Advance control of multilevel converters for integration of distributed generation resources into ac grid

Abstract

Distributed generation (DG) with a converter interface to the power grid is found in many of the green power resources applications. This dissertation describes a multi-objective control technique of voltage source converter (VSC) based on multilevel converter topologies, for integration of DG resources based on renewable energy (and non-renewable energy)to the power grid. The aims have been set to maintain a stable operation of the power grid, in case of di erent types of grid-connected loads. The proposed method provides compensation for active, reactive, and harmonic load current components. A proportional-integral (PI) control law is derived through linearization of the inherently non-linear DG system model, so that the tasks of current control dynamics and dc capacitor voltage dynamics become decoupled. This decoupling allows us to control the DG output currents and the dc bus voltage independently of each other, thereby providing either one of these decoupled subsystems a dynamic response that signi cantly slower than that of the other. To overcome the drawbacks of the conventional method, a computational control delay compensation method, which delaylessly and accurately generates the DG reference currents, is proposed. The rst step is to extract the DG reference currents from the sensed load currents by applying the stationary reference frame and then transferred into synchronous reference frame method, and then, the reference currents are modi ed, so that the delay will be compensated. The transformed variables are used in control of the multilevel voltage source converter as the heart of the interfacing system between DG resources and power grid. By setting appropriate compensation current references from the sensed load currents in control circuit loop of DG link, the active, reactive, and harmonic load current components will be compensated with fast dynamic response, thereby achieving sinusoidal grid currents in phase with load voltages while required power of loads is more than the maximum injected power of the DG resources. The converter, which is controlled by the described control strategy, guarantees maximum injection of active power to the grid continuously, unity displacement power factor of power grid, and reduced harmonic load currents in the common coupling point. In addition, high current overshoot does not exist during connection of DG link to the power grid, and the proposed integration strategy is insensitive to grid overload.

La Generació Distribuïda (DG) injectada a la xarxa amb un convertidor estàtic és una solució molt freqüent en l'ús de molts dels recursos renovables. Aquesta tesis descriu una técnica de control multi-objectiu del convertidor en font de tensió (VSC), basat en les topologies de convertidor multinivell, per a la integració de les fonts distribuïdes basades en energies renovables i també de no renovables.Els objectius fixats van encaminats a mantenir un funcionament estable de la xarxa elèctrica en el cas de la connexió de diferents tipus de càrregues. El mètode de control proposat ofereix la possibilitat de compensació de les components actives i reactives de la potencia, i les components harmòniques del corrent consumit per les càrregues.La llei de control proporcional-Integral (PI) s’obté de la linearització del model inherentment no lineal del sistema, de forma que el problema de control del corrent injectat i de la tensió d’entrada del convertidor queden desacoblats. Aquest desacoblament permet el control dels corrents de sortida i la tensió del bus de forma independent, però amb un d’ells amb una dinàmica inferior.Per superar els inconvenients del mètode convencional, s’usa un retard computacional, que genera les senyals de referència de forma acurada i sense retard. El primer pas es calcular els corrents de referència a partir de les mesures de corrent. Aquest càlcul es fa primer transformant les mesures a la referència estacionaria per després transformar aquests valors a la referència síncrona. En aquest punt es on es poden compensar els retards.Les variables transformades son usades en els llaços de control del convertidor multinivell. Mitjançant aquests llaços de control i les referències adequades, el convertidor és capaç de compensar la potencia activa, reactiva i els corrents harmònics de la càrrega amb una elevada resposta dinàmica, obtenint uns corrents de la xarxa de forma completament sinusoïdal, i en fase amb les tensions.El convertidor, controlat amb el mètode descrit, garanteix la màxima injecció de la potencia activa, la injecció de la potencia reactiva per compensar el factor de potencia de la càrrega, i la reducció de les components harmòniques dels corrents consumits per la càrrega. A més, garanteix una connexió suau entre la font d’energia i la xarxa. El sistema proposat es insensible en front de la sobrecarrega de la xarxa