Modeling and distributed control of decentralized energy generation: a MIMO approach

Calabria, Mauro

Die Struktur moderner Energiesysteme hat sich durch das laufende Wachstum der umrichterbasierten dezentralen Energieerzeugung auf Basis erneuerbarer Energiequellen enorm geändert. Besonders in Niederspannungsnetzen führt der großflächige Einsatz von verteilten Erzeugungsanlagen führt zu Stabilitätsproblemen, denn die Dynamik der Wechselrichter und die durch das ohmsche und induktive Verhalten der Stromleitungen komplexe Verkopplung können zu ungedämpften Schwingungen führen. Diese Arbeit setzt den Schwerpunkt auf die Analyse der Kleinsignalstabilität eines Niederspannungsnetzes mit dezentraler Erzeugung und auf die Auslegung eines geeigneten Regelgesetzes, das Stabilität gewährleisten kann. Nach einer detaillierten Einführung in die Arbeitsweise eines Niederspannungsnetzes mit dezentraler Erzeugung werden geeignete Umrichter- und Netzmodelle eingeführt. Darauf folgt eine Diskussion des dynamischen Verhaltens dieser Modelle und deren Grenzen. Als Regler wird ein so genannter improved-droop Regler vorgeschlagen, der als PDT-Regler auf die Wirkleistungsstatikkennlinie des Umrichters wirkt. Das Dämpfungs- und Stabilisierungsvermögen des PDT-Reglers werden in vollem Umfang mit Hilfe von Wurzelortskurven, Bode- und Nyquist-Diagramme untersucht. Aus dieser Analyse werden drei Design-Methoden abgeleitet, die die systematische Auslegung des Reglers ermöglichen. Anschließend wird die Analyse auf ein Niederspannungsnetz mit mehreren dezentralen Umrichtern erweitert. Im Gegensatz zur traditionellen entkoppelten Reglerauslegung mehrerer Umrichter wird in dieser Arbeit deren Kopplung explizit betrachtet. Zwei solcher Verfahren zur Auslegung der PDT-Regler jeder Umrichter werden entsprechend entworfen. Schließlich wird ein Modell reduzierter Ordnung hergeleitet, das die wesentlichen Aspekte des dynamischen Verhaltens eines Niederspannungsnetzes mit dezentraler Erzeugung nachbildet. Die Leistungsfähigkeit und die Grenzen der vorgeschlagenen Ansätze werden mittels Laborversuchen demonstriert.

The ongoing increase of inverter-interfaced distributed energy generation based on renewable energy sources is notably changing the structure of modern power systems. Particularly in low-voltage grids, the large-scale implementation of droop-controlled distributed generation gives rise to stability issues, given the dynamic response of the power inverters and the complex coupling that arises from the inductive and resistive behavior of the power lines. This work focuses on the analysis of the small-signal stability of a low-voltage grid with distributed generation and on the design of a proper control law that assures stability independently from the chosen power droops. After a detailed introduction on the fundamentals of the operation of a low-voltage grid with distributed generation, appropriate models are introduced for the power inverters and the grid to which they are connected, followed by a discussion on their dynamics and the limits to which these models are subject. The implementation of a so-called improved droop controller on a single inverter is proposed and studied in depth, which modifies the dynamics with which a power inverter operates. The damping and stabilizing capabilities of the improved droop controller are studied at full length with the help of graphical control tools such as root-locus, Bode, and Nyquist diagrams. From this analysis, three systematical design methods are derived, which allow for the tuning of the improved droop controller in a way that enough damping can be guaranteed. Subsequently, the analysis is extended to a grid with several inverters. Although the tuning of a group of inverters is traditionally done disregarding their coupling, this work considers a low voltage grid as a whole, explicitly contemplating the interaction between power inverters. Accordingly, two methods to tune the improved droop controller for a given group of inverters are derived. Finally, a reduced-order model of the grid is derived, which captures the most significant aspects of the dynamic behavior of a low-voltage grid with distributed generation. Laboratory small-scale experiments are included to show the performance and the limits of the proposed approach.

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Calabria, Mauro: Modeling and distributed control of decentralized energy generation: a MIMO approach. 2015.

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