Enhance OF SOGI-FLL and SOGI-PLL response to voltage sags and swells perturbations

Abstract

The scope of this thesis is related to the enhancement of the operation of distributed generators (DGs) based on renewable energies (REs) when connected to the conventional grid network. Synchronization of those DGs, i.e. their front-end inverters, with the grid is critical for injecting power into the grid. Internal control loops of voltage source inverters (VSIs) monitor parameters such as the utility voltage's phase, amplitude, and frequency to achieve proper synchronization and inject power into the grid. Therefore, an appropriate estimation of the grid parameters is needed for completing the mentioned goals. The different existing monitoring techniques still face technical challenges when appearing faults on the grid, particularly voltage sags and voltage swells. From those techniques, SOGI-FLL and SOGI-PLL are widely spread in power inverters. In the mentioned faulty conditions, a degradation of the estimated parameters occurs due to the impact of the grid defaults on the dynamic performance of the SOGI-FLL and SOGI-PLL estimators. In the literature, it was not found contributions to those problems. This research aimed to contribute by providing a fast and accurate detection of the faults, yielding a robust dynamical response of the VSIs control structure in front of such perturbations, thanks to a fast and precise estimation of grid parameters. This faults detection strategy was accompanied by minimization of the monitored parameters drift due to inherent harmonic pollution of the faults. Then a first contribution has been the design and implementation of a Finite State Machine on a synchronization structure known as SOGI-PLL and in SOGI-FLL, enhancing their dynamical response regarding transient time and steady-state response in front of voltage sags. A second contribution has been implementing the strategy to face the problems derived from voltage swells with satisfactory results. The research was carried out in the E3PACS laboratory facilities of EEBE-UPC. This work is organized as follows: In Section 1, the study is contextualized. Section 2 describes Power Quality indexes benchmarking for assessing the problem to solve and the obtained results. It is then followed by Section 3, where the SOGI-FLL response against voltage sags and swells is analyzed. Therefore, Section 4 summarizes the different approaches and results for mitigating the grid faults studied. Section 5 is devoted to showing SOGI-PLL amelioration by applying SOGI Error-Based algorithm. Finally, Section 6 summarizes the main contributions of this work, along with the general conclusions. Section 7 lists future work, in Section 8 are listed the published JCR indexed papers.

L'abast d'aquesta tesi està relacionat amb la millora del funcionament dels generadors distribuïts (DG, distributed generation en anglès) basats en energies renovables quan es connecten a la xarxa elèctrica convencional. La sincronització d'aquests DG amb la xarxa és fonamental per injectar energia a aquesta, especialment quan es tracta d'inversors de potència. Els llaços de control interns dels inversors de font de tensió (VSI, Voltage Source Inverters en anglès) controlen paràmetres com ara la fase, l'amplitud i la freqüència de la tensió de la xarxa per aconseguir una sincronitzaciórequerida. Per tant, es necessita una estimació adequada dels paràmetres del bus de tensió per assolir els objectius esmentats. Les diferents tècniques de monitorització existents encara s'enfronten a reptes tècnics a l'hora d'aparèixer fallades a la xarxa, especialment caigudes i augments abruptes de tensió ("Voltage sags" i "Voltage swells" en anglès, respectivament). En el cas dels inversors, les tècniques basades en estructures SOGI-FLL i SOGI-PLL estan àmpliament esteses i, en les esmentades condicions de fallada, es produeix una degradació dels paràmetres estimats a causa de l'impacte dels defectes de la xarxa en el seu comportament dinàmic . A la literatura, no es van trobar contribucions rellevants per mitigar aquests problemes. Aquesta investigació pretén doncs contribuir proporcionant una detecció ràpida i precisa de les fallades, donant una resposta dinàmica robusta de l'estructura de control dels VSI davant d'aquestes pertorbacions, gràcies a una estimació ràpida i precisa dels paràmetres de la xarxa. Aquesta estratègia de detecció de fallades s'acompanya de la minimització de la deriva dels paràmetres monitoritzats a causa de la contaminació harmònica inherent de les fallades. Així doncs, una primera contribució ha estat el disseny i la implementació d'una màquina d'estats finits en una estructura de sincronització coneguda com SOGI-PLL i en SOGI-FLL, millorant la seva resposta dinàmica pel que fa al temps transitori i la resposta en estat estacionari davant les caigudes de tensió. Una segona aportació ha estat la implementació de l'estratègia per afrontar amb resultats satisfactoris els problemes derivats de les pujades de tensió (voltage swells). La investigació es va dur a terme a les instal·lacions del laboratori E3PACS de l'EEBE-UPC. Aquest treball s'organitza de la següent manera: A l'apartat 1 es contextualitza l'estudi. La secció 2 descriu el la referenciació dels índexs de qualitat de l'energia per avaluar el problema a resoldre i els resultats obtinguts. A continuació, segueix la Secció 3, on s'analitza la resposta SOGI-FLL contra les caigudes i les inflors de tensió. Per tant, la Secció 4 resumeix els diferents enfocaments i resultats per mitigar les falles de la xarxa estudiades. La secció 5 està dedicada a mostrar la millora SOGI-PLL aplicant l'algorisme SOGI basat en errors. Finalment, l'apartat 6 resumeix les principals aportacions d'aquest treball, juntament amb les conclusions generals. La secció 7 enumera els treballs futurs, a la secció 8 s'enumeren els articles indexats JCR publicats.