as well as the design of the appropriate regulators to deal with the resonances problems, instabilities and the high quality of energy transfer as well as the suitable power sharing performance.

All the theoretical studies are completely validated by simulation and experimentation analyses and discussions.

Titre traduit

Étude de l'impact des convertisseurs de puissance munis de filtres LC-LCL interfaces des sources d’énergies renouvelables au réseau

Résumé traduit

La demande et la variété de convertisseurs de puissance d’interface avec des sources d'énergie renouvelables n'ont cessé d'augmenter ces dernières années, présentant de nouveaux défis pour le réseau électrique centralisé actuel. Le micro-réseau est une nouvelle alternative qui permet d'augmenter le taux de pénétration de ces énergies renouvelables (éolien et photovoltaïque, etc.) et qui permet d'améliorer la qualité de l'énergie électrique. Cependant, la pénétration croissante des systèmes de générateurs distribués DGs peut poser des problèmes de flux d'énergie inversé, de fluctuations de tension et d'autres problèmes aux réseaux de distribution. La stabilité du micro-réseau est influencée par les variations de charges, la puissance produite par les sources d'énergie renouvelables et aussi la transition entre le mode connecté au réseau et en mode îlot, les instabilités sont liées au fait que la puissance d'écoulement dans ce type du réseau est bidirectionnelle. De plus, les fluctuations de puissance générées par les sources d'énergie renouvelables dans les MGs nécessitent un contrôle coordonné des DGs, ce qui permet un fonctionnement plus stable des MGs. Ainsi, la fiabilité et la stabilité deviennent des préoccupations majeures dans un micro-réseau. Les générateurs distribués sont équipés d'un filtre LC-LCL pour produire une meilleure qualité de puissance tout en le soulageant pour la compensation de la puissance réactive et l'élimination des harmoniques.

Dans le cadre de cette thèse de doctorat, un contrôle local d'un générateur distribué connecté aux charges et au réseau via un filtre LCL au moyen d'un contrôle optimal doté d'un amortissement actif basé sur le contrôle LQR a été proposé. De plus, cette commande proposée prend en compte la perturbation et le suivi d'un modèle de référence souhaité afin de garantir la stabilité et la robustesse du générateur distribué. Les contrôleurs ont été implémentés en temps réel avec dsPACE. Deux applications ont été faites, la première est un générateur distribué connecté au réseau via un filtre LCL (PUC5-LCL). La deuxième application est un SPV-APF-LCL multifonctionnel a un seul étage conçu pour obtenir un fonctionnement optimal multifonctionnel pour une alimentation électrique résidentielle.

Afin d'améliorer le partage de puissance entre les générateurs distribués dans un micro-réseau, une nouvelle commande de statisme dans le contrôle primaire a été proposée pour maintenir la tension et la fréquence du micro-réseau constantes. Ce contrôle de statisme est basé sur une boucle de contrôle supplémentaire (stabilisateur) ajoutée dans le contrôle de statisme conventionnel et qui est appliqué à plusieurs convertisseurs en interface avec des sources d'énergie renouvelables, connectés en parallèle sur le bus AC. L'application de micro-réseau avec le contrôle de statisme proposé a été implémentée en temps réel à l'aide de dsPACE et RT-LAB.

L'application de ses commandes implique la modélisation de ces systèmes complets ainsi que la conception des régulateurs appropriés pour faire face aux problèmes de résonances et d'instabilités ainsi que la bonne qualité de transfert d'énergie et de bonnes performances de partage de puissance.

Toutes les études théoriques sont entièrement validées par simulation et expérimentation.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 135-153).
Mots-clés libres:	amortissement actif, convertisseurs multiniveaux PUC5, contrôle optimal, filtre LCL, Micro-réseau, partage de puissance, stabilité, stabiliser
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Al-Haddad, Kamal
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	25 nov. 2021 19:21
Dernière modification:	17 juin 2022 17:31
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2799

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