Modular platform for research in microgrids

Abstract

The present Ph.D. thesis has been developed following an Industrial Ph.D. program and verses on developing a commercial piece of equipment for teknoCEA, a spin-off company from CITCEA-UPC. The thesis is centered on developing power electronics-based emulation systems for research in microgrids. Lately, the use of power electronics-based emulation systems is drawing substantial attention in the field of microgrids because their characteristics substantially facilitate research in laboratory facilities.

First, the suitability of different topologies for implementing an emulation platform is analyzed. The focus is set on the topologies adjustability to implement various types of emulation systems. The analysis determines the most appropriate number of legs for the platform. A comparative analysis is done between two-level and multi-level topologies to determine their suitability based on different aspects. Moreover, the analysis confirms the usefulness of wide-bandgap semiconductors for this type of application.

Next, a control structure is proposed together with its implementation in a low-cost microcontroller based on a modular software architecture. The control strategy based on fractional proportional resonant controllers for AC emulation systems provides a control system with high control bandwidth while keeping a low computational cost. The control strategy for DC emulation systems is provided to reach a fast transient response and immunity to external disturbances, which is key for good emulation of electric systems.

The modular software architecture provides a software framework easily adjustable to the needs of multiple emulation systems. That allows the implementation of the multiple control strategies with minimum changes. Additionally provides a graphical representation of the software architecture from a static and dynamic point of view.

Last, the reliability of the proposed platform is assessed based on the reliability curves provided in the literature. The reliability analysis is centered on the semiconductors and capacitors. It provides evidence that emulation systems typical currents and voltages clearly affect their reliability. For the capacitors reliability assessment, a thermal modeling methodology is proposed to overcome the limitations of standard approximations. The methodology is based on anisotropic modeling of the capacitor winding. Finally, the reliability analysis establishes the guidelines to assess the platform reliability if a given mission profile is provided.

La present tesi doctoral s'ha dut a terme seguint un programa de doctorat industrial. La tesi exposa el desenvolupament d'un equip comercial per a teknoCEA, una spin-off del CITCEA-UPC. La tesi es centra en el desenvolupament d'emuladors basats en electrònica de potència per recerca en el camp de les microxarxes. Darrerament, l'ús d'emuladors s'ha estès ja que les seves característiques faciliten molt la recerca en laboratoris. En primer lloc, s'analitza la idoneïtat de diferents topologies per implementar una plataforma d'emulació. El focus recau en la capacitat de diferents topologies per ajustar-se a la implementació de múltiples sistemes d'emulació. L'anàlisi determina el número òptim de branques. Un anàlisi comparatiu entre topologies dos nivells i multinivell permet determinar-ne la idoneïtat en funció de diferents aspectes. A continuació, es proposa una estructura de control juntament amb la seva implementació en un microcontrolador de baix cost a partir d'una arquitectura de programari modular. L'estratègia de control basada en controladors FPR (fractional proportional resonant) per a emuladors de corrent altern, proporciona un sistema de control amb un gran ample de banda amb un baix cost computacional. L'estratègia de control proposada per emuladors de corrent continu proporciona una resposta transitòria ràpida i elevada immunitat a pertorbacions, aspecte clau per a una bona emulació de sistemes elèctrics. L'arquitectura de programari modular proporciona un marc de programari fàcilment ajustable a les necessitats de múltiples emuladors. Això permet la implementació de les múltiples estratègies de control amb canvis mínims. A més, ofereix una representació gràfica de l'arquitectura del programari tant des d'un punt de vista estàtic com dinàmic. Finalment, s'avalua la fiabilitat de la plataforma a partir de les corbes de fiabilitat disponibles a la bibliografia científica. L'anàlisi es centra en els semiconductors i condensadors i proporciona evidència que els corrents i les tensions típics en emuladors afecten la seva fiabilitat. Per a l'avaluació de la fiabilitat dels condensadors, es proposa una metodologia de modelització tèrmica que permet superar les limitacions de les metodologies emprades típicament en la bibliografia científica. La metodologia es basa en el modelatge del bobinat del condensador com un element anisòtrop. Per últim, l'anàlisi de fiabilitat estableix les pautes per avaluar la fiabilitat de la plataforma en el cas que es proporcioni un perfil d'operació determinat.