Blackbox Nonlinear Modeling and Stability Analysis of DC Electronic Power Converters in Microgrids

Francés Roger, Airán (2018). Blackbox Nonlinear Modeling and Stability Analysis of DC Electronic Power Converters in Microgrids. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.53613.

Description

Title: Blackbox Nonlinear Modeling and Stability Analysis of DC Electronic Power Converters in Microgrids
Author/s:
  • Francés Roger, Airán
Contributor/s:
  • Uceda Antolín, Javier
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2018
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Automática, Ingeniería Electrónica e Informática Industrial [hasta 2014]
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Se espera que el sistema de distribución de potencia eléctrica experimente un profundo rediseño en las próximas décadas. La necesidad de una transición desde un sistema centralizado, basado en grandes centrales eléctricas consumiendo combustibles fósiles, hacia un sistema descentralizado capaz de integrar una enorme cantidad de fuentes de energía renovables, está siendo reconocida desde todos los sectores de la sociedad. Esta transformación está impulsada principalmente por la creciente preocupación por la escasez de combustibles fósiles, la polución generada por este tipo de centrales eléctricas, su efecto en el cambio climático y el coste de implementar este tipo de sistemas en zonas aisladas o países en desarrollo. El desarrollo en tecnologías como la electrónica de potencia, sistemas de comunicación, sistemas de almacenamiento de energía o las relacionadas con el concepto del ”internet de las cosas”, puede facilitar esta transición, dotando a los diseñadores de herramientas para la integración y optimización del sistema. Además, estrategias para potenciar su habilidad, robustez y seguridad son también más factibles en este tipo de estructura. El concepto de micro-red es muy popular en este contexto, el cual se refiere a estructuras independientes capaces de trabajar tanto de forma aislada como conectada al resto del sistema de distribución de potencia eléctrica. Las micro-redes permiten la implementación de arquitecturas jerárquicas, las cuales simplifican enormemente la gestión de este tipo de sistemas complejos. Esta estrategia divide el problema en diferentes capas, donde las más bajas controlan los niveles de tensión y corriente, las medias proporcionan servicios auxiliares y las altas definen los flujos de potencia. La integración de convertidores de potencia electrónicos en el sistema de distribución de potencia es esencial para introducir controlabilidad e independencia dinámica entre las distintas partes del sistema. Éstos permiten la integración de los distintos elementos en las micro-redes y posibilitan un comportamiento independiente de las diferentes microredes que conforman el sistema de distribución de potencia. Asimismo, el progreso en la electrónica de potencia ha permitido a los investigadores considerar una distribución en corriente continua dentro de las micro-redes. Las ventajas de usar una distribución en corriente continua, en lugar del acercamiento en corriente alterna, son una mayor conveniencia en la integración de la mayoría de los equipos modernos, como fuentes de energía, elementos de almacenamiento y cargas, la menor complejidad de los convertidores de potencia electrónicos y la simplicidad de las estrategias de control, evitando la sincronización de la frecuencia, problemas derivados de los armónicos, etc. Por lo tanto, con una distribución en continua una micro-red se puede beneficiar de un número menor de conversiones alterna/continua, un incremento en la habilidad debida al menor número de elementos que conmutan en los convertidores y una mayor sencillez en el diseño y control de los convertidores. Estas ventajas resultan en un menor coste y tamaño del sistema en su conjunto. Las micro-redes se caracterizan por un entorno altamente variable. La potencia suministrada por las fuentes renovables depende de las condiciones medioambientales, los elementos de almacenamiento dependen de su estado de carga, la presencia o no de la red influencia fuertemente el comportamiento del sistema y la demanda de potencia también depende de las necesidades de los usuarios. Esta variabilidad puede ser gestionada por los convertidores de potencia electrónicos, los cuales pueden integrar controles con distintos modos de operación en función del estado de carga en la micro-red. Sin embargo, el amplio abanico de condiciones de operación y las distintas estrategias de control conllevan un difícil desafío en el análisis dinámico del sistema. Es bien sabido que la interconexión de convertidores de potencia estables que han sido diseñados de manera individual puede resultar en comportamientos dinámicos degradados o incluso en inestabilidades. Consecuentemente, es muy conveniente modelar los distintos convertidores y tener la capacidad de realizar simulaciones del comportamiento dinámico de la micro-red. Estos modelos pueden ayudar al diseñador a comprobar la compatibilidad de la micro-red con los estándares, a diseñar filtros externos si fueran necesarios, a analizar el efecto de las impedancia de línea, a diseñar protecciones a nivel sistema, etc. Además, este tipo de estructuras normalmente integran controles nivel sistema para realizar las tareas de las capas de control secundarias y terciarias. El diseño y la evaluación de estos controles de nivel sistema debería ser posible a través de los modelos de los convertidores de potencia electrónicos. Los sistemas tradicionales de distribución de potencia basados en electrónica de potencia normalmente tiene un punto de operación fijo y los controles principalmente reaccionan a perturbaciones para mantener la variable controlada cercana al valor de referencia. Por lo tanto, modelos de pequeña señal alrededor del punto de operación nominal son capaces de representar la dinámica de los convertidores con una buena precisión. En aplicaciones complejas, a menudo los sistemas son diseñados en su conjunto, creando soluciones ad hoc con el conocimiento de todos los elementos del sistema. Por lo tanto, modelos detallados pueden ser utilizados para realizar simulaciones previas a la instalación física. Sin embargo, si se pretende realizar un despliegue masivo de micro-redes, el uso de convertidores comerciales es muy deseable, con objeto de reducir costes y mejorar el tiempo de salida a mercado. El precio a pagar para los diseñadores de nivel sistema de usar convertidores comerciales es que, debido a cuestiones de confidencialidad, la información sobre los detalles internos de los convertidores no estará disponible. En este escenario, las únicas opciones para el diseñador del sistema es realizar una instalación física sin una previa simulación y diseño de los elementos complementarios, como filtros, protecciones o controles de nivel sistema basado en la respuesta del sistema; o usar técnicas de modelado en caja negra para identificar modelos comportamentales capaces de representar el comportamiento dinámico de los convertidores. El objetivo de esta tesis es proponer una metodología para diseñar modelos en caja negra de los convertidores de potencia electrónicos capaces de ser integrados en una arquitectura de micro-red de corriente continua. Estos modelos deberían ser capaces de tener en cuenta la respuesta en gran señal de los convertidores en el amplio abanico de condiciones de operación de este tipo de sistema. Éstos deberían también ser capaces de reproducir el comportamiento de convertidores con distintos modos de operación y el efecto de los controles de nivel sistema en el comportamiento dinámico del sistema interconectado. Con todo, el objetivo es proporcionar al diseñador del sistema las herramientas para analizar y diseñar las micro-redes de corriente continua, compuestas de convertidores comerciales y todos los elementos asociados a ellos, a nivel de simulación. La metodología para conseguir todos estos objetivos ha consistido en, primero, revisar el estado del arte sobre los temas relacionados con la tesis. En particular, los temas de interés son: las arquitecturas y estrategias de control propuestas para micro-redes de corriente electrónicos en corriente continua y análisis de interacciones dinámicas y estabilidad de sistemas de distribución de potencia en corriente continua. Segundo, comparar el desempeño de las propuestas existentes de modelado en caja negra para analizar su capacidad de tener en cuenta los fenómenos esperados en micro-redes de corriente continua. Tercero, proponer nuevos métodos para mejorar la estimación de los modelos en caja negra en los casos donde los métodos existentes no son capaces de hacerlo. Cuarto, analizar la posibilidad de aplicar análisis de estabilidad no lineales usando la información obtenida de los modelos en caja negra. Finalmente, combinar los modelos en caja negra en arquitecturas del tipo de las micro-redes de corriente continua para estimar el comportamiento dinámico del sistema interconectado. Asimismo, se abordará la posibilidad de integrar estrategias de control secundario y estudiar su efecto en la dinámica del sistema. ----------ABSTRACT---------- The electric power distribution system is expected to experience a profound redesign in the next decades. The need for a transition from a centralized system, based on large power stations consuming fossil fuels, to a decentralized system able to integrate a massive amount of renewable energy sources is being acknowledged by all sectors of society. This transformation is mainly driven by the growing concern about the scarcity of fossil fuels, the pollution generated by this kind of power plants, their effect on the climate change, and the cost of implementing these systems in isolated areas or developing countries. The development in technologies like power electronics, communication systems, energy storage systems, or the ones involved in the Internet of Things concept, can facilitate this transition, providing the designers with tools for the integration and optimization of the system. Besides, strategies to boost its reliability, robustness, and security are also more feasible in this framework. The concept of microgrid is very popular in this context, which refers to independent structures able to work either isolated or connected to the rest of the electric power distribution system. The microgrids allow the implementation of hierarchical architectures, which greatly simplify the management of this complex system. This strategy divides the problem in different layers, where the lower ones control the voltage and current levels, the middle ones provide ancillary services, and the upper ones define the power flows. The integration of electronic power converters in the power distribution system is key to provide controllability and dynamic independence among the different parts of the system. They allow the integration of the different elements into the microgrids and allow an independent behavior of the different microgrids that shape the power distribution system. Besides, the progress in power electronics has made the researchers to consider a dc distribution within the microgrids. The advantages of using a dc distribution, instead of the traditional ac approach, are: its higher suitability to interface most of the modern devices, like energy sources, storage elements, and loads, the lower complexity of the electronic power converters, and the simplicity of the control strategies, avoiding frequency synchronization, problems due to harmonics, etc. Therefore, with a dc distribution a microgrid can benefit from lower number of ac/dc conversions, an increased reliability due to the lower number of switching elements in the converters, and a higher simplicity in the design and control of the converters. These advantages result in a lower cost and size of the overall system. Microgrids are characterized by a highly variable environment. The power delivered by the renewable sources depends on the weather conditions, the storage elements depend on their state of charge, the presence or not of the grid highly influences the behavior of the system, and the power demand is also dependent on the needs of the users. This variability can be handled by the electronic power converters, which can integrate controls with different operation modes depending on the power state of the microgrid. However, the wide range of operation conditions and the different control strategies entail a difficult challenge in the dynamic analysis of the system. I t is well-known that the interconnection of stable power converters that have been designed individually can result in degraded dynamic behaviors or even instabilities. Consequently, it is very convenient to model the different converters and to have the capability to perform simulations of the overall dynamic behavior of the microgrid. These models can help the designer to check the compatibility of the microgrid with the standards, to design external filters if necessary, to assess the effect of line impedances, to design system-level protections, etc. Besides, this kind of structure usually integrates system-level controls in order to perform the tasks of the second and third control layers. The design and evaluation of these system-level controllers should be also possible by means of the models of the electronic power converters. Traditional power-electronic-based power distribution systems usually have a fixed operating point and the controllers mostly react to disturbances to keep the controller variable close to the reference value. Therefore, small-signal models around the nominal operating point are able to represent the dynamic of the converters with good accuracy. In complex applications, often the systems are designed as a whole, creating ad hoc solutions with the knowledge of all the elements of the system. Therefore, detailed models can be used to perform the simulations before the physical installation. However, in case a massive deployment of microgrids is intended, the use of commercial-off-the-shelf converters is highly desirable, in order to decrease costs and to improve the time-to-market. The price to pay by the system designers of using commercial converters is that, due to confidentiality issues, the information about the internal details of the converters will not be available. In this scenario, the only options for the system designer are to perform the physical installation without a previous simulation and design of the complementary elements, as filters, protections, or system-level controllers based on the response of the system; or to use blackbox modeling techniques to identify behavioral models able to represent the dynamic behavior of the converters. The objective of this thesis is to propose a methodology to design blackbox models of the electronic power converter able to be integrated in a dc microgrid architecture. These models should be able to account for the large-signal response of the converters in the wide range of operation conditions of this kind of system. They should also be able to reproduce the behavior of converters with different operation modes and the effect of system-level controllers into the dynamic behavior of the interconnected system. All in all, the goal is to provide the system designer with tools for assessing and designing the dc microgrids, consisting of commercial-off-the-shelf converters and all the elements associated with them, at simulation level. The methodology to achieve these goals has consisted in, first, reviewing the state of the art about the topics related with the thesis. In particular, the topics of interest are: the proposed architectures and control strategies for dc microgrids, analytical and blackbox modeling approaches for dc electronic power converters, and dynamic interaction and stability analysis of dc power distribution systems. Second, to compare the performance of the existing blackbox modeling approaches in order to assess their capability to account for the expected phenomena in dc microgrids. Third, to propose new methods to improve the estimation of the blackbox models in the cases where the existing methods are not able to do it. Fourth, to assess the possibility of applying nonlinear stability analysis methods using the information obtained from the blackbox models. Finally, to combine the blackbox models in dc microgrids like architectures in order to estimate the dynamic behavior of the interconnected system. Furthermore, the integration of secondary control strategies and their effect on the dynamic of the system will be also addressed.

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Item ID: 53613
DC Identifier: http://oa.upm.es/53613/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:53613
DOI: 10.20868/UPM.thesis.53613
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 15 Jan 2019 11:01
Last Modified: 15 Jan 2019 11:01
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