A hybrid solution for distributed energy storage for microgeneration in microgrids: Design of the electronic power and control system
La presente Tesis Doctoral se centra en el estudio, análisis, diseño y validación de Sistemas de Almacenamiento de Energía Híbridos (HESS por sus siglas en inglés) a microrredes y nanorredes de CC. Más en concreto, se analizan las topologías de potencia y estrategias de control, para el diseño de convertidores electrónicos de potencia utilizados en estos sistemas de potencia. En dichos sistemas, un bus de CC actúa como punto de intercambio de potencia entre el convertidor de red de CA/CC en el punto de acoplamiento común (PCC), los convertidores de CC/CC del HESS y el resto de la microred. El HESS objeto de estudio consta de dos unidades de almacenamiento de distintas tecnologías, con especificaciones significativamente diferentes. En el caso considerado, las tecnologías involucradas en los dispositivos de almacenamiento son una batería electroquímica (BB), que proporciona la energía necesaria para el funcionamiento a largo plazo, más un Módulo de Supercondensadores (SM), dispuesto para suministrar/absorber demandas de alta potencia transitorias y rápidas. Estos dispositivos deben estar estrechamente coordinados para lograr un sistema combinado que presente características complementarias de energía y potencia. Los esquemas de control implementados en los convertidores electrónicos de potencia que interconectan estos dispositivos con la microrred, necesitan ser coordinados para gestionar los flujos de potencia de acuerdo con los requisitos de funcionamiento del sistema. El objetivo principal de la investigación es proponer y comparar diferentes topologías y estrategias de control para proporcionar un comportamiento adecuado del sistema, tanto en modo aislado como en modo de conexión a la red. También se considera el funcionamiento del sistema en caso de fallo de cortocircuito en el bus CC, así como el rearme del sistema tras la reparación del fallo. Para alcanzar esta meta principal, se han identificado una serie de objetivos: • Definición del sistema estudiado, sus limitaciones en términos de aplicaciones, niveles de potencia, valores nominales de tensión y su comportamiento esperado. • Caracterización del estado del arte de los HESS para microrredes/nanorredes de CC. • Definición de las topologías de potencia adecuadas para HESS en microrredes/nanorredes de CC, y selección de la topología del caso base. • Análisis de las principales condiciones de operación del HESS. Definición de los modos de funcionamiento: conexión a red y modo aislado. • Análisis y operación del HESS en condiciones de fallo. • Estudio y definición de estrategias de control del HESS en el caso base, para cada modo de operación. Control del modo isla, estrategia de control total y estrategia de control independiente. • Análisis de los límites de funcionamiento del caso base para las restricciones de los valores nominales de tensión y los problemas de funcionamiento en condiciones de fallo por cortocircuito en el bus de CC. • Propuesta de contribuciones para tratar temas relacionados con las restricciones de tensión nominal. • Propuesta de funcionamiento del sistema en caso de avería. • Establecimiento de una metodología de diseño para la validación e implementación de las soluciones propuestas. • Validación de las soluciones propuestas mediante simulaciones y ensayos experimentales en prototipos de laboratorio. • Análisis crítico de las conclusiones y establecimiento de futuros desarrollos. La metodología seguida comienza con una revisión de las soluciones del estado del arte. A partir de esta información, se establece un caso base para el estudio del sistema objetivo de la investigación. El desempeño de este caso base será evaluado en todos los modos de operación, condiciones y estrategias de control. Asimismo, se analizarán en profundidad las limitaciones de este caso base, y se identificarán los aspectos críticos de funcionamiento. A continuación, se realiza un análisis teórico de una serie de soluciones propuestas para superar estas limitaciones. Estas contribuciones incluyen nuevas topologías para resolver el problema del desajuste de tensión y el funcionamiento en caso de fallo, la adaptación de estrategias de control para que las nuevas topologías funcionen en todos los modos de operación (incluyendo condiciones de fallo y rearme del sistema), así como una metodología de diseño para diseñar el control para las condiciones estudiadas. Finalmente, los resultados teóricos obtenidos son validados mediante simulaciones y resultados experimentales realizados en un prototipo de laboratorio. Finalmente, se realizará un análisis crítico de las conclusiones derivadas de la investigación. Con esta metodología se cumplen satisfactoriamente todos los objetivos planteados en la Tesis Doctoral. RESUMEN (en Inglés) This PhD thesis is focused on the study, analysis, design, and validation of power topologies and control strategies for Power Electronic Converters (PECs) used to interface Hybrid Energy Storage Systems (HESSs) to Direct Current (DC) microgrids and nanogrids. In such type of power systems, a DC bus acts as the power link between the grid Voltage Source Inverter (VSI) converter, the energy storage DC/DC converters and the rest of the DC microgrid. The HESS under analysis consists of two energy storage units with significantly different ratings and characteristics. In the particular case of study, the technologies involved in the storage devices at the Hybrid Systems are an electrochemical Battery Bank (BB) and a Supercapacitor Module (SM). The former device aims to provide long-term energy support to the system, while the latter intends to supply/absorb fast, transient high peak power demands. These devices need to be tightly coordinated to achieve a high energy and high-power combined storage system, with complementary properties. The storage units are interfaced to the main system through dedicated power converters. The control schemes implemented in these converters need to be coordinated as to manage the power flows according to the system performance requirements. The main objective of the research is, thus, to propose and compare different topologies and control strategies that provide an adequate system performance during both islanding mode and grid-connected mode. One of the primary purposes of the control stage is to decrease the DC bus voltage variations simultaneously and to perform a fast DC bus recovery, upon fast, relatively large load variations. Also, the control scheme is aimed at increasing the lifetime and State of Health (SoH) of the BB, thus increasing the system reliability and robustness. The performance of the system upon faults is also covered, and a fault ride-through capability is also explored. In order to achieve this main goal, a set of objectives has been identified: - Definition of the system under study, its constraints in terms of applications, power levels, voltage ratings and its expected performance and behaviour. - Characterization of the state-of-the-art HESS for DC microgrids and nanogrids. - Definition of the power electronic topologies suitable for HESS in DC microgrids and nanogrids, and selection of the baseline case topology. - Analysis of the main healthy operating conditions of the HESS. Definition of the operation modes: grid-tied operation and islanding operation. - Analysis and operation of the HESS upon fault conditions. - Study of the control schemes for the HESS in the base case, for every operation mode. Definition of the control strategies: islanding control mode, and grid-tied operation (full control strategy and independent control strategy). - Analysis of the operating limitations of the base case for the voltage ratings constraints and operating issues upon DC bus short-circuit fault conditions. - Proposal of contributions for dealing with issues related to voltage ratings constraints. - Proposal of fault ride-through operation of the system. - Establishment of a design methodology for validation and implementation of the proposed solutions. - Validation of the proposed solutions through simulations and through experimental test in laboratory prototypes. - Critical analysis of the conclusions and establishment of future developments. The undertaken methodology starts by a revision of the state-of-the-art solutions for the implementation of HESS in DC microgrids. From this information, a baseline case is established to be the basis of the research carried out onwards. The performance of this baseline case is assessed in all the operating modes, conditions and control strategies. Also, the limitations of this baseline are deeply analysed, and the critical aspects of the operation are identified. Then, a theoretical analysis of a series of proposed solutions for overcoming these limitations is carried out. These contributions include new topologies for solving the high voltage mismatch problem and the faulty operation in non-isolated HESS, the adaption of control strategies for the new topologies to operate in every mode of operation, including fault conditions and fault-through operation, as well as a design methodology for tuning the control stage for these conditions. Finally, the obtained theoretical results are validated with simulations and experimental results carried out in a dedicated laboratory setup. After that, a critical analysis of the conclusions derived from the research is carried out. With this methodology, all the objectives stated in the PhD Thesis are fulfilled satisfactorily.
Energía y control de procesos, Diseño de circuitos, Hidrodinámica, Tansmisión y distribución eléctrica, Dispositivos semiconductores
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